丁 凱，李清泉，朱家松，汪馳升，管明雷，崔 揚(yáng)，楊 超,徐 天

1. 深圳大學(xué)海岸帶地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060； 2. 深圳大學(xué)空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060； 3. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500

中國是海洋大國，海岸線長達(dá)18 000多km，水深在50 m以內(nèi)的近海海域面積達(dá)50萬km2，而近海岸區(qū)域大部分的測深數(shù)據(jù)還是空白。因此，急需彌補(bǔ)近海岸區(qū)域測深數(shù)據(jù)的空白，充分掌握近海岸區(qū)域水底地形及底質(zhì)情況，這對(duì)于中國國民經(jīng)濟(jì)、國防安全和“一帶一路”戰(zhàn)略都具有十分重要的意義[1-2]。

傳統(tǒng)的水深探測主要是采用鉛垂線和聲吶的實(shí)地測量方法，精度較高，但是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高，且受航道影響較大，特別是在船只難以到達(dá)的淺水區(qū)域，無法開展測深作業(yè)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用多光譜遙感影像可以快速反演大面積水域的水深。這種方法成本較低、覆蓋范圍廣，但是受水質(zhì)及大氣校正的影響較大，測深精度不高，且一般只適用于深度小于20 m的水域[3-7]。相反，機(jī)載激光雷達(dá)測深系統(tǒng)(airborne LiDAR bathymetry,ALB)具有精度高、效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，運(yùn)用ALB系統(tǒng)開展近海岸測深作業(yè)可以有效地填補(bǔ)近海岸區(qū)域內(nèi)的水深數(shù)據(jù)空白[8-9]。

文獻(xiàn)[10]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了激光測深的可行性，隨后，加拿大、瑞典、美國、澳大利亞等國家開展了ALB系統(tǒng)的研制。由于激光測深技術(shù)比較復(fù)雜，研制難度大，直到1985年，加拿大研制出了世界上第一臺(tái)可以使用的ALB系統(tǒng)(名為LARSEN-500)[11-12]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)，激光雷達(dá)，定位定姿等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ALB系統(tǒng)得到了逐步的改進(jìn)和完善，其成本更低、體積更小、應(yīng)用性更強(qiáng)。目前全世界比較成熟的商業(yè)化ALB系統(tǒng)主要有加拿大Optech公司(已被美國Teledyne公司收購)的SHOALS系統(tǒng)(已升級(jí)為CZMIL系統(tǒng))、瑞典AHAB公司的HawkEye系統(tǒng)、澳大利亞Tenix公司的LADS系統(tǒng)，美國NASA的EAARL系統(tǒng)、奧地利RIEGL公司的VQ-880-G系統(tǒng)等[3-4]。中國從20世紀(jì)90年代開始開展ALB系統(tǒng)研發(fā)，包括中國海洋大學(xué)、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位相繼進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的研制，目前還處于試驗(yàn)階段，尚未實(shí)現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為滿足針對(duì)淺海區(qū)域的低成本測深需求，深圳大學(xué)在深圳市“創(chuàng)新鏈+產(chǎn)業(yè)鏈”未來產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金資助下開始開展輕型淺水ALB系統(tǒng)的研發(fā)工作[3]。

ALB系統(tǒng)的測深能力一方面來自于系統(tǒng)自身性能，另一方面來自于所測量水體的渾濁度，對(duì)于較渾濁的水體，部分ALB系統(tǒng)發(fā)射的激光束難以穿透水體獲取水底回波信號(hào)，而CZMIL(costal zone mapping and imaging LiDAR)等系統(tǒng)擁有渾水處理算法模塊，在淺水、渾濁的條件下仍然表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能[13-16]。CZMIL系統(tǒng)是加拿大Optech公司近年研制成功的一款藍(lán)綠雙激光ALB系統(tǒng)，能夠同時(shí)產(chǎn)生海灘和海底的高分辨率遙感影像和三維數(shù)據(jù)。CZMIL系統(tǒng)的測深能力主要受到水體漫衰減系數(shù)(diffuse attenuation coefficient,Kd)的影響，通常情況下，海水越清澈，則漫衰減系數(shù)越小，激光更容易穿透海水，有效測深值也越大[17-19]。因此，在開展激光測深試驗(yàn)之前，通過獲取海水的漫衰減系數(shù)估算出ALB系統(tǒng)的最大測深能力，可以為開展激光測深作業(yè)提供重要的依據(jù)。傳統(tǒng)測量漫衰減系數(shù)的方式主要是運(yùn)用船載或者岸基的測量系統(tǒng)(賽奇盤等儀器)進(jìn)行實(shí)地測量[20-21]，但是這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也難以獲取大面積水域的漫衰減系數(shù)空間分布。隨著海色遙感技術(shù)的興起，運(yùn)用星載遙感數(shù)據(jù)可以反演大面積水域的漫衰減系數(shù)，主要方法是通過衛(wèi)星搭載的傳感器獲取海水不同深度的輻照度，并通過指數(shù)回歸計(jì)算出漫衰減系數(shù)值[19,22]。本文總結(jié)和選取了中國南海北部海域漫衰減系數(shù)反演算法，運(yùn)用Aqua-MODIS遙感影像數(shù)據(jù)和中國科學(xué)院南海海洋研究所等單位實(shí)地采集的水色試驗(yàn)數(shù)據(jù)[23]，得到了中國南海北部海域漫衰減系數(shù)Kd(532)的分布圖，估算了該區(qū)域在CZMIL海道測量模式下的最大可測水深的空間分布。

