機載LiDAR測量技術在潮間帶測量中的應用

(1.長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136； 2. 長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

我國灘涂面積大、分布集中，人類活動頻繁，是海洋開發利用的寶貴資源。近年來，隨著對海洋資源調查、海洋工程應用、海洋科學研究、海洋環境保護等方面需求不斷增強[1]，對沿海灘涂基礎地理信息的需求也越來越大，已有的資料遠遠不能滿足國民經濟和社會發展的需要，迫切需要精度高和現勢性強的灘涂測繪成果[2]。灘涂地形包括潮上帶、潮間帶和潮下帶三大塊區域。潮上帶是大潮期最高潮位以上的部分，潮水無法到達的地方，高程相對較高，是比較干燥的灘涂，地質堅硬，人能涉足，通常采用陸地測量方法進行測量。潮下帶是指大潮期最低潮位以下的水域，常年沒有機會露出水面，通常采用水下測量的方法進行測量。潮間帶是大潮最高潮位和最低潮位之間的潮浸地帶[3]。

潮間帶區域潮漲、潮落的潮位升降以及潮流往復于灘面，使潮灘出現淹沒和露出水面的交替性變化。由于漲落潮潮差不大，使得高潮位時水深較淺，受吃水限制以及蘆葦、水草、波浪的影響，船只能到達的區域有限；低潮時灘面露出，無論是淤泥灘還是草灘，人員、車輛上灘困難，如果灘上有漲潮溝，人、車安全得不到保障，潮間帶的以上特點，給潮間帶地形測量帶來了極大的挑戰。

為了得到潮間帶地形，國內外測量人員付出了長期努力，然而受技術發展限制，目前的灘涂地形測量仍多采用傳統的地形測量技術。在潮間帶因落潮干出時，可借助全站儀或RTK測量技術開展灘涂地形測量[4]。全站儀或RTK地形測量雖技術成熟，但因灘涂淤泥較多，承載能力差等原因，該類方法的安全性、效率和精度均難以得到保障[5]。潮水上漲灘地被淹沒時，采用吃水較淺的測船搭載GNSS定位系統和測深系統可以進行水下地形測量，但易受到海浪、測船吃水、漁網、水產養殖和其它外界因素的制約，地形測量作業常難以開展[1]。隨著無人船、氣墊船、全地形車等運動平臺研發技術的發展，搭載常規儀器設備上灘開展潮間帶地形測量成為可能。大量研究發現，無人船只能在風浪極小的海況下行進，且活動范圍小；氣墊船一旦出現故障，因灘涂淤泥松軟，施救的安全性得不到保障；全地形車運載不便，且受灘地地形的限制，只能對小范圍空白區進行修補，測量效率較低。無人機航空攝影測量雖可以遙測灘涂，但在開闊灘涂因特征貧瘠致使測量精度難以得到保障、在植被覆蓋區因遮擋難以獲得灘涂地形等不足。

同機載攝影測量一樣，現代機載激光雷達(LiDAR)測量可以遙測灘涂，其激光可穿透植被而獲得灘涂回波信息[7-9]，為灘涂地形測量提供了條件。為此，本文將開展機載LiDAR測量技術在潮間帶測量中的應用研究，解決淤泥質潮間帶“船上不去、人下不來”的測量難題 。

2 機載LiDAR潮間帶測量技術

機載LiDAR測量技術分兩種：一種是由GNSS 定位、慣性導航 (INS)、單一波長在800～1 064 nm之間的紅外激光器(SLR)集成的機載激光掃描系統，在灘涂地形測量中主要用于干出灘地形測量，可以直接獲取目標點的三維信息[7](見圖1)；另一種是機載LiDAR測深系統(Airborne LiDAR Bathymetry，ALB)，ALB測深是一種主動式遙測技術，激光器同時輸出1 064 nm和532 nm雙波長激光，1 064 nm激光形成地表和海表的回波，532 nm藍綠激光穿透海水形成海底的回波[9]，利用海面與海底反射激光到達接收器的時間差，加以系統校準、姿態改正、折射改正、潮位改正，計算出海底地形三維坐標[1]。

圖1 機載LiDAR潮間帶測量技術構成Fig.1 Composition of airborne LiDAR measurementtechnology in the intertidal zone

