By Grzegorz Szalast, Marta Sieczkiewicz • August 19, 2024

由于波罗的海的特殊性，在沿海地区进行精确测量并非易事。在过去的十年里，除了使用GNSS RTK接收仪进行剖面测量外，地形雷射扫描仪也被用于定期监测波兰南部的海岸。本文概述了验证空载光达测深技术（Airborne Lidar Bathymetry, ALB）在海底和陆地上使用的可行性和准确性。

波罗的海南部海岸具有高度的变化性。由于风暴的影响，某些地区的沙滩变得越来越宽，而在其他地方沙滩则逐渐消失。为了防止这些现象，必须持续监测其变化并及时做出应对。对海岸状况进行年度监测是法定义务，由波兰海事办公室主责。
近十年来，斯塞新（Szczecin）海事办公室和格丁尼亚（Gdynia）海事办公室委托使用空载光达进行空中扫描。地形空载光达在追踪陆地变化方面无与伦比，它们能以高准确度绘制整个海岸线。然而，一般空载光达使用的近红外光激光脉冲无法穿透水体，这导致对沿海地区缺乏完整信息。此外，这些信息也无法从高度剖面图中获得。理论上，解决此问题的方法之一是使用空载测深光达，但是，在像波罗的海这样复杂的水体中，这种测量设备所达到的结果是否能够满足预期的准确性呢？
波罗的海的挑战
由于波罗的海的特殊性，在波罗的海沿海地区进行测量并非易事。每种测量方法都有其优势和局限性，但在这片水域中，它们的影响尤为显著。例如，由于波罗的海是一个陆棚海（shelf sea），因此使用多波束测深仪测绘沿海地区的海底地形特别困难。水文测量船通常吃水较深，因此无法使用这些船只进行测量。另一方面，使用吃水较浅的测量船则需要在接近理想的天气条件下进行测量，否则，波罗的海的波浪可能会导致船只倾覆。 图 1：多波束测深仪与ALB测绘能力的比较。（图片来源：见下方）
因此，测量波罗的海南部沿海地区最常见的方法是使用GNSS接收仪进行剖面测量。测量员的任务是制作横断面剖面图，对沙丘、海滩以及水中尽可能深的部分进行测量。这项技术毫无疑问地满足了执行小范围测量的需求，因其极具机动性且不受天气条件的影响。然而，波罗的海可能出现的大浪仍然是一个问题。

水体透明度低
空载测深光达被公认为是测绘山区湖泊或清澈海洋和海域的理想工具。事实上，许多供货商的宣传材料都夸大其辞，宣称他们的扫描仪能够在清澈的水中达到数十米的深度。然而，波罗的海显然不属于这一类型，这是一个水体相对混浊的海域。
另一个影响测深光达的因素是波浪作用。波罗的海可能会出现波涛汹涌的情况，其波浪频率可能比海洋水域高得多。这一切都使测量变得困难，但并非不可能。关键是要对环境有充分的了解，并不断追踪空中和水中的变化条件。 图 2：基于1990-2005年数据的平均年度沙奇盘深度（Secchi Disc Depths）。（图片来源：Lindgren和Håkanson，2007）
测试空载测深光达(ALB)的可行性
另一个影响特定测量方法普及性的因素是其可靠性。已经存在数十年并且广为人知的技术，与那些相对较新的小众方法被对待的方式不同。尽管如此，值得注意的是，早在2007年，就已经开始尝试使用空载测深光达测绘波罗的海南部海岸。不幸的是，当时获得的资料成果与其高昂的成本并不相称。
这一趋势在最近几年开始有所改变，当时波兰海岸选定区段的监测公共合约开始出现。GISPRO SA公司在这方面进行了一个先导计划，该项目是受斯塞新海事办公室的委托进行的。此工作的目的是验证在波罗的海海岸使用空载测深光达的可行性，更重要的是，验证使用空载测深光达在海底和陆地上进行测量的准确性。

技术条件与设备
测量剖面需要从沙丘/悬崖顶部开始每隔至少200米，横跨沙滩和海岸线下方，延伸至海中500米（从海岸线起）。剖面测量需要每5-10米进行一次，并在特征位置进行。测量过程需持续进行，使用GNSS RTK接收仪在陆地和浅水区，并在水中使用单波束测深仪。空载扫描需涵盖整条10.4公里的海岸线，包括陆地表面和海底，最后回波的点密度不低于6点/平方公尺。
此计划选用Riegl VQ-880-G II空载地形及测深两用光达，它发射绿光（532nm）和近红外光（1,064nm）范围的激光脉冲。他整合了PhaseOne iXM-100相机，并配备了先进的Trimble Applanix AV-610 GNSS定位系统和高阶的IMU-57惯性单元。单波束测深仪（SBES）SonarMite BTX整合了Trimble R8 GNSS RTK接收仪，安装在一艘轻型测量船上。陆地和浅水区的剖面测量则是使用了Trimble R12 GNSS RTK 接收仪。