1 方法原理

1.1 漫衰減系數(shù)Kd(490)反演算法

1978年10月，世界上第一代海色衛(wèi)星傳感器coastal zone color scanner(CZCS)誕生。CZCS搭載在Nimbus-7衛(wèi)星上，主要用來研究全球海洋生物資源，隨后，科學(xué)家運(yùn)用CZCS記錄的遙感影像數(shù)據(jù)反演海水漫衰減系數(shù)，并提出了不同的經(jīng)驗(yàn)和半分析漫衰減系數(shù)反演算法[24]。文獻(xiàn)[25]在CZSZ基礎(chǔ)上，首次建立了漫衰減系數(shù)Kd(490)和藍(lán)(443 nm)、綠(555 nm)兩個(gè)波段的離水輻亮度比值之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

(1)

式中，Lup(443)和Lup(550)分別表示藍(lán)綠波段的離水輻亮度值；Kw(490)表示純水的漫衰減系數(shù)值，大小為0.022 m-1。文獻(xiàn)[26]建立了Kd(490)和其他波段Kd(λ)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

Kd(λ)=A(λ)Kd(490)+B(λ)

(2)

運(yùn)用式(2)，可通過Kd(490)計(jì)算出其他波段Kd值。2000年，文獻(xiàn)[27]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的漫衰減系數(shù)和離水輻亮度值，用統(tǒng)計(jì)方法推算出Kd(490)和Lwn(490)/Lwn(555)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，如式(3)所示

(3)

式中，Lwn表示歸一化離水輻亮度。第2代海色傳感器SeaWiFS將該方法作為數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)化算法[27]。該算法在大洋開闊水體(Ⅰ類水體)比較適用，但是中國南海北部海域?qū)儆冖耦愃w和Ⅱ類水體并存的混合水體，水體光學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜[23]，上述國際通用的漫衰減系數(shù)反演算法并不完全適用于該區(qū)域。2008年，文獻(xiàn)[23]根據(jù)2003—2005年中國南海北部區(qū)域收集的水體光學(xué)數(shù)據(jù)，建立了南海北部區(qū)域漫衰減系數(shù)和遙感反射比之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。該算法得到的Kd(490)和實(shí)測Kd(490)決定系數(shù)R2為0.856，均方根誤差RMSE為0.094 m-1?；诖?，筆者選取該漫衰減系數(shù)反演算法進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

1.2 ALB系統(tǒng)最大測深值估算

本文采用的ALB系統(tǒng)是Optech公司旗下的CZMIL測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了藍(lán)綠波段(532 nm)和紅外波段(1064 nm)雙激光，其主要參數(shù)如表1所示[28]。

表1 CZMIL系統(tǒng)主要參數(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)測深回波信號(hào)強(qiáng)度的方程如式(4)和式(5)所示[8]

(4)

(5)

