海洋測繪中激光測深的實際應用與精度研究

吳依國

【摘 要】激光測探技術具有測量速度快，覆蓋率高，時空分辨率高的優勢，因此，該技術在海洋測繪中得到了廣泛應用。其可以在短時間內測量很大面積的海域。激光技術可以進行海洋深度的測量，對水下地形進行測繪，對深海進行成像等。論文就這些方面進行了分析，希望給有關人士一些借鑒。

【Abstract】Laser detection technology has the advantages of fast measurement， high coverage and high temporal and spatial resolution. Therefore， it has been widely used in marine surveying and mapping. It can measure a large area of the sea in a short time. Laser technology can measure the depth of the ocean， mapping underwater topography， imaging the deep sea， and so on. The thesis analyzes these aspects and hopes to give some reference to those concerned.

【關鍵詞】海洋測繪；激光測深；測量精度

【Keywords】 marine mapping； laser sounding； measurement accuracy

【中圖分類號】P75 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0185-02

1 引言

海洋是人類賴以生存的基礎，為了更好地開發海洋，對海洋進行測繪非常重要。對于傳統的測繪技術而言，應用中工作人員工作量較大，涉及較多的外業操作，對于自然環境惡劣的地區很難實施策略，即使進行測量也需要測量人員冒很大的風險，而且測量效率和測量精度也會受到影響，針對這一情況就需要應用激光測深技術，下面就對其進行深入分析。

2 海洋測繪中激光測深的工作原理分析

在測繪時使用激光技術，根據測量目標不同可以分為軟目標測量和硬目標測量。軟目標包括海洋表面的風、溫壓等，硬目標包括海底地形地貌等。進行硬目標測量過程中，相應的傳感器會發射激光脈沖，可以穿透樹林間隙和障礙物，得到精度較高的三維地形數據，利用配套的軟件進行處理，就可以得到精度很高的等高線圖、DEM等，這一測量方法得到的數據主要包括三方面：第一點，可以得到激光束豎向值和水平方向值；第二點根據激光束傳播時間，得到被掃描點的儀器距離，上述這兩個數據可以計算出掃描點的三維坐標值，其反射強度用于顏色匹配，通過計算激光測量反射回來的時間，就可以計算出儀器和點間的距離。進行軟目標測量時，激光可以在海洋大氣中傳播，在激光的照射之下，會出現很多種散射，由于其波長比較短，海面中的氣體分子、氣溶膠粒子、塵埃、霧、雨對激光具有很強的吸收能力和散射能力，導致信號較弱，探測器可以把光信號變為電信號，再將其進行放大，進行采樣和累加處理，再經過連續測量，對回波信號進行反演處理，就可以得到相關要素[1]。

3 海洋測繪中激光測深的實際應用分析

3.1 分析激光雷達測深技術的應用

在進行海洋測試中經常使用機載激光測深系統，觀測平臺是飛機，使用的傳感器是激光掃描測距系統，可以得到地面三維空間的信息，除此之外，還可以探測一些水下的目標，能夠有效監測海洋的污染情況。這一系統構成并不復雜，主要有GPS系統、慣性導航系統，還有動態差分GPS接收機，可以確定激光信號發射參考點位置，還可以對主光軸姿態參數進行測定，對于激光測距儀而言，可以準確測量出參考點和地面激光腳點的距離。對于機載激光探測系統而言，經常在近海水深進行測量，或者進行海底地貌的測量，這一系統優勢明顯，其測量覆蓋率高[2]。

3.2 分析測量海水表面大氣的應用

在測量中主要用到主光軸姿態參數，其能夠測量氣溶膠、云、海表面風場等，在具體應用過程中，測量信號時通過多普勒頻移，就可以有效計算激光返回波的信息，通過云形式來展現測量對象的表面特點，在具體測量中，儀器自身會發射激光束，光線直接照射到旋轉式的鏡頭中心，之后鏡頭會快速連續地旋轉，測量目標會被這些激光束掃射，當光線照射到物體上后，激光束就會重新反射到掃描儀上，然后系統內部的計算機對其進行準確的計算，最終得到掃描儀和激光斑之間的距離。除此之外，該技術還可以準確、快速測量海面大氣的風切變、大氣湍流等，分析其是否會影響航海安全，可以為商業、軍事船只進行導航。當前結合實際需要，國外企業已經研制出了小型可移式多普勒激光雷達，在海上復雜的環境中發揮著非常重要的作用。

