CN111473818A - 一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，包括如下步骤：构建观测体系，包括岸基固定式数字影像监测系统、沙滩断面测量系统和无人机测绘系统；多源监测数据获取；利用沙滩断面测量系统获取人工沙滩的陆地地形数据和水下地形数据；利用无人机测绘系统获取人工沙滩的陆域环境状况数据；对获取的数据进行处理；对处理好的数据进行多源数据的集成应用、互补和校验。本发明实现即时、准确、全面的人工沙滩水动力、地形、工程及人类活动和环境状况数据的分析处理，用于捕捉和解释人工沙滩精细、全面的变化过程，有助于克服传统沙滩观测中单一测量手段在观测对象或时空分辨率上的局限，提升沙滩管理水平和数值预报能力。

Description

一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法

技术领域

本发明沙滩观测技术领域，具体涉及一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法。

背景技术

人工沙滩作为重要的海岸防护工程在世界范围内广泛应用于抵御风暴侵蚀、提升区域安全性，同时用于拓展沙滩面积，促进滨海旅游业发展，是一种有效性持久、环境友好的应对全球海平面上升和严重海岸侵蚀的工程措施。人工沙滩的演变趋势及稳定性研究的基础工作是持续、全面地获取发生在不同时空尺度上的动力地形环境数据，这些基础数据因其不同的时空尺度、发生频率和变异性，需要通过各类不同的观测手段进行监测量化。主要的沙滩观测手段包括RTK-GPS、全站仪、测深仪、固定式视频监测系统、无人机测绘、卫星图像遥感，对沙滩岸线、地形、水深等物理过程进行观测。

虽然传统的观测手段从不同角度提供了沙滩动力地貌信息的量化方式，然而现有方法存在观测对象、技术条件、环境条件或数据点时空分辨率上的局限，多源观测数据之间缺乏有效整合。

发明内容

发明目的：为了克服传统沙滩观测中单一测量手段在观测对象或时空分辨率上的局限，解决多源观测数据之间缺乏有效整合的问题，提供一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，实现即时、准确、全面的人工沙滩水动力、地形、工程及人类活动和环境状况数据的获取、处理和分析，用于捕捉和解释人工沙滩精细、全面的变化过程。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：构建观测体系

包括岸基固定式数字影像监测系统、沙滩断面测量系统和无人机测绘系统；

S2：多源监测数据获取

利用岸基固定式数字影像监测系统获取观测数据，包括人工沙滩的水动力、地形和人类活动信息；所述水动力信息包含海堤越浪、波浪破碎区、近岸浒苔、沿岸流、波浪爬高、波浪传播；所述地形信息包含实时的岸线位置、潮间带地形；所述人类活动信息包含人工沙滩全部工程区域的施工、车辆、作业船舶、游船的监控；

利用沙滩断面测量系统获取人工沙滩的陆地地形数据和水下地形数据；

利用无人机测绘系统获取人工沙滩的陆域环境状况数据；

S3：数据处理

分别对步骤S2中获取的数据进行处理；

S4：对步骤S3中处理好的数据进行多源数据的集成应用、互补和校验。

所述人工沙滩的岸线位置数据，基于岸基固定式数字影像监测系统计算合并的正射影像并进行特征提取、沿岸方向数据点加密、时间尺度补充及时间分辨率提升；基于沙滩断面测量方法的结果用于固定断面处的数据获取并用于数据校验；

所述人工沙滩的潮间带地形及坡度数据，基于岸基固定式数字影像监测系统的岸线位置数据进行反演、沿岸方向上的加密和时间尺度的补充；基于沙滩断面测量方法的结果用于数据获取、垂直岸线方向数据点加密、高程及坡度的验证；基于无人机测绘技术的结果用于数据获取、沿岸和垂直岸线方向数据点加密；

所述人工沙滩水动力数据，依观测对象设置相应的像素传感器阵列并进行采样点分配，进行数据采样和处理；

所述人工沙滩的工程及人类活动数据，基于所述岸基固定式数字影像监测系统进行数据获取和分析；

所述人工沙滩的陆地地形数据，基于沙滩断面测量方法的结果用于固定断面位置、固定测量周期的陆地地形的数据获取和数据校验；基于无人机测绘系统的结果用于完整沙滩陆域的陆地地形的数据获取和时间尺度上的加密；