機載LiDAR 測量技術完全不同于攝影測量對地定位理論，是真正意義上的目標定位測量。通過GPS定位、INS測姿和SLR測距，直接獲取目標三維信息，其高程測量精度可達0.15 m，滿足《海道測量規范》要求[6]。機載LiDAR在沿海灘涂上測量無需布設控制網，受天氣、太陽高度角和陰影的影響小，尤其是以無人機為平臺的激光測量技術，大大提高了作業效率，減小了外業測量強度，安全系數高[8]。機載LiDAR測量技術集成了常規測量技術的優點，同時具備攝影測量的效率和人工實地測量的精度[7]。機載LiDAR 測深技術通過紅外激光獲得陸地及水面高程，藍綠激光探測水底，形成海陸一體化雙頻探測，實現水上水下地形無縫拼接[10]。

2.1 機載紅外激光測量技術

2.1.1 測量原理

機載激光掃描系統集成了GPS、INS 和SLR，利用飛行器作為平臺，獲取地面點三維坐標，快速生成DEM。當空間一個向量的向徑為S，方向為(α，β，γ) ，測定起點坐標O(X0，Y0，Z0)，此點到待定點P的矢量可以測出，該向量的另一端點Pi(Xi，Yi，Zi)的坐標可以根據已知點加矢量確定下來，如圖2所示。而當S，α，β，γ，X0，Y0，Z0存在一定誤差時，P點的位置也會在一個誤差橢球內變化。

圖2 機載激光掃描測量原理示意Fig.2 Schematic diagram of airborne laser scanningmeasurement principle

機載激光掃描系統利用激光掃描測距儀SLR按固定間隔向地面發射激光脈沖，測得地面點到投影中心的距離S；利用GNSS精確獲取飛機平臺位置，即投影中心的坐標(X0，Y0，Z0)；再利用高精度的姿態測量裝置INS獲取投影中心處主光軸俯仰角α、側滾角β、偏航角γ姿態數據(α，β，γ)，觀測方向與平臺法線間角度φ由姿態數據與φ組成的矢量矩陣算出，X0，Y0，Z0，α，β，γ，S，φ都已知，則待定點Pi的坐標(Xi，Yi，Zi)可以確定：

據此獲取每個激光掃描點的三維坐標，生成高精度數字DEM[7]。

2.1.2 在潮間帶地形測量中的應用

2010年浙江省第二測繪院利用機載LiDAR測量技術完成了約2 000 km21∶10 000比例尺省內灘涂海岸地形測量[6]；東營沿海灘涂應用機載LiDAR測量技術進行1∶10 000比例尺地形測量，獲得平面誤差在±1 m范圍內DOM和高程精度在±0.25 m范圍內的DEM[9]；2013年底至2014 年初江蘇省金威測繪公司用機載LiDAR組織實施了江蘇灘涂1∶10 000地形圖測量，制作了DEM、DOM、DLG 等標準測繪產品[11]。國內應用證明，機載LiDAR測量技術穩定、應用成熟[7]，對灘涂地形圖測繪優勢明顯。

2.1.3 無人機激光雷達測量技術

無人機激光雷達技術測量潮間帶非常便利，但在實際作業中，設備會受到各種方面的影響，除GNSS信號失鎖、慣性導航數據校準沒有校準完畢等操作上和粗差上的問題之外，由于激光雷達設備本身的數據獲取與處理特性會出現激光雷達掃寬受地表地質類型影像、植被覆蓋區激光雷達回波判讀、激光雷達數據水面數據判讀、激光雷達數據的密度抽稀、數據可視化發布等問題。在進行海灘水面與灘涂連接處數據判讀時，這就需要結合現場數據與表面判讀來確定泥灘數據或水面數據。對植被覆蓋地區特別是地表存在多層植被數據且一部分伏地植被時，地表的數據較難進行分辨，在進行數據處理時，需要結合現場情況合適使用斷面工具并使用正確的斷面寬度進行數據分析與分類。例如航帶間隔為70 m，激光雷達設計掃寬為110 m，但實地測量在水分覆蓋較大區域，實際掃寬約為40～70 m，對于不同灘涂類型使用不同寬度的航帶布設以保證數據校準準確性與數據密度。紅外激光只能測露出水面的干出灘，受潮漲潮落、潮大潮小的影響，要完整地測出潮間帶特別是大潮低潮位才能露出的灘地必須要等待，而且有效時間很短，有一種不用候潮的雙色激光測深系統能解決潮間帶測量問題。

