吳 芳， 金鼎堅， 張宗貴， 冀欣陽， 李天祺， 高 宇

(1.中國自然資源航空物探遙感中心,北京 100083； 2. Teledyne Optech, Inc., Ontario L4K5Z8, Canada)

0 引言

海洋測繪是一切海洋經(jīng)濟開發(fā)與國防活動的基礎，海洋中的海島、島礁及其周邊海底地形測量是海洋測繪最基本的任務之一[1]。傳統(tǒng)的海底地形測量主要是利用船載單波束/多波束等方法，雖然具有較高的測量精度，但是由于船體無法進入沿岸水產(chǎn)養(yǎng)殖、淺水和島礁密集水域，無法滿足高精度近岸海底地形測量的需求。

機載激光雷達測深測量是集激光測距、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)定位/姿態(tài)測量、航空攝影等多種技術于一體的新型主動機載激光測繪，可應用于海灘和海岸線、淺海編圖、海島、島礁、水下障礙物的調(diào)查，是高效獲取高精度近岸海底地形的重要技術，尤其對“人下不去、船上不來”海岸帶的海陸一體化測量更具優(yōu)勢[2-4]。

針對海岸帶綜合地質調(diào)查工作的需求，中國自然資源航空物探遙感中心于Teledyne Optech公司定制了新一代CZMIL Nova機載激光雷達測深測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了測深激光雷達、CASI-1500h高光譜成像儀、Phase One iXU-RS1000數(shù)字相機等多種遙感傳感器。依托中國地質調(diào)查局海岸帶綜合地質調(diào)查工程，開展了機載激光雷達測深測量系統(tǒng)的試生產(chǎn)工作。本文基于機載激光雷達測深系統(tǒng)CZMIL Nova，以島嶼海陸一體地形測量的初步應用為例，介紹其海陸地形一體化測量方法原理、影響因素和技術流程。

1 機載激光雷達測深系統(tǒng)

機載激光雷達測深技術在國外一些海洋國家發(fā)展比較迅速，如美國、瑞典、澳大利亞、加拿大等，已研制出多種較為成熟的機載激光雷達測深系統(tǒng)，并配備相應的數(shù)據(jù)處理軟件。其中，代表性的有Teledyne Optech公司的CZMIL系列、Leica公司的Hawk Eye系列、RIEGL公司的VQ系列和Fugro公司的LADS系列。這些機載激光雷達測深系統(tǒng)具有大功率、高精度、高效率、測深能力強的特點[5-6]。根據(jù)文獻[1-16]歸納總結各種系列產(chǎn)品代表性測深設備的標稱技術指標，詳細指標見表1。從設備的掃描寬度、激光頻率、最大探測水深、測深精度、激光測點密度等技術指標可以看出這些設備各有優(yōu)勢。本文以CZMIL Nova系統(tǒng)為例，介紹機載激光雷達測深系統(tǒng)在海陸一體地形測量應用上的方法原理、影響因素和技術流程。表中，Kd為機載激光雷達水深測量系統(tǒng)測深工作波長處的漫衰減系數(shù)；d為測量深度(單位： m)； 2σ表示2倍中誤差。

表1 典型機載激光測深雷達系統(tǒng)主要技術指標Tab.1 Main technical specifications of typical ALB system

2 CZMIL機載激光雷達測深系統(tǒng)

2.1 CZMIL 機載激光雷達測深原理

CZMIL Nova系統(tǒng)的測深激光雷達在進行測量作業(yè)時同時發(fā)射1 064 nm(近紅外波段)和532 nm(綠波段)的大能量、窄脈沖、高保真度的激光[8]。其中紅外波段不易穿透海水從而探測到水面后就進行回波； 而波長處于0.47～0.58 μm之間的綠光穿透海水時的衰減最小，穿透性強且方向性好，可探測到海底，并被海底反射最終被傳感器接收[9]。通過測量激光在海面和海底的往返時間差，即可利用水中光速計算出海面至海底的瞬時水深值； 通過系統(tǒng)獲取的定姿定位參數(shù)計算激光在陸地和海底的三維坐標，即可得到海陸一體地形數(shù)據(jù)，機載激光測深原理示意見圖1[10]。圖中波形圖中第1個波峰代表水面回波信號； 第2個波峰代表水底回波信號，2個波峰之間的時間差即為激光在海面和海底的往返時間差。