所述人工沙滩的水下地形数据，基于沙滩断面测量方法进行固定断面位置的数据获取和分析；

所述人工沙滩的陆域环境状况数据，用于数据获取和分析；基于岸基固定式数字影像监测系统的结果用于数据在时间尺度上的补充和时间分辨率提升。

进一步地，多源监测数据的获取和处理方法如下：

优选地，所述岸基固定式数字影像监测技术应用的时间范围包含人工沙滩工程建设的全部阶段，包括建设前、施工中和竣工后；空间范围包含人工沙滩全部工程岸段，包括陆地和近岸海域；

优选地，所述岸基固定式数字影像监测系统通过岸边安装固定的监控摄像机和数字图像处理技术实现；所述监控摄像机的安装位置和高度使得相机的视野充分覆盖整个工程岸段；所述数字图像处理技术包括相机的镜头参数、畸变系数、位置和姿态参数的确定，像素传感器的设置，采样频率的设置，图像的投影变换，正射影像叠加，以及图像信号处理技术；

优选地，所述岸线位置、波浪破碎区和近岸浒苔的观测，时间分辨率为每小时，对当前小时的全部图像作时间平均以滤除高频信息，将所得时均图像依当前小时的潮位高程进行投影变换得到区域正射影像，再对区域正射影像以人为指定的空间分辨率进行特征提取，即得当前小时对应岸线的平面形态；

优选地，对多台相机获取的不同角度的图像分别作时间平均，再对所得时均图像同时作投影变换，将所得的不同区域的正射影像叠加，对于相邻相机图像的视野重叠区域执行加权叠加，权重系数依像点坐标与各自图像边缘的距离而定，以此获得合并的正射影像；再对合并的正射影像执行相同的特征提取程序，即得完整的岸线形态；

优选地，所述潮间带剖面地形的观测，时间分辨率为每天，由于每条岸线对应当前小时的潮位高程，一天之内经历一个完整的潮周期，将不同时刻的岸线合并，即得当日的潮间带地形；

优选地，所述水动力信息的观测，是在实时图像时间序列中设置相应的像素传感器，进行所需时间范围和频率的像素采样，像素传感器的位置和排列方式因所观测对象不同而异，海堤越浪传感器为沿海堤堤顶的直线阵列，沿岸流传感器为与岸线平行的直线阵列，波浪爬高传感器为与岸线垂直的直线阵列，波浪传播传感器为平面均匀分布的矩阵阵列；最后通过对所得的各类时间序列的信号分析，得到相应的水动力参数；

优选地，所述像素传感器阵列的设置在应用于单相机系统观测的情形时，首先按上述原则设置物理坐标下的采样位置，再依据相机参数将物理坐标转换至相机系统的像素坐标；在应用于多相机组合系统观测的情形时，先进行每个相机系统坐标转换，再依据相机编号优先或镜头视野优先的原则，将像点分配给合适的相机；

优选地，所述工程区人类活动的观测，是基于所述实时图像进行跟踪监控，所述岸基固定式数字影像监测技术提供全部人工沙滩工程陆域及海面的视频监测，用于获取陆地车辆、人员和水上船舶作业、游船的动态信息；

优选地，所述沙滩断面测量方法通过设置固定监测断面、开展定期剖面地形测量来实现，频率为每月一次，台风天气前后各加测一次，用于获取沙滩陆侧边界至闭合水深范围内的完整断面地形，其中陆地地形通过RTK-GPS测量，水下地形通过船载测深仪测量；该数据一方面作为基准用于所述实时岸线位置、潮间带地形结果和所述无人机测绘所得干滩地形结果的校验，另一方面用于拓展垂直岸线方向的覆盖范围，覆盖陆地和水下地形，用于完整分析沙滩的泥沙输运过程；测量断面的空间位置以一定间距覆盖全部沙滩岸段；

优选地，所述无人机测绘系统通过对人工沙滩的完整陆域空间及临近区域进行定期观测来实现，依托现有的商用测绘无人机和后处理软件，快速获取大范围、高分辨率的沙滩陆地地区数字高程模型、植被分布情况和海岸建筑物状况，实施频率高于沙滩断面测量。

进一步地，多源观测数据的相互校验方法如下：

优选地，所述沙滩断面测量方法的断面地形测量结果，作为基准用于岸线位置测量结果的校验，校验方法为：对于单个潮位或单个小时，获取的沙滩岸线水平位置，与沙滩断面测量结果在同一日期的同一潮位高程下插值得到的岸线水平位置对比，并扩展到断面测量当日的所有潮位和整个岸线，对比方式为垂直岸线方向上两种观测结果的水平距离；