测量活动与成果
本案件在2022年10月30日在良好的天气条件下进行测量。当时天空多云，但没有降水，风速仅为1米/秒。VQ-880-G II在离地530米的飞行高度进行，飞行速度为100节。
成果的点云最低密度为6.42点/平方米。使用SBES的测量是在使用校准杆进行校准后完成的。经过声速剖面测量（SVP），水中的平均声速确认为1,465米/秒。数据处理后，生成了包括GNSS RTK接收仪和SBES所测量剖面的照片草图、RGB CIR正射影像，以及涵盖沿海地区和水下部分的地理参考点云。 图 3：包含GNSS RTK-SBES高程剖面的空载测深光达点云。（图片来源：GISPRO SA）
 
评估空载测深光达的准确性
此次测试的一部分是对使用不同技术进行的测量准确性进行验证。为此，在对来自测深扫描仪的点云进行分类后，制作了数值地形模型（digital terrain model）和数值海底模型（digital bottom model）。接着将在陆地上使用GNSS接收仪测量的点以及使用GNSS和单波束测深仪测量的点迭合到这些模型表面上。透过这种方式，使用不同测量技术获得了相同点的高程坐标。因此，可以比较这些测量技术所获得的数值（见表1）。

1. 比较单波束测深仪和测深雷射扫描的数值：
取样数	1,811
平均∆H	0.059[m]
标准偏差∆H	0.048[m]
2. 比较陆地上GNSS RTK和测深雷射扫描的数值：
取样数	127
平均∆H	0.072[m]
标准偏差∆H	0.063[m]
3. 比较水中GNSS RTK和测深雷射扫描的数值：
取样数	128
平均∆H	0.064[m]
标准偏差∆H	0.022[m]

表 1：使用不同测量技术获得的数值比较

小结
在浅水区进行测深测量特别具有挑战性，因为使用传统测量技术会遇到许多问题。浅水区深度基本上无法使用多波束测深仪。因为测深仪的扫描带会很窄，并且测深仪本身可能因进入浅水区或碰到海底物体而受损。
因此，唯一的替代方法是使用单波束测深仪和GNSS RTK接收仪进行剖面测量。不幸的是，这种方法的效率非常低，且其成果仅限于剖面内的深度信息。在测试区域中，完成陆地和水域剖面测量所需的时间为40个工时。相比之下，使用空载测深光达VQ-880-G II的飞行时间仅约为1个工时。
空载测深光达技术的一个主要缺点是其使用限制：必须具备合适的大气和环境条件。云层覆盖、波浪作用、风向和风速、水体清澈度都是关键因素。扫描过程必须在海底上方有机和无机物污染最少的时刻进行。
尽管如此，测深雷射扫描展示了在相对较短的时间内获得浅水区域最完整影像的能力。这使得建立一个包含完整信息的可靠海底模型成为可能。其成果不仅可以更容易地识别水中的物体，还可以追踪由海洋活动引起的变化。
先导计划获得的正向成果无疑推进了对使用空载光达测深技术监测整个波罗的海海岸的招标计划。因此，GISPRO SA已经有机会为斯塞新海事办公室（2023年）和格丁尼亚海事办公室（2024年）测绘整个海岸线。在工作进行中，除了令人满意的沿海几何和海底测绘外，甚至还能够扫描到一些沉船。其中一个例子是位于沃林岛（Ｗolin Island）海岸附近的混凝土船Karl Finsterwalder的沉船。 图 4：在空载测深光达资料中获取到的混凝土船Karl Finsterwalder的沉船。（图片来源：GISPRO SA）
图 1的来源是名为《Przegląd współczesnych metod satelitarnych i lotniczych wykorzystywanych w mapowaniu dna morskiego》（回顾现代卫星和航空方法用于海底测绘）的文章，该文章原文为波兰语。

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平均年度沙奇深度（Average annual Secchi depths）
出处：https://www.gim-international.com/content/article/monitoring-the-baltic-shoreline-using-airborne-lidar-bathymetry?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=Newsletter+%7C+GIM+%7C+22-08-2024&sid=156021