论文专区▏海洋测绘海岸地形测量技术发展思考
一、引言
海岸地形测量是海洋测绘使命任务的重要组成部分，目的是获取海岸线上下地形要素和重要方位物信息，保障海图编绘需求[1-2]。特殊的地理区域和应用需求，决定了其测量模式、标准和技术与地形图不同，成为国内外应用技术研究的热点。随着我国海洋发展战略实施，国内基础测绘主管部门，加强了涉海测量拓展力度，多所大学新开设了海洋测绘专业，相关院所持续开展海岸地形测量技术研究。韩凌云（2002海洋测绘）提出了海岸带地形测绘改进技术；翟国君、黄漠涛（2003海洋测绘论文集）总结了海洋测绘的现状与发展；滕惠忠、王瑞（2005海洋测绘论文集）分析了海岸地形测量的现状与发展；申家双（2006测绘科学学报）研究了海岸带海陆地图差异；申家双、翟京生（2007测绘通报）开展了海岸带地形图测量方法研究；滕惠忠、李秉秋（2003海洋测绘论文集）分析了卫星遥感技术应用；史照良（2007测绘通报）开展了LiDAR技术海岛礁、滩涂测绘研究；赖祖龙、张汉德、万幼川（2008海洋测绘）总结了激光雷达在滩涂海岸地形测量中的应用；滕惠忠、辛宪会、于波（2014海洋测绘）提出了海岸地形无人机测绘方案。随着新技术发展，海岸地形测绘正孕育着由量变向质变的跨越式转化，因此，重新梳理海洋测绘需求和新技术能力，对推进海岸地形测量技术进步具有重要的现实意义[3-10]。
二、海岸地形测量技术现状
⒈ 海岸地形测量技术要求和主要方法
1998年颁布的《海道测量规范》(GB 12327-1998)明确规定：实测海岸地形时，海岸线以上向陆地测进——大于1:10 000比例尺为图上1cm；小于1:10 000比例尺为图上0.5cm。海岸线以上部分按国家相应比例尺地形图航空摄影测量规范执行，当有同比例尺或大比例尺最新地形资料时，可以进行修测；海岸线以下测至半潮线，与水深测量相拼接；码头地区应测完整；海岸线应进行实测；地物测量点位中误差小于图上0.4mm，高程中误差小于0.2m[12]。
根据规范要求，当前海岸地形测量主要采用数字全站仪、GPS RTK等人工实地测量模式；测量范围最大为：海岸线向陆地测进250m，向海部测至半潮线；主要要素为海岸线、航行方位物、干出滩等。至于海图上海岸线以上地形信息主要依靠收集地形图资料转绘。
⒉ 海岸地形测量技术特点和主要问题
依据当前海岸地形测量的技术要求和作业模式，可以得出以下特点和问题。
⑴只适用于境内海岸带和测量人员可到达区域的测绘，对于境外乃至全球或测量人员无法到达的区域无法施测。
⑵海岸地形测量以海岸线以下(海部)为主，测量范围未能覆盖沿岸海图的陆部图幅，缺少同步的陆部地形数据，不便于海图编绘，可能造成同一幅海图陆部和海部资料来源不同、规格不一、现势性差异。
⑶干出滩测量以半潮线为界，分别采用人工实地测量和船载声纳水深测量，然后将两种测量成果拼接。特殊的地理环境造成两种作业方式均受到严重制约，无法发挥各自技术优势，使滩涂测量成为海洋测绘作业难度最大、技术能力最薄弱的环节，形成技术瓶颈。
⑷人工实地测量作业方式劳动强度大、作业效率较低、条件艰苦、环境危险。其优点是测量精度高，技术方法简单，便于实施。
⑸1998年颁布的《海道测量规范》立足于当时的需求、技术、装备、队伍等综合能力，缩小了海岸地形测量范围、精简了测量内容、限定了作业方法和模式。20年后的今天，规范中规定的许多作业方法和设备已经过时，而更多的新技术、新方法、新设备未列其中，如无验潮水深测量、沿岸事后RTK测量(PPK)、机载LiDAR测量以及迅速发展的航空摄影测量等技术，影响了海洋测绘技术水平的提高。