优选地，所述沙滩断面测量方法的断面地形测量结果，作为基准用于潮间带地形及坡度测量结果的校验，校验方法为：将获取的潮间带剖面的高程和坡度，与沙滩断面测量得到的相应剖面的高程和坡度对比，并扩展到所有断面和每次沙滩断面测量；

高程对比方式为：对于单次测量和单条剖面，依垂直岸线的水平距离将断面测量所得剖面高程与数字影像提取所得剖面高程对比，水平距离范围为沙滩的高潮位线至低潮位线；坡度对比方式为单次测量和单条剖面的数字影像获取的潮间带剖面的平均坡度值与断面测量所得平均坡度值对比；

总的来说，岸基固定式数字影像监测系统与沙滩断面测量的数据校验包括了岸线位置的校验及其偏差值的时间变化、沿岸变化、垂直岸线变化，断面地形的校验及其时间变化和沿岸变化，潮间带坡度的校验及其沿岸变化和时间变化；

优选地，基于沙滩断面测量方法的地形数据，作为基准用于无人机测绘的地形数据的校验，校验方法为：基于无人机测绘技术的人工沙滩完整陆域的数字高程模型，依断面测量平面布置提取相应位置的断面地形，与基于所述沙滩断面测量的相应断面地形进行对比，对比方式为依据垂直岸线的水平距离执行断面高程插值，将断面测量所得剖面高程与无人机测绘所得剖面高程对比，所述水平距离范围为沙滩的陆侧边界至低潮位线。

基于上述特征，不同观测对象的多源数据集成与互补方法为：

优选地，人工沙滩的岸线位置基于岸基固定式数字影像监测系统来进行数据点沿岸方向加密和时间上的补充；基于沙滩断面测量结果进行固定位置的数据获取和校验；岸基固定式数字影像监测系统获取的岸线位置是沿岸连续的，时间分辨率为每小时，时间范围包含人工沙滩工程建设前、施工中和竣工后；沙滩断面测量结果的时间节点为每月一次，岸线位置通过断面地形对应潮位高程插值得到，因而沿岸方向具有和剖面数量一致的岸线数据点，这些数据点用于特定日期、特定位置的岸线位置校验；

优选地，人工沙滩的潮间带地形及坡度基于岸基固定式数字影像监测系统进行数据获取、沿岸方向上的加密和时间上的补充；基于沙滩断面测量进行数据获取、垂直岸线方向加密、地形及坡度的验证；基于无人机测绘系统的结果用于数据获取、沿岸和垂直岸线方向数据点加密；岸基固定式数字影像监测系统获取的潮间带地形，时间分辨率为每天，沿岸空间分辨率等同于影像提取的岸线数据的分辨率，垂直岸线方向的测点对应于当日每个小时的潮位高程；所述断面测量获取的潮间带地形，沿岸方向的数据密度等同于断面布置，时间周期为每月；

优选地，人工沙滩水动力数据的观测时间范围包含工程前、施工中、竣工后；观测对象包括：海堤越浪、波浪破碎区、近岸浒苔、沿岸流、波浪爬高、波浪传播；所述海堤越浪、沿岸流、波浪爬高、波浪传播观测的时间分辨率为每秒，波浪破碎区、近岸浒苔观测的时间分辨率为每小时；

优选地，人工沙滩工程及人类活动数据的观测时间范围包含工程前、施工中、竣工后；观测对象包括：陆地人员活动、车辆、海面船舶作业、游船的动态信息；时间分辨为每秒～每小时；

优选地，人工沙滩的陆地地形的垂直岸线空间范围为陆侧边界至低潮线；基于沙滩断面测量获取固定断面位置、固定测量周期的陆地地形数据，基于无人机测绘技术的陆地地形覆盖全部沙滩在低潮位高程以上的区域，数据空间分辨率增加为～1cm/像素，测量频率增加为每月2～3次；基于沙滩断面测量方法的固定断面位置的陆地地形用于数据校验；

优选地，人工沙滩的水下地形数据，基于沙滩断面测量进行固定断面位置的数据获取，时间周期为每月一次，空间范围为岸线至闭合水深；

优选地，人工沙滩的陆域环境状况数据基于无人机测绘系统进行数据获取，时间周期为每月2～3次；基于岸基固定式数字影像监测结果用于辅助观测并进行时间上的补充加密。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、基于岸基固定式数字影像监测技术、沙滩断面测量和无人机测绘技术三类观测手段数据的获取与处理、集成应用和相互校验方法，实现即时、准确、全面的人工沙滩水动力、地形、工程及人类活动和环境状况数据的分析处理，用于捕捉和解释人工沙滩精细、全面的变化过程，有助于克服传统沙滩观测中单一测量手段在观测对象或时空分辨率上的局限，解决多源观测数据之间缺乏有效整合的问题，提供人工沙滩多源观测数据集成分析方法，帮助从新的层面揭示海滩演变规律、提升沙滩管理水平和数值预报能力。

