機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)在潮間帶測(cè)量中的應(yīng)用

(1.長江水利委員會(huì)水文局 長江口水文水資源勘測(cè)局，上海 200136； 2. 長江水利委員會(huì) 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(dòng)頻繁，是海洋開發(fā)利用的寶貴資源。近年來，隨著對(duì)海洋資源調(diào)查、海洋工程應(yīng)用、海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境保護(hù)等方面需求不斷增強(qiáng)[1]，對(duì)沿海灘涂基礎(chǔ)地理信息的需求也越來越大，已有的資料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，迫切需要精度高和現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的灘涂測(cè)繪成果[2]。灘涂地形包括潮上帶、潮間帶和潮下帶三大塊區(qū)域。潮上帶是大潮期最高潮位以上的部分，潮水無法到達(dá)的地方，高程相對(duì)較高，是比較干燥的灘涂，地質(zhì)堅(jiān)硬，人能涉足，通常采用陸地測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。潮下帶是指大潮期最低潮位以下的水域，常年沒有機(jī)會(huì)露出水面，通常采用水下測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)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(qū)域潮漲、潮落的潮位升降以及潮流往復(fù)于灘面，使潮灘出現(xiàn)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(shí)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(dá)的區(qū)域有限；低潮時(shí)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(diǎn)，給潮間帶地形測(cè)量帶來了極大的挑戰(zhàn)。

為了得到潮間帶地形，國內(nèi)外測(cè)量人員付出了長期努力，然而受技術(shù)發(fā)展限制，目前的灘涂地形測(cè)量仍多采用傳統(tǒng)的地形測(cè)量技術(shù)。在潮間帶因落潮干出時(shí)，可借助全站儀或RTK測(cè)量技術(shù)開展灘涂地形測(cè)量[4]。全站儀或RTK地形測(cè)量雖技術(shù)成熟，但因?yàn)┩坑倌噍^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(shí)，采用吃水較淺的測(cè)船搭載GNSS定位系統(tǒng)和測(cè)深系統(tǒng)可以進(jìn)行水下地形測(cè)量，但易受到海浪、測(cè)船吃水、漁網(wǎng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和其它外界因素的制約，地形測(cè)量作業(yè)常難以開展[1]。隨著無人船、氣墊船、全地形車等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，搭載常規(guī)儀器設(shè)備上灘開展潮間帶地形測(cè)量成為可能。大量研究發(fā)現(xiàn)，無人船只能在風(fēng)浪極小的海況下行進(jìn)，且活動(dòng)范圍小；氣墊船一旦出現(xiàn)故障，因?yàn)┩坑倌嗨绍洠┚鹊陌踩缘貌坏奖Ｕ希蝗匦诬囘\(yùn)載不便，且受灘地地形的限制，只能對(duì)小范圍空白區(qū)進(jìn)行修補(bǔ)，測(cè)量效率較低。無人機(jī)航空攝影測(cè)量雖可以遙測(cè)灘涂，但在開闊灘涂因特征貧瘠致使測(cè)量精度難以得到保障、在植被覆蓋區(qū)因遮擋難以獲得灘涂地形等不足。

同機(jī)載攝影測(cè)量一樣，現(xiàn)代機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)測(cè)量可以遙測(cè)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(cè)量提供了條件。為此，本文將開展機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)在潮間帶測(cè)量中的應(yīng)用研究，解決淤泥質(zhì)潮間帶“船上不去、人下不來”的測(cè)量難題 。

2 機(jī)載LiDAR潮間帶測(cè)量技術(shù)

機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)分兩種：一種是由GNSS 定位、慣性導(dǎo)航 (INS)、單一波長在800～1 064 nm之間的紅外激光器(SLR)集成的機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，在灘涂地形測(cè)量中主要用于干出灘地形測(cè)量，可以直接獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維信息[7](見圖1)；另一種是機(jī)載LiDAR測(cè)深系統(tǒng)(Airborne LiDAR Bathymetry，ALB)，ALB測(cè)深是一種主動(dòng)式遙測(cè)技術(shù)，激光器同時(shí)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(lán)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(dá)接收器的時(shí)間差，加以系統(tǒng)校準(zhǔn)、姿態(tài)改正、折射改正、潮位改正，計(jì)算出海底地形三維坐標(biāo)[1]。

圖1 機(jī)載LiDAR潮間帶測(cè)量技術(shù)構(gòu)成Fig.1 Composition of airborne LiDAR measurementtechnology in the intertidal zone

機(jī)載LiDAR 測(cè)量技術(shù)完全不同于攝影測(cè)量對(duì)地定位理論，是真正意義上的目標(biāo)定位測(cè)量。通過GPS定位、INS測(cè)姿和SLR測(cè)距，直接獲取目標(biāo)三維信息，其高程測(cè)量精度可達(dá)0.15 m，滿足《海道測(cè)量規(guī)范》要求[6]。機(jī)載LiDAR在沿海灘涂上測(cè)量無需布設(shè)控制網(wǎng)，受天氣、太陽高度角和陰影的影響小，尤其是以無人機(jī)為平臺(tái)的激光測(cè)量技術(shù)，大大提高了作業(yè)效率，減小了外業(yè)測(cè)量強(qiáng)度，安全系數(shù)高[8]。機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)集成了常規(guī)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備攝影測(cè)量的效率和人工實(shí)地測(cè)量的精度[7]。機(jī)載LiDAR 測(cè)深技術(shù)通過紅外激光獲得陸地及水面高程，藍(lán)綠激光探測(cè)水底，形成海陸一體化雙頻探測(cè)，實(shí)現(xiàn)水上水下地形無縫拼接[10]。