⑹目前，海岸地形测量成果主要用于国内海图编绘，保障舰船航行安全，而对海岸带开发建设、部队作战保障总有一段差距，制约了测量成果的效能发挥。另外，成果种类单一，没有生产DEM、DOM、DLG等标准测绘产品的能力，在数字地球、数字海洋、数字海岸带如火如荼发展的今天，略显不足。
⑺由于海岸地形测量和海图编绘是两个相互独立的技术平台，没有形成一体化的业务体系，造成内业、外业成果转化难题，部分数字成果需要重复数字化，降低了作业效率。
⑻新技术引进和体系建设严重滞后。2009年曾启动海洋测绘航空摄影测量业务体系建设，建立了专业队伍，承担和完成了专项任务，受到各级机关的肯定和好评。但是后续未能持续完善体系建设，一直处于停滞状态。分析原因，主要是编制体制未落实，专业装备匮乏，没有纳入海洋测绘常规业务体系，没有持续落实任务，技术基础薄弱等。
⒊ 海岸地形测量技术需求
根据特点分析，结合新技术的发展，对海岸地形测量技术的创新发展提出了明确要求。
⑴特殊区域、境外乃至全球海岸地形测绘需求
以往，海岸地形测量重国内、轻国外。随着改革开放、经济全球化发展，海上贸易活动剧增，军事活动走向深蓝，舰船全球航行保障等国内需求拓展，建立全球海岸地形测绘能力势在必行，也是未来发展的必然要求。航天、航空测绘技术的快速发展，为拓展海岸地形测绘能力，保障全球海岸带测绘需求奠定了技术基础。
⑵提高作业效率、快速更新海图的技术需求
尽管卫星定位(GNSS)、声纳测量设备、数字全站仪及数据处理技术的快速发展和应用，提高了海洋测绘技术水平，但是海洋测绘依然是最艰苦的行业之一。特别是海岸地形测量，人工实地测量的作业模式没有改变，迫切需要融合各种先进技术，扬长避短，能力互补，解决现实作业中的难题，减轻劳动强度，提高作业效率，保证海图现势性。
⑶担负多样化专项任务的需求
越来越多的专项任务是针对全球信息获取需求的，没有航天、航空测绘技术能力，将无法参与其中。作为海洋测绘的使命单位，必须建立自主的、全面的测绘保障能力，健全和完善新技术应用的业务体系，引领新技术发展方向，成为多样化专项任务的主力军。
三、新技术能力与特点
⒈ 新技术特点
近20年，以摄影测量为代表的地形图测绘技术发生了翻天覆地的变化，其主要特点有：
⑴全面进入了数字时代。无论是信息获取、数据处理，还是成果应用，均以数字形式体现，形成了地理信息大数据，奠定了大数据时代的基础。
⑵精细化测绘。由原来的1:50 000为主，发展到1:10 000、1:5 000为主，很快实现1:2 000或更大比例尺为主，依托三维建模技术实现数字城市、数字小区、数字大厦建设，将地理信息融入个人生活。
⑶多种测绘手段结合。卫星、航空、地面多维空间测绘结合，宏观测绘与微观测绘相结合，有人机、无人机、机动车、单兵多种测量平台结合，正摄、倾斜、多视、视频多种测量模式相结合，光学、LiDAR、SAR等多型数据相结合，充分发挥各种技术优势，形成优势互补。
⑷数据获取便捷化。遥感影像数据更加丰富，种类更多、精度更高、质量更好；航摄作业更加便捷，手段更多、效率更高、门槛更低。数据源保障已不是主要问题。
⑸测用并举，强化应用。由单一的测绘服务，转向地理国情、数字城市、智能决策等建设和服务，不断开拓和深化应用领域，提升测绘的基础地位和作用。
⒉ 新技术能力分析