表1 測深儀與機載激光雷達測量結果比較Tab.1 Comparison of measurement results betweendepth sounder and airborne lidar m

2.2 機載LiDAR測深技術

2.2.1 測深原理

雙色激光ALB系統利用搭載在飛機上的激光發射器經掃描反射鏡斜向海面以掃描測量的方式發射紅外光和藍綠光兩種不同波長的激光脈沖。波長為1 064 nm的紅外光因不宜穿透海水而探測到水面后就回波，波長為532 nm的藍綠光穿透海水時衰減最小，穿透性強而且方向性好到達海底，并被海底沿入射路徑反射，最終被光學接收系統接收[10]。紅外光和藍綠光反射和返回的時間差結合藍綠激光的入射角度、海水折射率等因素即可計算出測量點的瞬時水深值。再與定位信息、飛行姿態、潮汐數據等解算出測量點在地理坐標系下的位置和基于深度基準面的水深值[13]。如圖3所示，藍綠光入射角為φ，海水對藍綠光的折射率k水和藍綠光在空氣中的折射率k空氣，即可得出折射角δ：

(1)

再根據接收紅外光與藍綠光的時間差Δt和光在空氣中的傳播速度c，求取的水深值D：

(2)

圖3 機載激光測深原理示意Fig.3 Schematic diagram of airborne laser sounding principle

2.2.2 我國機載LiDAR測深的發展和應用

機載雙頻激光雷達探測技術利用雙波長激光實現海陸一體化測繪，從1969年至今，國際上已經形成了成熟的商業產品，應用于海洋、島礁、海岸帶的探測。從1998年開始，中國科學院上海光學精密機械研究牽頭開發機載海洋測深系統(1 064 nm和532 nm雙波長);2002年，第一代機載雙頻激光雷達(LADM-Ⅰ)研制成功;2004年，第二代機載雙頻激光雷達(LADM-Ⅱ)研制成功;2015年，新的機載雙頻激光雷達工程樣機(Mapper5000-S)研制成功，該系統在南海完成了3個架次的機載飛行試驗，獲得了海陸一體化的三維地形數據;2017年，成功進行升級改造，完成了Mapper5000的產品定型。2017年9月Mapper5000系統在南海開展了11個架次的樣機測試機載飛行試驗，獲得南海島礁的三維地形數據，陸地測點密度為0.25 m×0.25 m，海洋測點密度為1.1 m×0.1 m，最淺水深達到0.25 m，最大深度達到51 m，水平位置精度為0.26 m，測深精度為0.23 m(統計水深范圍為7～45 m)[14]。

ALB系統的測深能力主要受到水體渾濁度的影響，通常情況下，海水越清澈，渾濁度越小，激光就更容易穿透海水，有效測深值則越大，2014年12月江蘇省測繪工程院用CZMIL ( Coastal ZoneMapping and Imaging LiDAR) 系統在較為渾濁的江蘇省駱馬湖進行了測深試驗。結果表明在高漫衰減系數、低底部反射率的情況下，CZMIL 系統成功探測到湖底數據，成果精度達到了CZMIL 系統標稱的測深精度指標[13]。2012年底和2013年8月，國家海洋局第一海洋研究所在南海某島海域分別采用optech公司的Aquarius系統和AHAB公司的Hawk EyeⅡ系統進行了機載測量實驗，采集了水深和地形數據，實現陸地和海底的無縫測量[10]，該系統彌補了聲吶測深系統和地形雷達測量在海岸帶作業的不足。

3 結 語

機載雙頻激光雷達探測技術作為一個高效率、低費用、機動性強的海陸一體化探測技術，已經成為灘涂、淺水水深測量的有效手段之一，將在我國海洋開發、海岸帶測繪和環境保護等領域發揮越來越大的作用。同時也存在著一些現實問題，機載LiDAR 航飛空域審批困難，隨著技術的進步，激光測深系統越來越小型化，將來用無人機搭載激光測深系統測量成為可能；由于激光無法穿透密集植被的缺點，可以選擇在冬季植被落葉和收割結束后進行觀測；激光波形處理困難，能否有效識別海表和海底的回波信號，正確分離近岸淺水回波中海表回波和海底回波是最小測深能力的體現。在回波探測與信號的提取方面仍有較大的提升空間。總而言之，隨著未來我國海洋開發戰略的實施和對海洋保護意識的提高，機載激光測深及其關鍵技術的研究必將受到更為廣泛的關注。