2、通过人工沙滩多源监测数据集成分析方法在人工沙滩实际工程中的应用，可为人工沙滩多尺度动力地貌演变机制、新型数学模型、创新设计评估及数据信息技术等基础科学研究提供数据支撑，为海滩养护修复工程建设、管理决策和综合效益发挥提供科技支撑，多元观测手段的集成应用，有助于捕捉和解释更精细的演变过程、从新的层面揭示海岸演变机制，提升数学模型的模拟与预报能力，为工程建设与信息化管理提供新的技术支持。

附图说明

图1是本发明方法的技术架构图；

图2是本发明涉及的人工沙滩物理过程及多源数据空间分布俯视图；

图3是岸线观测与校验示意图；

图4是潮间带剖面地形观测及校验示意图；

图5是水动力信息观测示意图；

图6是波浪爬高时间序列采样结果示意图；

图7是沿岸流时间序列采样结果示意图；

图8是波浪传播时间序列采样结果示意图；

图9是海堤越浪时间序列采样结果示意图；

图10是无人机测绘结果断面地形校验方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本实施例以日照港北区港口岸线退岸还海修复整治工程为例，将本发明方法应用于该工程，该退岸还海修复整治工程以港口工业岸线功能调整为生态旅游岸线功能、缓解港城矛盾为目标，构建人工沙滩岸线1.8km。

本发明提供一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，包括如下步骤：

S1：构建观测体系

根据图可知该观测体系包括岸基固定式数字影像监测系统、沙滩断面测量系统和无人机测绘系统。

岸基固定式数字影像监测系统自养滩工程之前开始实施，并持续应用于人工沙滩工程的全部阶段；空间范围包含人工沙滩全部工程岸段，包括陆地和近岸海域；观测对象包含施工前的海堤越浪、工程动态；施工中期人工沙滩的岸线位置变化、工程动态；人工沙滩竣工后的岸线位置、潮间带地形、工程及人类活动、波流参数和近岸浒苔。

岸基固定式数字影像监测系统的实施首先需要设计视频监测站，确定相机固定位置、高程、镜头视野、相机数量，使得人工沙滩的完整岸段和近岸水域能够被监测系统拍摄到；其次确定相机的镜头参数；之后安装相机并固定角度，计算相机的位置姿态参数，完成相机建模，对于多台相机则分别执行此程序。本实施例中采用4台监控摄像机，固定于26m高的灯塔顶部，面向不同的角度进行摄像以覆盖完整的人工沙滩工程区域。监测系统的工作模式应当以足够的频率执行连续的图像采样，以充分覆盖发生在各个时段、不同频率的物理过程。本实施例中图像采样模式为每个白天小时时段的前10min持续进行图像采集，频率为每秒一张，即每台相机每个小时产生600张实时图像。

沙滩断面测量系统的观测对象为固定位置的沙滩断面地形；实施时间为人工沙滩竣工时开始，时间周期为每月一次，台风天气前后各加测一次。

断面布置方法：沿岸方向上，测量断面以一定间距覆盖全部人工沙滩岸段，并在演变剧烈的区域适度加密；垂直岸线方向上，测量断面自人工沙滩的陆侧边界开始，至超过闭合水深位置为止，数据点密度依现场或设备实际情况而定并尽可能加密，断面布置完成后，确定起止点坐标并在后续测量中保持不变。本实施例中，在人工沙滩岸段选取5条沙滩断面，自陆侧隔沙堤至-8m水深，沿岸间距为150m，此外增加7条陆地断面，自陆侧隔沙堤至岸线，沿岸间距100m。

断面测量方法：测量断面的陆地部分，即陆侧边界至岸线部分的地形采用RTK-GPS方法测量，测量时间选在低潮位时刻附近；水下部分采用船载测深仪搭配RTK-GPS辅助定位和人工验潮方法测量，测量时间选在高潮位时刻附近。