式中，Pb表示激光接收器接收到的底部回波強(qiáng)度；Pw表示體散射回波強(qiáng)度；PT表示激光發(fā)射強(qiáng)度；ρ表示底質(zhì)反射率；η表示系統(tǒng)的綜合衰減系數(shù)；Fp表示視場角系數(shù)；nw表示水體折射率；Ar表示激光接收器的孔徑面積；θ表示天頂角；M(θi)表示熱點(diǎn)效應(yīng)；N(θi)表示脈沖拉伸效應(yīng)；H表示飛機(jī)的飛行高度；D表示水深；τ表示大氣的光學(xué)厚度；β表示體散射系數(shù)。激光雷達(dá)回波信號(hào)由3部分組成：水面回波，水底回波，水體后向散射回波。從該方程可以看出，激光回波強(qiáng)度隨深度和漫衰減系數(shù)增加呈指數(shù)衰減。因此水體漫衰減系數(shù)越小，激光回波強(qiáng)度越大，可探測深度也越深。

根據(jù)文獻(xiàn)[29]研究結(jié)果表明，激光雷達(dá)最大測深與系統(tǒng)衰減系數(shù)有以下關(guān)系

(6)

(7)

式中，PT表示激光峰值發(fā)射功率；ρ表示底部反射率；Ar表示激光接收器的有效面積；η表示接收系統(tǒng)的效率；H表示飛機(jī)的飛行高度；PB表示背景噪聲功率；Г表示系統(tǒng)衰減系數(shù)。對(duì)于固定的ALB系統(tǒng)，PA/PB是系統(tǒng)的固定參數(shù)，因此最大測深深度主要取決于系統(tǒng)衰減系數(shù)Г。文獻(xiàn)[30]用蒙特卡洛方法建立了如下關(guān)系式

Γ=c(1-0.832ω0)

(8)

式中，c表示光束衰減系數(shù)；ω0表示單次散射率，即光束散射系數(shù)和光束衰減系數(shù)的比值[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[31]研究表明，系統(tǒng)有效衰減系數(shù)Г介于光束衰減系數(shù)和漫射衰減系數(shù)之間

Kd(490)≤Γ≤c

(9)

而根據(jù)文獻(xiàn)[8]得到漫衰減系數(shù)與光束衰減系數(shù)之間的關(guān)系，如下所示

(10)

結(jié)合式(8)和式(10)，可以得到系統(tǒng)有效衰減系數(shù)和漫衰減系數(shù)之間關(guān)系

(11)

從而得到最大測深值與漫衰減系數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

(12)

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，在CZMIL海道測量模式下(白天)，當(dāng)?shù)撞糠瓷渎蚀笥?5%時(shí),單脈沖最大測深深度可以近似為

Dmax?3.75/Kd(532)

(13)

從式(13)可知，評(píng)測ALB系統(tǒng)測深能力的漫衰減系數(shù)為Kd(532)，然而通過星載傳感器遙感反演的漫衰減系數(shù)為Kd(490)，因此需要通過試驗(yàn)建立Kd(532)和Kd(490)的關(guān)系，將Kd(490)轉(zhuǎn)化為Kd(532)。

2 試驗(yàn)與討論

2.1 南海北部海域?qū)崪y水色數(shù)據(jù)

本文使用的水色光學(xué)數(shù)據(jù)是由中國科學(xué)院南海海洋研究所提供的2003—2005年秋季南海北部海域水色實(shí)測數(shù)據(jù)[23,32]。該試驗(yàn)共分兩次采集數(shù)據(jù)，第1次于2003年秋季對(duì)廣東省海岸線進(jìn)行實(shí)地采樣，第2次于2004—2005年對(duì)南海北部區(qū)域進(jìn)行實(shí)地采樣。研究區(qū)域范圍如圖4所示。該數(shù)據(jù)涵蓋了近岸的Ⅱ類水體到大洋的Ⅰ類水體，利用分光輻射譜儀測量了7個(gè)波段(412 nm、443 nm、490 nm、520 nm、555 nm、620 nm、683 nm)的向下輻照度Ed(z,λ)，向上離水輻亮度Lu(z,λ)和表面入射光譜輻照度Es(0,λ)。通過該試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各波段的向下漫衰減系數(shù)Kd(λ)和遙感反射比Rrs(λ)。為最大限度地減小偶然誤差的影響，該試驗(yàn)將每個(gè)站位測量2～3次，測量結(jié)果取恰好水平面以下到最大測量深度之間測量數(shù)據(jù)的均值。