2.1 機(jī)載紅外激光測(cè)量技術(shù)

2.1.1 測(cè)量原理

機(jī)載激光掃描系統(tǒng)集成了GPS、INS 和SLR，利用飛行器作為平臺(tái)，獲取地面點(diǎn)三維坐標(biāo)，快速生成DEM。當(dāng)空間一個(gè)向量的向徑為S，方向?yàn)?α，β，γ) ，測(cè)定起點(diǎn)坐標(biāo)O(X0，Y0，Z0)，此點(diǎn)到待定點(diǎn)P的矢量可以測(cè)出，該向量的另一端點(diǎn)Pi(Xi，Yi，Zi)的坐標(biāo)可以根據(jù)已知點(diǎn)加矢量確定下來，如圖2所示。而當(dāng)S，α，β，γ，X0，Y0，Z0存在一定誤差時(shí)，P點(diǎn)的位置也會(huì)在一個(gè)誤差橢球內(nèi)變化。

圖2 機(jī)載激光掃描測(cè)量原理示意Fig.2 Schematic diagram of airborne laser scanningmeasurement principle

機(jī)載激光掃描系統(tǒng)利用激光掃描測(cè)距儀SLR按固定間隔向地面發(fā)射激光脈沖，測(cè)得地面點(diǎn)到投影中心的距離S；利用GNSS精確獲取飛機(jī)平臺(tái)位置，即投影中心的坐標(biāo)(X0，Y0，Z0)；再利用高精度的姿態(tài)測(cè)量裝置INS獲取投影中心處主光軸俯仰角α、側(cè)滾角β、偏航角γ姿態(tài)數(shù)據(jù)(α，β，γ)，觀測(cè)方向與平臺(tái)法線間角度φ由姿態(tài)數(shù)據(jù)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(diǎn)Pi的坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)可以確定：

據(jù)此獲取每個(gè)激光掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，生成高精度數(shù)字DEM[7]。

2.1.2 在潮間帶地形測(cè)量中的應(yīng)用

2010年浙江省第二測(cè)繪院利用機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)完成了約2 000 km21∶10 000比例尺省內(nèi)灘涂海岸地形測(cè)量[6]；東營沿海灘涂應(yīng)用機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)進(jìn)行1∶10 000比例尺地形測(cè)量，獲得平面誤差在±1 m范圍內(nèi)DOM和高程精度在±0.25 m范圍內(nèi)的DEM[9]；2013年底至2014 年初江蘇省金威測(cè)繪公司用機(jī)載LiDAR組織實(shí)施了江蘇灘涂1∶10 000地形圖測(cè)量，制作了DEM、DOM、DLG 等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)繪產(chǎn)品[11]。國內(nèi)應(yīng)用證明，機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)穩(wěn)定、應(yīng)用成熟[7]，對(duì)灘涂地形圖測(cè)繪優(yōu)勢(shì)明顯。

2.1.3 無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)

無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)測(cè)量潮間帶非常便利，但在實(shí)際作業(yè)中，設(shè)備會(huì)受到各種方面的影響，除GNSS信號(hào)失鎖、慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)校準(zhǔn)沒有校準(zhǔn)完畢等操作上和粗差上的問題之外，由于激光雷達(dá)設(shè)備本身的數(shù)據(jù)獲取與處理特性會(huì)出現(xiàn)激光雷達(dá)掃寬受地表地質(zhì)類型影像、植被覆蓋區(qū)激光雷達(dá)回波判讀、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)水面數(shù)據(jù)判讀、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的密度抽稀、數(shù)據(jù)可視化發(fā)布等問題。在進(jìn)行海灘水面與灘涂連接處數(shù)據(jù)判讀時(shí)，這就需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與表面判讀來確定泥灘數(shù)據(jù)或水面數(shù)據(jù)。對(duì)植被覆蓋地區(qū)特別是地表存在多層植被數(shù)據(jù)且一部分伏地植被時(shí)，地表的數(shù)據(jù)較難進(jìn)行分辨，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況合適使用斷面工具并使用正確的斷面寬度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與分類。例如航帶間隔為70 m，激光雷達(dá)設(shè)計(jì)掃寬為110 m，但實(shí)地測(cè)量在水分覆蓋較大區(qū)域，實(shí)際掃寬約為40～70 m，對(duì)于不同灘涂類型使用不同寬度的航帶布設(shè)以保證數(shù)據(jù)校準(zhǔn)準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)密度。紅外激光只能測(cè)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(cè)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(shí)間很短，有一種不用候潮的雙色激光測(cè)深系統(tǒng)能解決潮間帶測(cè)量問題。