圖1 機載激光測深原理圖[10]Fig.1 Schematic diagram of bathymetric survey[10]

CZMIL Nova系統(tǒng)采用特殊的多通道接收器架構，共有3個接收器。1個紅外通道實現(xiàn)陸地和水面回波探測[11-13]； 1個深水通道用于深水回波探測； 7個淺水通道用于淺水和陸地回波探測。這樣可得到9個通道的激光脈沖，這種分段探測器方法既保證了淺水區(qū)的分辨率和密度，又保證了較大的探測深度。采集某測試點的淺水通道、深水通道激光測深剖面圖，并從剖面中量測水面至水底實際測量深度(圖2)。圖中紅色標識為深水通道接收激光信號； 其余顏色為各淺水通道接收激光信號。從圖2(b)中可以明顯看出，深水通道相比較于淺水通道(圖2(a))，可探測到更深海底的回波信號。

(a) 測試點淺水通道實際測深(測量水深可達8 m)圖2-1 機載水深測量系統(tǒng)激光地形測量剖面分析Fig.2-1 Profile analysis of ALB system based on topographic survey

(b) 測試點深水通道實際測深(測量水深可達12 m)圖2-2 機載水深測量系統(tǒng)激光地形測量剖面分析Fig.2-2 Profile analysis of ALB system based on topographic survey

2.2 CZMIL 機載激光雷達測深系統(tǒng)產(chǎn)品

CZMIL Nova系統(tǒng)集成了3種傳感器，因此該系統(tǒng)在海岸帶及島礁調(diào)查中能夠通過一次飛行同時獲取多種數(shù)據(jù)，并通過配套的HydroFusion軟件高自動化生成海岸帶地區(qū)海陸一體的三維地形和其他不同層次的產(chǎn)品。其代表性的數(shù)據(jù)產(chǎn)品有海岸帶地形、海底底質分類以及水體的光學參數(shù)等，從CZMIL的官方介紹(http: //www.teledyneoptech.com)和HydroFusion軟件說明[6]中可以分析出，根據(jù)處理的程度該系統(tǒng)產(chǎn)品可以分為4級，其中有些產(chǎn)品的制作需要結合其他專業(yè)應用軟件和另行開發(fā)算法實現(xiàn)。本文主要對系統(tǒng)海陸一體地形產(chǎn)品制作展開方法技術介紹。

1)L0，原始級。主要包括激光(light detection and ranging，LiDAR)原始數(shù)據(jù)、高光譜原始數(shù)據(jù)、數(shù)字相機原始影像，此外還包括機載定位定向系統(tǒng)(position orientation system，POS)數(shù)據(jù)、地面GPS基站數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)，由外業(yè)飛行直接獲取。

2)L1，基礎級。主要包括LiDAR三維點云、高光譜正射影像、數(shù)字相機正射影像等，是系統(tǒng)機載測深測量最主要和最基本的產(chǎn)品。

3)L2，成果級。在基礎級產(chǎn)品的基礎上，經(jīng)過大量人工操作而處理生成的產(chǎn)品。

基于LiDAR三維點云，可生成LiDAR高程影像圖(即海陸一體地形)、LiDAR裸露地表數(shù)字高程模型、水陸分類圖、LiDAR底部反射圖、等深線圖及實時水深圖等，需要結合其他專業(yè)軟件完成?；诟吖庾V正射影像，開展水色遙感研究，可生成相關參數(shù)圖件。

4)L3，應用級。在基礎級產(chǎn)品和成果級產(chǎn)品的基礎上，針對具體的應用，經(jīng)過多傳感器融合處理或經(jīng)過遙感解譯而生成的產(chǎn)品。