南海北部區(qū)域?qū)嶒?yàn)站位的遙感反射比如圖1所示，漫衰減系數(shù)如圖2所示，其中每條曲線代表不同的站位。對(duì)于近岸水體，在412～555 nm,遙感反射比隨波長的增加而增加，漫衰減系數(shù)隨波長的增加而遞減；在555～683 nm，遙感反射比隨波長的增加而遞減，漫衰減系數(shù)隨波長的增加而增加。對(duì)于外海水體，遙感反射比隨波長變化較??；漫衰減系數(shù)在412～555 nm波段隨波長變化不大，在555～683 nm波段，漫衰減系數(shù)隨波長的增加而增加。綜上，可以看出南海北部區(qū)域水體生物光學(xué)特性多樣，水體相對(duì)比較復(fù)雜。

圖1 南海北部區(qū)域試驗(yàn)站位的遙感反射率光譜Fig.1 Remote sensing reflectance at different stations in northern South China Sea

圖2 南海北部區(qū)域試驗(yàn)站位的漫衰減系數(shù)光譜Fig.2 Diffuse attenuation coefficient at different stations in northern South China Sea

2.2 南海北部海域漫衰減系數(shù)Kd(532)計(jì)算

Optech公司的CZMIL系統(tǒng)采用了Nd:YAG激光器，其中用于探測水底信息的激光為藍(lán)綠激光(波長為532 nm)，該波段激光穿透海水的能力最強(qiáng)[11]。因此對(duì)CZMIL系統(tǒng)進(jìn)行測深能力估算，首先必須估算出海水Kd(532)值。而當(dāng)前國際上通用的水色遙感標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品是Kd(490)，因此需要將Kd(490)轉(zhuǎn)化為Kd(532)。根據(jù)文獻(xiàn)[23]研究結(jié)果，結(jié)合式(3)，將412、443、520、555與620 nm這5個(gè)波段的Kd(λ)和Kd(490)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如表2所示。

表2Kd(490)與其他各波段Kd(λ)之間的線性擬合計(jì)算結(jié)果(對(duì)應(yīng)R2，RMSE值)

Tab.2ThelinearfittingcalculationresultsofKd(λ)atthe5wavebands(R2andRMSEforthecorrelationcoefficient)

波長/nm412443520555620R20.9930.9970.9970.9890.848RMSE0.0290.0150.0090.0150.054斜率A(λ)1.6031.3140.8120.6600.579截距B(λ)-0.036-0.0210.0290.0580.358

接著使用412、443、520、555和620 nm這5個(gè)回歸直線的斜率和對(duì)應(yīng)波長進(jìn)行擬合，得到了各波段波長和回歸直線斜率之間的關(guān)系，如圖3所示。其擬合后的決定系數(shù)R2為0.999 8，均方根誤差RMSE為0.011 12。對(duì)于532 nm波段,得到A(532)=0.749；再用內(nèi)插法，得到B(532)=0.038 9，最終得到Kd(532)和Kd(490)之間的關(guān)系為

Kd(532)=0.749Kd(490)+0.038 9

(14)

圖3 各波段波長與回歸直線斜率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between slope of regression lines and wavelengths

2.3 南海北部海域CZMIL系統(tǒng)最大測深分布

本文選取2014年Aqua-MODIS數(shù)據(jù)中試驗(yàn)區(qū)域412 nm和555 nm遙感反射比數(shù)據(jù)，對(duì)CZMIL系統(tǒng)在南海北部海域的測深性能進(jìn)行保守估計(jì)。首先使用文獻(xiàn)[23]中向下輻照度漫衰減系數(shù)反演算法得到該區(qū)域漫衰減系數(shù)Kd(490)，利用式(14)將Kd(490)轉(zhuǎn)化為Kd(532)。圖4(b)、(c)、(d)分別表示南海北部海域1月、6月和10月的Kd(532)空間分布圖，其中1月份Kd(532)平均值為0.115 0 m-1，6月份Kd(532)平均值為0.089 4 m-1，10月份Kd(532)平均值為0.090 3 m-1，由此可知，該海域6月份的平均水質(zhì)優(yōu)于其他兩個(gè)月，所以更適合進(jìn)行激光雷達(dá)測深作業(yè)。圖4中漫衰減系數(shù)Kd(532)用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，下方的色條對(duì)應(yīng)的刻度表示Kd(532)值。

接著，利用式(13)進(jìn)一步得到6月份南海北部海域CZMIL系統(tǒng)最大測深值的空間分布圖，如圖5所示，該區(qū)域可測水深約為0～71.18 m。圖6是CZMIL最大探測深度的頻數(shù)分布直方圖，橫軸代表CZMIL最大探測深度值，縱軸代表不同深度對(duì)應(yīng)的頻數(shù)，由圖6可知，南海北部大部分海域的CZMIL最大可探測深度范圍約為55～65 m。