无人机测绘方法的观测对象为人工沙滩完整陆域的陆地地形、植被分布和建筑物状况，实施时间为人工沙滩竣工时开始，在与所述沙滩断面测量同步的同时，增加测量频率为每月2～3次。

无人机测绘依托现有的无人机航空摄影测量平台实现，通过基于RTK/PPK技术的商用测绘无人机规划的航迹、分辨率和重叠度参数，获取人工沙滩完整陆域的航空摄影图像及相应的地理参数，再通过商业后处理软件进行点云运算与处理，获取人工沙滩陆地的地形、地貌、植被和建筑物的综合状况，所得结果的空间分辨率为～1cm/像素。

本实施例中根据上述方法，构建得到如图1所示的架构体系。

S2：观测体系构建完成后，获取多源监测数据，具体如下：

1、岸基固定式数字影像监测系统获取的数据包含：每小时的岸线位置、近岸浒苔分布；每日的潮间带剖面地形；每秒的海堤越浪、沿岸流、波浪参数、工程动态。

岸线位置、波浪破碎区和近岸浒苔分布数据的获取方法为：首先对每台相机每个小时采集的实时图像分别作时间平均，以滤除高频的变化信息；然后设定正射影像的区域，包括沿岸范围、垂直岸线范围、空间分辨率和当前小时的潮位高程；再对正射影像区域内的所有空间点，依据四台相机各自的模型参数，依次转换到四个角度图像的像素坐标；接着根据像素坐标判断对应像点出现的相机，对于出现在单一相机视野中的像点，抓取该像点的颜色值，赋给该空间点，对于出现在两台及以上相机视野中的像点，分别抓取各个视野中像点的颜色值，并依据像点距各自图像边缘的距离进行加权平均，作为最终颜色值，赋给该空间点；获得相关区域的正射影像后，对正射影像进行相应观测对象的特征提取，即得最终结果。

潮间带剖面地形数据的获取方法为：按上述岸线位置的获取方法提取每小时潮位高程对应的岸线位置，依据一天时间内潮位高程的变化，分别获取每小时/潮位下的岸线位置并将结果合并，即得当日的潮间带剖面的地形。

海堤越浪、沿岸流、波浪爬高和波浪传播的获取方法：依据观测对象，设置相应位置和排列方式的像素传感器阵列，海堤越浪传感器为沿海堤堤顶位置的直线阵列，沿岸流传感器为与岸线平行的一条或多条直线阵列，波浪爬高传感器为与岸线垂直的一条或多条直线阵列，波浪传播传感器为近岸水域一定范围内均匀分布的矩阵阵列，传感器间距依观测对象物理尺度及其变异性适当选取；像素传感器阵列的设置在应用于多相机组合系统观测的情形时，依据上述原则设置物理坐标下的采样位置，基于相机系统参数将物理坐标转换至系统的像素坐标，再依据相机编号优先或镜头视野优先的原则，将像点分配给合适的相机；以每秒的频率对相应相机或相机组合的实时图像时间序列执行相应阵列的像素时间序列采样。

工程动态包括人工沙滩区域的工程及人类活动数据，具体包括陆地人员活动、车辆，海面船舶作业、游船的动态，通过实时图像时间序列监控捕捉，用于人工沙滩安全监控、管理以及沙滩变化跟踪。

2、沙滩断面测量系统的观测对象为定期的、固定断面的陆地地形和水下地形。本实施例中，断面地形原始数据为北京1954坐标系结果，陆侧起点为隔沙堤的边界，对每条断面，以断面陆侧起点坐标为原点计算断面其他测点至原点的水平距离，以该距离为横坐标、测点高程为纵坐标，构成断面地形结果；对于水下地形，原始数据为平面坐标和水深，根据当时潮位换算至高程，再执行断面地形转换。

3、基于无人机测绘方法的原始数据为附带GPS坐标信息的航空摄影图像，通过Pix4D测绘软件进行数据后处理，得到人工沙滩完整陆域的三维点云，包括沙滩陆地部分的数字高程模型(DEM)、植被分布和建筑物状况。

S3：对获取的多源监测数据进行处理，具体如下：

将岸线位置、波浪破碎区和近岸浒苔分布的时间分辨率设定为每小时；根据岸基固定式数字影像监测系统的工作模式和观测对象的特征，岸线数据的时间范围覆盖人工沙滩工程的施工期和竣工后，近岸浒苔数据时间范围覆盖人工沙滩各个阶段。