2.3 CZMIL系統(tǒng)海陸一體地形測量

CZMIL Nova系統(tǒng)開展海陸一體地形測量，主要是利用其單綠激光測量陸地和水下地形的能力(近紅外激光在水中沒有回波，用于陸地測量)，從而達到陸地與水體一體化量測(圖3(a))。利用獲取的激光雷達數(shù)據(jù)，探測每個雷達波形中的陸地、水面-水底位置，然后利用飛機的定位定姿數(shù)據(jù)和激光的指向信息，計算出激光的三維橢球坐標，生成WGS-84橢球坐標系下標準LAS格式的點云數(shù)據(jù)。將點云數(shù)據(jù)進行噪聲點去除和人工編輯，僅保留陸地和海域水底有效地形數(shù)據(jù)，通過對不同高程的渲染制作海陸一體地形產(chǎn)品(圖3(b))。

(a) 海陸一體地形剖面(b) 海陸一體地形數(shù)據(jù)圖3 CZMIL Nova 海陸一體地形測量Fig.3 Land and sea integrated topographic survey(CZMIL Nova)

3 CZMIL海陸一體地形測量影響因素

結合本次機載激光雷達海陸一體測量試生產(chǎn)項目，要保證激光點云地形成果的準確性和完整性，規(guī)劃數(shù)據(jù)獲取任務時需考慮以下幾項關鍵問題。

3.1 海底底質對測量的影響

在進行激光測深的時候，海底底質的反射率對測量結果將產(chǎn)生很大的影響。不同區(qū)域的底質特征會有很大的差異，這會造成底部反射光強度的不同，給運用激光遙感技術測量水深的精度造成很大的影響。圖4(a)為Optech公司提供的底部反射率與ΔKdDmax的關系，可以看出，在底部反射率降到10%以后，KdDmax將下降0.2； 在底部反射率為15%時，對KdDmax無影響，指向“0”(圖中紅點處)，所以CZMIL系統(tǒng)標稱的最大測深計算公式，是在底部反射率達到15%時才有效。從3種不同類型土壤的反射波譜曲線(圖4(b))看出，在波長為532 nm的光譜內(nèi)，砂(粗砂)的反射率大約為15%； 腐泥(淤泥)的反射率約為5%； 粉砂(細砂)的反射率約為30%。因此，當海底為較亮的砂子時，按照公式計算Dmax會比預測較大，若海底為污泥時，Dmax會比預測值小。不過，相對海底底質而言，海水清澈度對儀器最大測深的影響要重要的多。

(a) 底質反射率與ΔKdDmax關系 (b) 3種不同類型土壤的反射波譜曲線圖4 底質反射率曲線(摘自中心儀器測試報告)Fig.4 Bottom reflectivity curves (taken from test report of AGRS)

3.2 系統(tǒng)最大探測深度

最大探測深度是激光測深系統(tǒng)的重要技術指標，在測量作業(yè)開展前，需對系統(tǒng)在測區(qū)內(nèi)水體的最大探測深度進行評估，根據(jù)系統(tǒng)測深能力進行合理的航線設計，避免無效的飛行作業(yè)。該項技術指標可用兩種方法來衡量。

1)圓盤透明度(secchi disc depth，SDD)。將圓盤沉入水中，直至其模糊看不清，量測此時圓盤所處深度，重復多次取其均值，此深度即為secchi depth，也稱海水的圓盤透明度。表1可見，典型機載激光雷達測深系統(tǒng)中，最大探測深度為圓盤透明度的2～3倍。

2)利用水體532 nm波段的漫衰減系數(shù)(Kd(532))和水體底部反射率來表征，經(jīng)驗計算公式為：

Dmax=n/Kd(532)

(1)

式中：Dmax為最大探測深度；n為最大測深系數(shù)，當海底反射率達到15%的情況下，一般在2～4之間。Kd(532)越大，激光測深系統(tǒng)的可探測深度越?。?水底反射率越高，激光測深系統(tǒng)的可探測深度越大[14]。根據(jù)CZMIL官方標稱Dmax=3.5/Kd(532)(白天)；Dmax=5.0/Kd(532)(夜間)，代入經(jīng)驗公式，計算得到系統(tǒng)在不同清澈度水體白天和黑夜的最大探測深度，見表2，預估設備在測區(qū)最大深測能力時可參考。