结合海岸地形测绘的技术需求，重点研究卫星遥感、航空摄影测量、机载LiDAR测量、无人机测绘、地面三维激光测量、基于GPS的RTK和PPK测量等技术的特点和能力。
⑴卫星摄影测量技术
国外极其重视测绘卫星的发展，从20世纪70年代开始，在全球范围内大力推广测绘卫星的应用，其发展经历了3个典型阶段：定性测绘-美国LandSat TM系列卫星；定量测绘-法国Spot系列卫星；高精度测图-美国Ikonos、GeoEye、WorldView等系列卫星。目前，商业测图卫星影像分辨率已达0.5m，满足1:10 000比例尺测图和1:5 000比例尺修测的指标要求。
我国“天绘”、“资三”系列测绘卫星立体影像分辨率为5m，单片影像2m，可以测绘1:50 000比例尺地形图，修测1:25 000地形图。“高分”系列卫星影像分辩率已达0.8m，可以修测1:10 000比例尺地形图。
卫星摄影测量技术在全世界得到了普遍应用，美国和法国已完成全球80%以上陆地地形测绘。其最大特点是可以填补测图空白区域，实现全球测绘，军事应用地位和作用突出。特别是西方军事大国，将其纳入战争准备、信息保障、情报获取等必备的主要技术手段。目前卫星摄影测量的主要问题是测图比例尺偏小，特别是高程测量精度偏低，最高只能达到米级，与海洋测绘要求的0.2m有差距。
⑵航空摄影测量技术
随着数字航摄仪、POS定位定姿系统以及数据处理技术的发展，航空摄影测量进入了数字化、通用化、精细化发展阶段[3]。过去，国内只有两三家具备航空摄影作业能力的单位，短短20年的发展，已有近百家航空摄影专业单位和公司，而且业务化、模块化、商业化程度高，形成了人人参与的局面。目前航空摄影测量实现了1:500～1:50 000比例尺系列测图能力，适用于海岸带、海岛礁地形图测绘。存在的问题是专业测量设备比较昂贵，主要靠国外引进，国内相关设备发展很快，已有系列产品，逐步缩小了差距；对滩涂、沙漠、林区等特殊区域测绘能力较弱，高程测量精度偏低，无法直接满足《海道测量规范》要求。
⑶机载LiDAR测量技术
机载LiDAR测量技术完全不同于摄影测量对地定位理论，是真正意义上的目标定位测量。通过GPS定位、INS测姿和SRL测距，直接获取目标三维信息，其高程测量精度可达0.15m[15]，满足《海道测量规范》要求。除了定位精度高，点云数据密度高，数据处理自动化程度高，适合生产大比例尺DEM和精细地貌产品以外，机载LiDAR测量无需地面控制点，受天气、太阳高度角和阴影的影响小，大大减小了外业测量强度。特别是对滩涂、沙漠、矿区等地面景物纹理贫乏区域，以及地面工作极度困难的无人区、地面控制点严重缺乏区、远离大陆的岛礁等，机载LiDAR具有特殊地位和作用。机载LiDAR测量技术正向小型化、与影像自动匹配、地物目标智能分类等前沿方向发展。
⑷无人机测绘技术
无人机测绘系统主要由无人机平台、数码相机、GPS飞控系统和数据存储设备组成，对设备指标要求较低，技术门槛较低，但其机动灵活、操作简便，作业成本较低，可以测绘1:2 000～1:10 000比例尺地形图，特别适合于小范围、困难区域、应急保障测绘任务。其装备简单、自主化程度高，应用普遍。但其数据后处理任务重，测图效率低，高程测量精度不稳定[5]。
⑸地面三维激光测量技术
地面三维激光测量技术包括汽车、自行车、人以及气垫船、沙滩摩托等多种载体和作业方式，作业效率取决于测量平台的机动性能，测量范围为30～1 000m带宽，测量精度：平面10cm、高程20cm，满足规范要求，可以担负海岸线、航行方位物、滩涂等地物目标测绘。作业方式灵活，适合于各种特殊环境和场所，广泛用于数字城市、数字街区、三维建模领域。这一技术应用于海岸地形测量具有广阔的前景。
