摄影测量在珊瑚礁水下调查中的应用研究

作     者：邹文财 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄荣永

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：珊瑚礁 水下摄影测量 光束法平差 模型误差 涠洲岛 

摘      要：珊瑚礁是海洋中重要的生态系统之一,其生物多样性和初级生产力极高,具有重要的经济、社会和生态价值。目前珊瑚礁生物与生态调查方法主要包括Reef Check、截线样条视频法和样方拍摄法等。这些调查方法多数仅能提供珊瑚礁二维信息的简单抽样,而摄影测量则能够提供珊瑚礁较为完整的二维甚至三维信息,在珊瑚礁生物与生态资源的调查领域具有很大的潜力。由于水体折射效应的存在,珊瑚礁水下拍摄所用相机的光路不再是直线而是折线。已有研究表明通过主距等效放大的方式可以使水下摄影测量处理所采用的相机几何模型维持共线方程的形式不变。然而,这种方式的珊瑚礁水下摄影测量是否存在模型误差、是否会产生较大的系统误差等问题尚未得到明确的解答。此外,较大范围(面积超过200 m)的水下摄影该如何保证影像满足摄影测量的重叠度要求目前亦未曾见到明确且有效的方案。针对这些问题,本文将开展摄影测量在珊瑚礁水下调查中的应用研究。于是本文通过室内水槽实验来验证以主距等效放大为基础的共线方程模型用于水下摄影测量是否会产生模型误差,再设计了一套潜水员水下拍摄方案用于涠洲岛珊瑚礁区实验来分析较大范围(面积超过200 m)水下摄影测量处理的系统误差问题,最后开展活珊瑚覆盖度判读分析实验来说明摄影测量在珊瑚礁水下调查中的实际应用。本研究主要结论如下:1)基于共线方程和自检校光束法平差的水下摄影测量处理不会产生显著的模型误差;2)本文设计的潜水员水下拍摄方案能保证所摄影像满足摄影测量处理所需重叠度的要求;3)较大范围(面积超过200 m)的珊瑚礁水下摄影测量(自由网平差)会产生非线性变形(系统误差),且其值比空气条件大;4)以自由网平差为基础的水下摄影测量在较大范围(面积超过200 m)珊瑚礁的调查中,主要适用于不太关注几何精度的应用场景,例如可表达为长度/面积比的活珊瑚覆盖度及其不确定性的估算,以及本文对涠洲岛以展示为目的而制作的由38950张水下影像处理获得的约2000 m珊瑚礁区正射影像图等。以活珊瑚覆盖度的估算为例,与传统录像判读相比,摄影测量技术的应用具有如下几个方面的优点:1)能够以更接近活珊瑚覆盖度定义的面积比形式来进行活珊瑚覆盖度的估算;2)能够通过多条虚拟路径分别判读的方式来对活珊瑚覆盖度估计值的不确定大小进行估算;3)从原理上说有望摆脱样条录像活珊瑚覆盖度判读对参照尺子刻度的依赖。本研究成果将摄影测量的应用范围拓展至珊瑚礁学科领域,对摄影测量在珊瑚礁水下生物与生态资源调查中的应用具有重要的指导价值,有利于提高珊瑚礁生物与生态资源调查的技术水平。