表2 CZMIL系統(tǒng)最大探測深度(Optech，2013)Tab.2 Statistics of the maximum detection depth(Optech，2013)

(續(xù)表)

3.3 氣象條件影響

機載激光雷達測深能力還會受到測區(qū)水體周圍環(huán)境影響，如風浪、雨雪、云霧、赤潮等。大風引起的海浪等同于渾濁水體，海浪打到岸邊會形成白涌浪(白色的泡沫)，光在氣泡里面不停折射，能量極大損失，無法穿透泡沫達到海底。因此，在一些近岸沙灘(易起碎浪)和懸崖處，在浪大的時候用激光測量海底點易丟失。另外，赤潮也是一個影響激光采集的因素，赤潮是海水中某些浮游植物、原生動物或細菌爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現(xiàn)象。由于水中浮游生物/藻類的生長，導致系統(tǒng)可能無法穿透這些藻類，并將這些生物/藻類的特征反映到點云，形成水中的噪點層。

因此，在激光雷達測深作業(yè)前，需要綜合考慮天氣、氣候等因素，并非任何水域都能得到理想的測深結果，避免大風大浪時開展飛行作業(yè)，才能保證海陸一體地形測量的連續(xù)性。

3.4 數(shù)據(jù)獲取需注意問題

按照Optech對儀器出廠培訓的要求，為保證獲取的點云數(shù)據(jù)最終處理精度，對地面基站布設和機載POS系統(tǒng)提出相應要求。同步GPS 基站的布設或連續(xù)運行的CORS 站的選擇，應考慮基站或CORS 站離作業(yè)飛行區(qū)最遠的距離應控制在30 km 范圍內(nèi)。每個架次飛行作業(yè)后需預檢查POS解算數(shù)據(jù)的以下幾個指標，確保各項指標均在限差范圍內(nèi)： L1/L2載波信號無失鎖情況，飛機的定位定姿數(shù)據(jù)解算結果應符合POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的精度要求(《GB/T 27919—2011 IMU/GPS輔助航空攝影技術規(guī)范》)； 同時，CZMIL系統(tǒng)對相對航高的反應較靈敏，不同的作業(yè)高度需選用不同的模式文件(mode file)，要求飛行員在作業(yè)過程中保持計劃的航高，允許的航高上下浮動范圍為±30 m。

4 島嶼海陸一體地形測量初步應用

本文結合“海岸帶綜合地質調(diào)查工程”海陸一體地形測量實際生產(chǎn)應用經(jīng)驗，對CZMIL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和結果分析進行介紹，技術流程見圖5。

圖5 機載激光雷達測深技術流程Fig.5 Technology flow of ALB survey

4.1 工作區(qū)概況

工作區(qū)位于北海市北部灣海域中部，為一個距陸地約50 km的海島。海島形近似于圓形，東西寬約6 km，南北長約6.5 km，面積約25 km2。該島位于沿海大陸架之上，島的南半部以海蝕地貌為主，北半部則以海積地貌為主。島的地勢為南高北低，海拔最高約79 m，自南向北逐漸傾斜，逐漸過渡到平坦寬闊的海灘。海域水體較為清澈，根據(jù)反演的Kd值可知，CZMIL系統(tǒng)在該區(qū)最大測深預估可達15 m，具有較大應用潛力。

4.2 海陸一體地形測量

4.2.1 數(shù)據(jù)獲取

飛行平臺選用運-12 E型飛機，飛行高度為400 m，航線間距約為200 m(相鄰航帶重疊30%)，飛行速度平均為220 km/h，測量時間為秋季。在飛行的同時，地面采用Trimble R5型接收機同步開展GNSS基準站觀測，用于機載POS數(shù)據(jù)的差分解算。該工作區(qū)采集到的LiDAR測深數(shù)據(jù)包括LiDAR原始數(shù)據(jù)、機載POS數(shù)據(jù)和地面GPS基站數(shù)據(jù)。對每個架次數(shù)據(jù)進行預處理，開展機載POS數(shù)據(jù)與地面基站數(shù)據(jù)聯(lián)合解算和質量檢查，確保數(shù)據(jù)結果精度滿足相關規(guī)范精度要求，將最后結果用于激光數(shù)據(jù)的處理。