3.3 分析在水下應用的激光成像技術

對于水下機器人、潛艇而言，在水下觀察十分有必要，在使用激光技術進行探測的過程中，主要利用激光的一些特點，將其和一些具有特殊功能的光電器件進行結合，在最大程度上抑制海水對光線的吸收和散射作用，這樣就可以得到最好的水下圖像，而且測量精度高。實際使用過程中，能夠有效對水下機器人進行控制，調整其在水下的移動路線，使用平面激光掃描相應的目標，利用CCD攝像機就可以得到全面的激光平面，利用激光器發射出激光束，在不同距離發射后，激光到達探測器的時間也不同。具體實踐應用時，探測器成像時，要先進行快門選通，保持一定距離的反射光，就可以被探測器接收到，在此基礎上，構建各個坐標系之間的轉換關系，可以確定亮條紋上各個點的三維坐標值，進而得到目標深度圖，其可以提供灰度圖像不能提供的三維信息，可以進行海底局部數字地圖的繪制[3]。

3.4 分析使用激光技術繪制海岸帶endprint

我國的海岸線環境非常復雜，實際勘察時條件也比較困難，將會影響勘察效果，當前的陸地測量儀器、船載測量儀器不能有效發揮其作用，實際操作時很多工作都要在野外進行，具有很高的危險性，針對這一情況，在這一領域應用了移動激光掃描測量系統，這種設備外形比較輕巧，而且掃描頻率很高，具有很遠的掃描距離，針對海岸線比較復雜，測量環境比較困難的區域可以有效進行測量，得到準確的數據信息，除此之外，其能夠解決傳統海岸線測繪中經常出現的岸線難以分辨的問題，保證測繪的精度。通過實際應用得知，這一激光掃描技術可以有效解決測繪人員登島困難的問題，可以對沒有明顯地物特點的區域進行測量，因此受到廣大技術人員的青睞。

3.5 分析在監測海面油污的應用情況

進行油污監測時需要使用油污監測系統，該技術具有準確性、實時性、高效性和主動性的特點，在測量過程中，油污中的化合物受到激光激發之后，系統可以甄別熒光數據，進而得到油污的具體數據，包括油污的面積、體量、類型等，及時進行油污預警，這樣在出現海洋油污之初，就可以及時通知相關治理部門，提升了工作效率，降低了海洋油污的發生。

4 海洋測繪中激光測深精度研究

具體測量過程中，通過高速數字化儀就可以對水中的激光回波信號進行采樣，之后結合波形情況準確判斷海底、水表的時間位置，計算水深時利用二者的時間差就可以得到，由此可見，計算水中斜距情況時，也由海底到海面時間差的精度決定。通常情況下，水中斜距的測量誤差和使用實際算法有直接關系，一般當確定飛行時間間隔Δt后，還需要確定海底和海表中的某一點是否為峰值。因此為了保證測量精度，要先確定海表的時間，海表波形具有最小的上升時間，所以測量精度較高，但是對于海底回波脈沖寬度而言，主要由激光脈沖在水中展開的情況決定，對于激光脈沖而言，其展寬和接收視場角、掃描天頂角、海水參數有直接的關系。結合相關測量人員的估計在掃描天頂角15°到 20°范圍中，散射深度小于6時，在傳播過程中導致深度偏差在5 cm以下，因此技術人員清楚這些原理之后，就可以有效進行糾正。除此之外，海水折射率估計出現偏差，也會導致測量精度偏差問題，因此要做好海面波高的斜率譜分布的分析，例如當海面風速在10m/s到12m/s時，技術人員沒有進行波浪校準，在海浪斜率的影響下，就會導致測量深度出現誤差，一般深度誤差是水深的1%～2%，但是糾正海浪之后，所存在的誤差就非常小，幾乎可以忽略不計。

5 結語

通過以上對海洋測繪中激光測深的實際應用與精度分析，發現激光測繪在海洋方面的應用具有先天優勢，其測量速度快，測量面積廣，而且測深精度高，可以進行海底地形圖的繪制，還可以進行海岸線的測繪。為了保證測量的精度，必須考慮相關影響因素，在測量中有效約束變量，避免其對測量深度造成影響。在以后的發展中，該技術還會進一步提升，優化測量中存在的不足，進一步減小系統的體積、重量以及能源耗費。

【參考文獻】

【1】胡志強. 激光測深在海洋測繪中應用及精度分析[J]. 工程技術（引文版），2016（5）：00276-00276.

【2】翟國君， 黃謨濤， 歐陽永忠，等. 機載激光測深系統研制中的關鍵技術[J].海洋測繪， 2014， 34（3）：73-76.endprint