将潮间带地形数据的时间分辨率设定为每日，沿岸空间分辨率与岸线提取的空间分辨率一致，垂直岸线数据点对应于当日每小时的潮位高程；根据岸基固定式数字影像监测系统的工作模式和观测对象的特征，数据的时间范围为人工沙滩竣工后。

将海堤越浪、沿岸流、波浪爬高、波浪传播、工程及人类活动数据的时间分辨率设定为每秒，根据数字影像监测系统的特点和观测对象的特征，数据时间范围包含人工沙滩工程前、施工过程和竣工后。

将断面地形数据时间范围设定为人工沙滩竣工后，周期为每月一次，一方面是基于岸基固定式数字影像监测系统的地形数据和基于无人机测绘的地形数据在水下地形部分的延伸，进一步用于研究泥沙输运过程，计算泥沙量，另一方面是其他两类观测手段的地形数据校验的基准。

将无人机测绘方法的沙滩陆地地形、植被分布和建筑物状况数据的时间范围设定为人工沙滩竣工后，周期为每月2～3次，并与断面测量数据保留同步日期的数据以用于数据校验；数据空间范围包括完整的沙滩陆域及其邻近区域，沙滩陆域是指低潮位高程以上的陆地区域。

S4：进行多源数据的集成应用、互补和校验

人工沙滩的岸线位置数据基于岸基固定式数字影像监测系统进行数据获取、数据点沿岸方向加密和时间上的补充；通过沙滩断面测量结果进行固定位置的数据获取和校验；岸线位置是沿岸连续的，时间分辨率为每小时，时间范围包含人工沙滩工程建设前、施工中和竣工后；沙滩断面测量结果的时间节点为每月一次，岸线位置通过断面地形对应潮位高程插值得到，因而沿岸方向具有和剖面数量一致的岸线数据点，这些数据点用于特定日期、特定位置的岸线位置校验。

断面地形数据作为基准用于岸线位置数据的校验，校验方法为：对于单个潮位或单个小时，基于沙滩岸线水平位置，与沙滩断面测量结果在同一日期的同一潮位高程下插值得到的岸线水平位置对比，并扩展到断面测量当日的所有潮位和整个岸线，对比方式为垂直岸线方向上两种观测结果的水平距离；图3给出了岸线位置获取与校验示意图。

人工沙滩的潮间带地形及坡度基于岸基固定式数字影像监测系统进行数据获取、沿岸方向上的加密和时间上的补充；基于沙滩断面测量进行数据获取、垂直岸线方向加密、地形及坡度的校验；基于无人机测绘的结果用于数据获取、沿岸和垂直岸线方向数据点加密；基于潮间带地形，时间分辨率为每天，沿岸空间分辨率等同于影像提取的岸线数据的分辨率，垂直岸线方向的测点对应于当日每个小时的潮位高程；断面测量获取的潮间带地形，沿岸方向的数据密度等同于断面布置，时间周期为每月。

潮间带数据作为基准用于潮间带地形及坡度测量结果的校验，校验方法为：将潮间带剖面的高程和坡度与沙滩断面测量得到的相应剖面的高程和坡度对比，并扩展到所有断面和每次沙滩断面测量；高程对比方式为：对于单次测量和单条剖面，依垂直岸线的水平距离将断面测量所得剖面高程与数字影像提取所得剖面高程对比，水平距离范围为沙滩的高潮位线至低潮位线；坡度对比方式为单次测量和单条剖面的数字影像获取的潮间带剖面的平均坡度值与断面测量所得平均坡度值对比；图4给出了潮间带剖面地形数据观测及校验示意图。

总的来说，岸基固定式数字影像监测与沙滩断面测量的数据校验包括了岸线位置的校验及其偏差值的时间变化、沿岸变化、垂直岸线变化，断面地形的校验及其时间变化和沿岸变化，潮间带坡度的校验及其沿岸变化和时间变化。

人工沙滩水动力数据的观测时间范围包含工程前、施工中、竣工后；观测对象包括：海堤越浪、波浪破碎区、近岸浒苔、沿岸流、波浪爬高、波浪传播；海堤越浪、沿岸流、波浪参数观测的时间分辨率为每秒，所述波浪破碎区、近岸浒苔观测的时间分辨率为每小时。

人工沙滩工程及人类活动数据的观测时间范围包含工程前、施工中、竣工后；观测对象包括：陆地人员活动、车辆，海面船舶作业、游船的动态信息；时间分辨率为每秒～每小时。

人工沙滩的陆地地形的垂直岸线方向空间范围为陆侧边界至低潮线；固定断面位置、固定测量周期的陆地地形数据，陆地地形覆盖全部沙滩在低潮位高程以上的区域，数据空间分辨率增加为～1cm/像素，测量频率增加为每月2～3次；固定断面位置的陆地地形用于数据校验；图10是无人机测绘技术观测结果与断面测量地形校验示意图。