⑹GPS RTK和GPS PPK技术
依托GPS的RTK和PPK技术已经融入海洋测绘业务体系，成为海岸地形测量的常规技术，其测量精度高，操作简单、便捷实用，满足《海道测量规范》要求。主要问题是作业效率偏低、劳动强度大、特殊区域无法作业。
综上所述，卫星、航空、地面等多种测量技术各有特点和不足，核心问题是高程测量精度难以保证，需要相互融合、支撑，如航空摄影测量包含的像控测量和外业调绘技术环节，就采用了常规测量技术或GPS RTK技术，获取必要的测图信息。
四、海岸地形测量初步设计
⒈ 海岸地形测量技术发展思考
⑴瞄准海军作战需求，解放思想，创新技术，丰富产品，建立新型的测绘保障体系和能力。不能局限于境内测量、单一海图产品和一成不变的业务体系。
⑵国内精细测量，境外遥感测量，重点区域快速测图。国内测量严格执行《海道测量规范》标准；国外遥感测量应考虑当前技术能力，适当放宽标准，首先解决地理信息有和无的问题。卫星遥感是境外测图最有效的技术手段，而且未来需求明确，发展趋势必然，所以必须培养自主的生产队伍。卫星摄影测量技术能力的培植是一个规范、复杂、长期的过程，不可能一蹴而就，需要尽早启动，坚持不懈。针对重点区域，应持续关注、积累资料，保证快速、应急测绘需求。
⑶拓展海岸地形测量范围，保证海图全覆盖、全要素测绘，提高海图现势性。采用常规测量方式无法实现海图全覆盖、全要素测绘要求，但是采用航空摄影测量技术可以轻而易举解决。
⑷国内海岸地形测量以修测为主，补测为辅。目前，全国沿海省市均实行了常态化的大比例尺地形图更新机制。依托最新的航测数据，以地形图和海图修测技术为主要手段，结合以常规测量技术为基础的外业调绘，可以经济、高效地更新海图中海岸地形数据。
⑸多技术结合应用。海岸地形测量是一个复杂的工程，过去由于技术能力限制，缩减了测量工作量，限定了测量模式。随着新技术的发展，应用能力的提高，多技术结合，取长补短，优势互补，开拓海岸地形测量新模式的条件日趋成熟。对新技术应该大力引进、参与其中、顺势发展。
⑹制作海岸带专题图产品。关于海岸带地形图及其标准，即海图和地形图的拼接、转换、融合、统一等工作，国内开展了十几年的研究，目前依然没有明确的结果。从技术上讲，近些年陆地地形测量技术飞速发展，使地形测量更加便捷化；而海部测量技术变化不大，依然是体量大、专业性强、介入门槛高，所以由海洋测绘拓展，构建海岸带地形图业务体系更现实。从需求上讲，由海上向陆地推进的需求更迫切，指标要求更高，所以依托海图制定海岸带地形图标准更科学。应该打破地形图的垄断地位，突破守成的思想观念，积极拓展海洋测绘主导空间。
⑺技术创新是一个复杂、持续的过程，需要决心和耐心。采用新技术开展海岸地形测量，必然会带来一系列新问题，如内业测图流程、影像判绘经验、外业调绘要求、数据转换标准、融合与拼接方法、成果精度和形式等一系列技术问题，这些问题是新技术融入海洋测绘业务体系的基础和必然，短时间内会给常规业务工作带来一定压力，需要在实践中持续解决。
⒉ 海岸地形测量技术设计
⑴境外及特殊区域海岸地形测量以卫星摄影测量技术为主
依据境外测绘需求和卫星遥感技术能力制定相应的作业标准，构建卫星数据获取渠道，建设专业的作业队伍。
⑵境内滩涂测量以机载LiDAR测量技术为主，以常规测量技术为辅