4.2.2 數(shù)據(jù)檢校

本文所用數(shù)據(jù)檢校結果見圖6。系統(tǒng)在飛機上安裝之后進行激光檢校，需解算出激光9個接收通道在陸域與海域的掃描角偏移、俯仰和翻滾角偏移、距離偏移以及測深偏離等參數(shù)，用于對設備進行標校處理，保證各通道接收激光無偏差，且激光數(shù)據(jù)與測量控制數(shù)據(jù)無偏差。在陸地和水域分別布設檢校場，陸地檢校場用于校正陸地通道，以及其和淺水通道的偏差； 水域檢校場用于校正激光測深偏差，以及淺水通道和深水通道的偏差[15-16]。需要說明的是，系統(tǒng)在交付使用前，Optech公司利用美國的檢校場對設備開展了出廠檢校，利用提供的檢校文件作為初始值，微小調(diào)動個別參數(shù)后，通過選取同一地物激光剖面發(fā)現(xiàn)單通道各掃描方式之間激光數(shù)據(jù)吻合較好，淺水各通道激光數(shù)據(jù)已無偏差(圖6)。即可利用此檢校文件開展后續(xù)處理工作。

(a) 單通道激光檢校情況

(b) 多通道激光檢校情況圖6 激光經(jīng)檢校后效果Fig.6 Calibration result of laser

4.2.3 精度評定

影響激光雷達測深精度的因素比較多，進行精確的精度驗證較為困難。本次作業(yè)采取的精度驗證方法非常粗略，根據(jù)收集到的多波束數(shù)據(jù)分布情況，選定工作區(qū)以外另一水質清澈水域作為測試樣區(qū)，進行了激光測量精度的評估。通過區(qū)域內(nèi)30 m深度附近40個點數(shù)量的多波束測深數(shù)據(jù)，并將測深數(shù)據(jù)轉化為WGS-84系統(tǒng)下的橢球高，保證其與激光點云數(shù)據(jù)代表相同的地理意義。在多波束測深數(shù)據(jù)點有效半徑范圍內(nèi)，與激光點云數(shù)據(jù)進行比較，統(tǒng)計平均誤差、標準差和均方根誤差，精度均在系統(tǒng)標稱范圍內(nèi)(表3)。

表3 測試區(qū)激光測量精度統(tǒng)計Tab.3 Statistics of laser measurement accuracy in test area (m)

4.2.4 數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品制作

利用設備配套的HydroFusion等軟件完成機載激光雷達數(shù)據(jù)處理，生成工作區(qū)海陸一體地形產(chǎn)品，以高程渲染圖表現(xiàn)，主要包含以下4個步驟：

1)原始數(shù)據(jù)下載和同步。利用機載POS解算結果、飛行設計文件、系統(tǒng)參數(shù)等文件，完成原始激光雷達數(shù)據(jù)下載，及其與機載POS數(shù)據(jù)的融合處理。

2)激光點云生成。利用下載的激光雷達數(shù)據(jù)，探測每個雷達波形中的陸地、水面和水底位置，利用飛機的定位定姿數(shù)據(jù)和激光的指向信息，計算陸地、水面和水底的激光三維橢球坐標，生成WGS-84橢球坐標系下標準格式的LAS點云數(shù)據(jù)。

3)激光點云人工編輯。對每條航帶的三維激光點云數(shù)據(jù)進行模型建立，也可按區(qū)域范圍(block)生成點云模型，導入到HydroFusion軟件的CME(CZMIL Manual Editor)模塊中進行噪聲點人工去除，生成只包括陸地、海底地形的LAS點云數(shù)據(jù)。