基于沙滩断面测量的地形数据，作为基准用于无人机测绘的地形数据的校验，校验方法为：基于人工沙滩完整陆域的数字高程模型，依断面测量平面布置提取相应位置的断面地形，与沙滩断面测量的相应断面地形进行对比，对比方式为依据垂直岸线的水平距离执行断面高程插值，将断面测量所得剖面高程与无人机测绘所得剖面高程对比，水平距离范围为沙滩的陆侧边界至低潮位线。

人工沙滩的水下地形数据，时间周期为每月一次，空间范围为岸线至闭合水深。

人工沙滩的陆域建筑物状况、植被分布数据，时间周期为每月2～3次；基于岸基固定式数字影像监测的结果用于提供更高时间分辨率的辅助信息。

根据上述方法，本实施例中图5给出了岸基固定式数字影像监测技术水动力信息观测前，某一台相机视野中的仪器布置示意图；图6给出了某断面的波浪爬高采样时间序列的示意图；图7给出了某直线上沿岸流采样时间序列示意图；图8是某垂直岸线断面点上的波浪传播过程时间序列示意图，依据图中波峰线传播的轨迹可知，x轴平行线截取所得线段代表了该断面上各个位置处的波长，时间轴平行线截取所得线段代表了波浪的周期，波峰轨迹的正切值代表了波速，类似地，对相邻断面作同样处理，根据波峰线到达的时间差可以推算波浪入射角度；图9给出了堤顶越浪过程的时间序列示意图，图中亮度较高的子区域的前缘线宽度代表了越浪水流的宽度，长度代表了单次越浪事件的历时。

最终将数据集成应用到一起，获取到如图2所示的人工沙滩典型物理过程和基于不同观测手段的数据点空间分布示意图。

Claims (9)

1.一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：构建观测体系

包括岸基固定式数字影像监测系统、沙滩断面测量系统和无人机测绘系统；

S2：多源监测数据获取

利用岸基固定式数字影像监测系统获取观测数据，包括人工沙滩的水动力、地形和人类活动信息；所述水动力信息包含海堤越浪、波浪破碎区、近岸浒苔、沿岸流、波浪爬高、波浪传播；所述地形信息包含实时的岸线位置、潮间带地形；所述人类活动信息包含人工沙滩全部工程区域的施工、车辆、作业船舶、游船的监控；

利用沙滩断面测量系统获取人工沙滩的陆地地形数据和水下地形数据；

利用无人机测绘系统获取人工沙滩的陆域环境状况数据；

S3：数据处理

分别对步骤S2中获取的数据进行处理；

S4：对步骤S3中处理好的数据进行多源数据的集成应用、互补和校验。

2.根据权利要求1所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：所述岸基固定式数字影像监测系统的构建过程为：首先设计视频监测站，确定相机固定位置、高程、镜头视野、相机数量；其次确定相机的镜头参数；之后安装相机并固定角度，计算相机的位置姿态参数，完成相机建模。

3.根据权利要求1所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：所述沙滩断面测量系统的测量方法依次包括断面布置和断面测量两个步骤；

断面布置过程为：沿岸方向上，测量断面以间距覆盖全部人工沙滩岸段，并在演变剧烈的区域加密；垂直岸线方向上，测量断面自人工沙滩的陆侧边界开始，至超过闭合水深位置为止，设定数据点密度，断面布置完成后，确定起止点坐标并在后续测量中保持不变；

断面测量过程为：测量断面的陆地部分，即陆侧边界至岸线部分的地形采用RTK-GPS方法测量，测量时间选在低潮位时刻；水下部分采用船载测深仪搭配RTK-GPS辅助定位和人工验潮方法测量，测量时间选在高潮位时刻。

4.根据权利要求2所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：所述步骤S2中，

所述岸线位置、波浪破碎区和近岸浒苔分布数据的获取方法为：首先对每台相机每个小时采集的实时图像分别作时间平均，以滤除高频的变化信息；然后设定正射影像的区域，包括沿岸范围、垂直岸线范围、空间分辨率和当前小时的潮位高程；再对正射影像区域内的所有空间点，依据相机的模型参数，依次转换到角度图像的像素坐标；接着根据像素坐标判断对应像点出现的相机，对于出现在单一相机视野中的像点，抓取该像点的颜色值，赋给该空间点，对于出现在两台及以上相机视野中的像点，分别抓取各个视野中像点的颜色值，并依据像点距各自图像边缘的距离进行加权平均，作为最终颜色值，赋给该空间点；获得相关区域的正射影像后，对正射影像进行相应观测对象的特征提取，即得最终结果；