從圖4、圖5和圖6可以看出，廣東省近岸海域水質(zhì)相對(duì)較差，CZMIL可測深度較低，在20 m以內(nèi)，主要原因是廣東沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展及人口不斷增長，近岸海域受到陸地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活排放、海產(chǎn)養(yǎng)殖、海上工程及交通運(yùn)輸?shù)鹊挠绊?；珠江入海口區(qū)域漫衰減系數(shù)Kd(532)高達(dá)0.5 m-1以內(nèi)，大部分海域CZMIL可測深度在15 m以下，主要原因是珠江攜帶大量懸移質(zhì)泥沙入海，使得該區(qū)域水體渾濁度增加；海南島沿岸海域的水質(zhì)情況分布不均，海南島北部沿岸海域的漫衰減系數(shù)Kd(532)大于南部沿岸海域，西部沿岸海域的Kd(532)大于東部沿岸海域，而西北部沿岸海域的Kd(532)則相對(duì)較高，海南島沿岸海域最大可探測深度約為7～48 m；南海北部海域中遠(yuǎn)離海岸線的大部分海島礁，灘涂和河口的水質(zhì)較好，運(yùn)用CZMIL等激光測深系統(tǒng)可以快速地進(jìn)行測深作業(yè)，填補(bǔ)傳統(tǒng)測深作業(yè)的不足之處。圖4(b)、(c)、(d)和圖5中出現(xiàn)了白色區(qū)域，致使無法估算CZMIL系統(tǒng)在該白色區(qū)域的測深能力，這是因?yàn)镸ODIS業(yè)務(wù)化算法主要針對(duì)Ⅰ類大洋水體，而對(duì)Ⅱ類水體上空氣溶膠光學(xué)特性反演算法有待發(fā)展。下一步研究中，可以將Ⅱ類水體的大氣校正方法應(yīng)用于白色區(qū)域，從而進(jìn)一步全面地分析CZMIL等激光測深系統(tǒng)在該海域的測深能力[33-35]。

圖4 南海北部海域漫衰減系數(shù)Kd(532)空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of diffuse attenuation coefficient at 532 nm in the northern South China Sea

圖5 南海北部海域CZMIL系統(tǒng)測深性能空間分布圖，2014年6月Fig.5 Spatial distribution of CZMIL’s bathymetric ability in the northern South China Sea,June,2014

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用中國南海北部海域水色測量數(shù)據(jù)，研究了南海北部海域漫衰減系數(shù)Kd(490)反演算法，根據(jù)各波段Kd(λ)和Kd(490)之間的線性關(guān)系，推算了CZMIL系統(tǒng)激光發(fā)射波段Kd(532)與Kd(490)之間的函數(shù)關(guān)系，運(yùn)用Aqua-MODIS二級(jí)數(shù)據(jù)評(píng)估了南海北部海域在CZMIL海道測量模式下最大可測深度的空間分布，得到如下結(jié)論：

(1) 通過合成南海北部海域1月、6月、10月3個(gè)不同時(shí)期的漫衰減系數(shù)空間分布圖，發(fā)現(xiàn)6月份漫衰減系數(shù)Kd(532)平均值比其他兩個(gè)月相對(duì)較低，因此該月份比其他兩個(gè)月份更適合機(jī)載激光雷達(dá)測深作業(yè)。

(2) CZMIL系統(tǒng)在中國南海北部海域可測水深約為0～71.18 m。然而對(duì)于近岸海域，由于水體渾濁度較高，漫衰減系數(shù)值較大，大部分區(qū)域最大可測深度在20 m以內(nèi)，對(duì)于部分高渾濁水體區(qū)域，激光雷達(dá)測深系統(tǒng)難以發(fā)揮其優(yōu)勢。

(3) 遠(yuǎn)離海岸線的大部分海島礁，灘涂和河口的水質(zhì)相對(duì)較好，運(yùn)用激光雷達(dá)測深系統(tǒng)可以快速有效地進(jìn)行測深作業(yè)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)測深方法的空白。

致謝：感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所提供的中國南海北部海域?qū)崪y水色數(shù)據(jù)。

圖6 CZMIL最大探測深度的頻數(shù)分布直方圖Fig.6 Frequency distribution histogram of CZMIL maximum depth

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