以半潮线为界，分别采用机载LiDAR测量技术和船载声纳测量技术，实施滩涂DEM测量和沿岸水深测量，然后将两种测量成果拼接。根据作业规范，机载LiDAR高程测量精度为0.15m，满足海道测量规范要求。同时采用常规测量技术进行外业调绘，获取滩涂精细分类等信息。
针对水质清澈的近岸海域，采用机载双频LiDAR测量（测深、测地形）技术，解决大陆沿岸和海岛礁周边海域水深浅、水上水下地形复杂、大型测量船难以到达的实际困难，实现海岸地形与水深测量的无缝拼接，具有效率高、全覆盖、水陆一体化测绘等特点。
⑶境内海岸线测量采用地形图修测和地面激光扫描测量技术
地方测绘部门每年组织大比例尺地形图复测和修测，奠定了海岸线修测的基础。基于正射影像图，对海岸线要素进行影像判绘和修测，采用地面激光扫描测量获取精确的高程数据，特殊区域辅以外业调绘，最后编绘海岸线测量成果。
⑷大范围海岸地形测量采用摄影测量、机载LiDAR、地形图修测等多种技术
针对无图区域可以采用通用航空摄影测量或无人机测绘技术，针对已有大比例尺地形图和最新的航摄数据的区域，采用地形图修测技术，结合外业调绘，获取海岸地形要素信息；同时利用机载LiDAR数据，检核和修测海岸地形高程信息，辅助完成海岸地形测量任务。另外，应用常规海岸地形测量技术和地面激光扫描测量技术，现场实时补充采集地形数据，检核典型海岸地形测量成果。
⑸局部和应急海岸地形测量以无人机测绘技术为主
发挥无人机测绘系统机动、灵活、便捷的特点，快速获取特定区域的地形信息及其变化信息，支持海图修测、专题图制作。
⑹海洋测绘外业调绘技术拓展
外业调绘是遥感测量的一个重要技术环节，目的是检核内业测图成果，调绘地形要素属性，补测变化地物目标等。海道测量规范对重点区域、特定要素、部分指标等有更高的测量要求，这些内容主要通过外业调绘方法解决，因此，海洋测绘对外业调绘赋予了新的内容和要求，其工作量和作业方式都需要重新设计。主要技术考虑：基于内业测图成果，采用常规海岸地形测量方式，开展现场比对、核实，对重点目标和要素进行实地测量，以此保证测量成果质量满足规范要求。
五、结束语
从国内外地形图测绘模式的转变和927国家海岛礁测绘专项成果[11]，可以看出应用遥感技术测绘海岸地形成熟、可靠、高效，代表了技术发展方向。通过分析、思考可以得出如下结论。
⑴海洋测绘加强卫星摄影测量技术体系建设是使命任务的必然要求。
⑵目前摄影测量技术存在的主要问题是高程测量精度偏低，海岸线、滩涂精细分类困难等问题，采用其他相关技术可以解决。
⑶单纯的遥感与摄影测量技术难以满足规范要求，需要多种技术结合，引入新技术不是替代常规作业方法，而是互补和加强。
⑷海岸地形测量新技术应用滞后，主要原因是对新技术认识不足和守成思想重。
⑸海岸地形测量引入卫星、航空和激光扫描测量技术可以获取更大范围的测量数据，大大减轻劳动强度，提高作业效率，丰富产品形式，代表了技术发展方向。
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【作者简介】第一作者滕惠忠，1963出生，男，吉林长春人，高级工程师，硕士，主要从事海洋测绘遥感技术应用与研究；本文来自《海洋测绘》（2017年第6期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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