所述潮间带地形数据的获取方法为：按岸线位置的获取方法提取每小时潮位高程对应的岸线位置，依据一天时间内潮位高程的变化，分别获取每小时/潮位下的岸线位置并将结果合并，即得当日的潮间带地形数据；

所述海堤越浪、沿岸流、波浪爬高和波浪传播的获取方法：依据观测对象，设置像素传感器阵列，海堤越浪传感器为沿海堤堤顶位置的直线阵列，沿岸流传感器为与岸线平行的一条或多条直线阵列，波浪爬高传感器为与岸线垂直的一条或多条直线阵列，波浪传播传感器为近岸水域范围内均匀分布的矩阵阵列；像素传感器阵列的设置在应用于多相机组合系统观测的情形时，依据上述原则设置物理坐标下的采样位置，基于相机系统参数将物理坐标转换至系统的像素坐标，再依据相机编号优先或镜头视野优先的原则，将像点分配给合适的相机；以每秒的频率对相机的实时图像时间序列执行相应阵列的像素时间序列采样。

5.根据权利要求1或4所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：所述步骤S3中对于岸基固定式数字影像监测系统获取观测数据的处理方式为：

将岸线位置、波浪破碎区和近岸浒苔分布的时间分辨率设置为每小时；根据岸基固定式数字影像监测系统的工作模式和观测对象的特征，岸线数据的时间范围覆盖人工沙滩工程的施工期和竣工后，近岸浒苔数据时间范围覆盖人工沙滩各个阶段；

将潮间带地形数据的时间分辨率设置为每日，沿岸空间分辨率与岸线提取的空间分辨率一致，垂直岸线数据点对应于当日每小时的潮位高程；根据岸基固定式数字影像监测系统的工作模式和观测对象的特征，数据的时间范围为人工沙滩竣工后；

将海堤越浪、沿岸流、波浪爬高、波浪传播、工程及人类活动数据的时间分辨率设置为每秒，根据数字影像监测系统的特点和观测对象的特征，数据时间范围包含人工沙滩工程前、施工过程和竣工后。

6.根据权利要求1所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：

所述步骤S3中对于陆地地形数据和水下地形数据的处理方式为：将数据时间范围为人工沙滩竣工后，周期为每月一次；

所述陆域环境状况数据包括沙滩陆地地形、植被分布和建筑物状况数据，其处理方式为：将数据的时间范围设为人工沙滩竣工后，周期为每月2～3次，并与陆地地形数据和水下地形数据保留同步日期的数据以用于数据校验；数据空间范围包括完整的沙滩陆域及其邻域。

7.根据权利要求1所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：所述步骤S4中数据的互补处理具体为：将陆地地形数据和水下地形数据在沿岸方向上数据点以断面布置间距覆盖全部沙滩岸段，在垂直岸线方向上覆盖人工沙滩陆侧边界至闭合水深的空间范围；数据时间范围自竣工时开始，周期为每月一次，台风天气前后各补测一次；所述沙滩断面测量通过覆盖水下地形，作为数字影像监测数据和无人机测绘的沙滩地形数据在垂直岸线方向空间范围的补充。

8.根据权利要求1所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：所述步骤S4中陆地地形数据，作为岸线数据、潮间带地形数据以及无人机测绘的地形数据的校验。

9.根据权利要求8所述的一种人工沙滩多源监测数据集成分析方法，其特征在于：所述步骤S4中数据的校验方式为：

陆地地形数据和岸线数据的校验方法：将岸线位置与沙滩断面测量结果在同一潮位高程下插值得到的岸线水平位置对比，并扩展到所有潮位和整个岸线；

陆地地形数据和潮间带地形数据的校验方法：将潮间带地形的高程和坡度，与沙滩断面测量得到的相应剖面的高程和坡度对比，并扩展到所有断面和每次沙滩断面测量；

陆地地形数据与无人机测绘的地形数据的校验方法：将基于无人机测绘获取的沙滩完整陆域地形中提取断面地形与基于沙滩断面测量的断面地形对比。

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