4)海陸一體高程渲染圖生成。利用地理信息系統(tǒng)軟件，對點云數(shù)據(jù)進行二次編輯，保留可成圖數(shù)據(jù)，刪除局部離散的散點； 對點云數(shù)據(jù)進行柵格化處理，生成規(guī)定采樣間隔的海陸一體數(shù)字高程圖，并按照高程值對其進行渲染處理，疊加山體陰影，生成具有立體、彩色效果的海陸一體高程渲染圖，以供后續(xù)應用解譯使用。本次制圖對于陸域點云編輯較為粗略，高程圖例最高值選取為統(tǒng)計陸域地表高程最大值。在沿岸選取3處海陸區(qū)域，清晰可見海底地形細節(jié)(圖7)。

(a) 海陸一體地形產(chǎn)品 (b) 海底地形圖7 海陸一體地形產(chǎn)品應用Fig.7 Application of land and sea integrated topographic products

4.2.5 數(shù)據(jù)分析

分別在島的南岸和北岸選取典型地貌特征區(qū)域，分析其在影像和激光水深數(shù)據(jù)上的特點，見圖7中標識A—C區(qū)域。

1)A區(qū)域。A區(qū)域位于南灣港口東側，該處有一大型海蝕柱。從海底地形數(shù)據(jù)上可見其四周為海蝕崖，南部崖腳前緣形成海蝕平臺，平臺較為平坦； 而東部崖腳海蝕平臺堆積有許多崩塌下來的大巖塊。結合影像數(shù)據(jù)可見海蝕柱頂部生長雜草、樹等綠色植物。

2)B區(qū)域。潮間帶附近的巖石在海浪和潮汐的交相侵蝕下遭到破壞，形成呈層分布的海蝕洞穴，當洞穴上部的巖石失去支持后沿垂直節(jié)理斷裂或崩潰下來，便形成陡峭的海蝕崖。B區(qū)域為灣仔一帶，海蝕地貌比較典型，這些海蝕崖高度在20～50 m之間，坡度略陡峭； 得到紅色箭頭處的地形剖面，可以看出，該處的海蝕平臺落差有近20 m，平緩較長一段平臺后，又有一個10 m內(nèi)的小落差。

3)C區(qū)域。C區(qū)域位于島北部，海底地形較為平坦，海底地貌主要有水下岸坡和砂質堆積。其中，水下岸坡呈帶狀環(huán)島分布，坡度較大，海積微地貌景觀清晰可見，從海底地形數(shù)據(jù)紋理信息看底質粒度較粗。

5 結論

本文介紹了機載激光雷達測深系統(tǒng)CZMIL Nova的基本情況和測深原理，結合工程試生產(chǎn)任務，對系統(tǒng)的海陸一體地形測量技術進行了分析闡述，梳理出影響測量質量的關鍵問題，總結出數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及海陸一體地形產(chǎn)品制圖等步驟流程。利用系統(tǒng)獲取的海底地形數(shù)據(jù)，結合一些影像數(shù)據(jù)，可對海底地貌進行有效分析解譯，填補了近岸地區(qū)因“人下不去，船上不來”的數(shù)據(jù)空白，擴展了我國大陸海岸帶及島礁機載激光測深調(diào)查工作的應用領域。

實際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，影響激光測深效果主要因素是水質的清澈度，同時也受底部反射率、飛行穩(wěn)定性、作業(yè)環(huán)境條件等其他因素影響。在工程項目實施前，應綜合考慮這些影響因素，對激光測深潛力進行分析判斷，合理規(guī)劃測深作業(yè)區(qū)域。

本次研究結果對國內(nèi)開展機載激光雷達測深工作規(guī)劃、技術研究和行業(yè)應用具有參考價值。為更加深度挖掘和利用好數(shù)據(jù)，加強研究渾濁水域激光測深效果提升方法和數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化，加大與國內(nèi)相關行業(yè)的合作； 通過國內(nèi)產(chǎn)學研多部門合作，進一步推進國內(nèi)機載激光雷達水深測量技術的應用與推廣。

志謝：在項目研究和本文編寫過程中，得到了張永軍教授的指導和幫助，余學中教授、王建超教授的鼎力支持； 野外飛行隊員于坤、李勇志、張文凱等人的辛苦付出，在此一并表示衷心感謝。