表1 測(cè)深儀與機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果比較Tab.1 Comparison of measurement results betweendepth sounder and airborne lidar m

2.2 機(jī)載LiDAR測(cè)深技術(shù)

2.2.1 測(cè)深原理

雙色激光ALB系統(tǒng)利用搭載在飛機(jī)上的激光發(fā)射器經(jīng)掃描反射鏡斜向海面以掃描測(cè)量的方式發(fā)射紅外光和藍(lán)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(cè)到水面后就回波，波長為532 nm的藍(lán)綠光穿透海水時(shí)衰減最小，穿透性強(qiáng)而且方向性好到達(dá)海底，并被海底沿入射路徑反射，最終被光學(xué)接收系統(tǒng)接收[10]。紅外光和藍(lán)綠光反射和返回的時(shí)間差結(jié)合藍(lán)綠激光的入射角度、海水折射率等因素即可計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的瞬時(shí)水深值。再與定位信息、飛行姿態(tài)、潮汐數(shù)據(jù)等解算出測(cè)量點(diǎn)在地理坐標(biāo)系下的位置和基于深度基準(zhǔn)面的水深值[13]。如圖3所示，藍(lán)綠光入射角為φ，海水對(duì)藍(lán)綠光的折射率k水和藍(lán)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(jù)接收紅外光與藍(lán)綠光的時(shí)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(jī)載激光測(cè)深原理示意Fig.3 Schematic diagram of airborne laser sounding principle

2.2.2 我國機(jī)載LiDAR測(cè)深的發(fā)展和應(yīng)用

機(jī)載雙頻激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)利用雙波長激光實(shí)現(xiàn)海陸一體化測(cè)繪，從1969年至今，國際上已經(jīng)形成了成熟的商業(yè)產(chǎn)品，應(yīng)用于海洋、島礁、海岸帶的探測(cè)。從1998年開始，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究牽頭開發(fā)機(jī)載海洋測(cè)深系統(tǒng)(1 064 nm和532 nm雙波長);2002年，第一代機(jī)載雙頻激光雷達(dá)(LADM-Ⅰ)研制成功;2004年，第二代機(jī)載雙頻激光雷達(dá)(LADM-Ⅱ)研制成功;2015年，新的機(jī)載雙頻激光雷達(dá)工程樣機(jī)(Mapper5000-S)研制成功，該系統(tǒng)在南海完成了3個(gè)架次的機(jī)載飛行試驗(yàn)，獲得了海陸一體化的三維地形數(shù)據(jù);2017年，成功進(jìn)行升級(jí)改造，完成了Mapper5000的產(chǎn)品定型。2017年9月Mapper5000系統(tǒng)在南海開展了11個(gè)架次的樣機(jī)測(cè)試機(jī)載飛行試驗(yàn)，獲得南海島礁的三維地形數(shù)據(jù)，陸地測(cè)點(diǎn)密度為0.25 m×0.25 m，海洋測(cè)點(diǎn)密度為1.1 m×0.1 m，最淺水深達(dá)到0.25 m，最大深度達(dá)到51 m，水平位置精度為0.26 m，測(cè)深精度為0.23 m(統(tǒng)計(jì)水深范圍為7～45 m)[14]。

ALB系統(tǒng)的測(cè)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(cè)深值則越大，2014年12月江蘇省測(cè)繪工程院用CZMIL ( Coastal ZoneMapping and Imaging LiDAR) 系統(tǒng)在較為渾濁的江蘇省駱馬湖進(jìn)行了測(cè)深試驗(yàn)。結(jié)果表明在高漫衰減系數(shù)、低底部反射率的情況下，CZMIL 系統(tǒng)成功探測(cè)到湖底數(shù)據(jù)，成果精度達(dá)到了CZMIL 系統(tǒng)標(biāo)稱的測(cè)深精度指標(biāo)[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(tǒng)和AHAB公司的Hawk EyeⅡ系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)載測(cè)量實(shí)驗(yàn)，采集了水深和地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)陸地和海底的無縫測(cè)量[10]，該系統(tǒng)彌補(bǔ)了聲吶測(cè)深系統(tǒng)和地形雷達(dá)測(cè)量在海岸帶作業(yè)的不足。

3 結(jié) 語

機(jī)載雙頻激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)作為一個(gè)高效率、低費(fèi)用、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的海陸一體化探測(cè)技術(shù)，已經(jīng)成為灘涂、淺水水深測(cè)量的有效手段之一，將在我國海洋開發(fā)、海岸帶測(cè)繪和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。同時(shí)也存在著一些現(xiàn)實(shí)問題，機(jī)載LiDAR 航飛空域?qū)徟щy，隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光測(cè)深系統(tǒng)越來越小型化，將來用無人機(jī)搭載激光測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量成為可能；由于激光無法穿透密集植被的缺點(diǎn)，可以選擇在冬季植被落葉和收割結(jié)束后進(jìn)行觀測(cè)；激光波形處理困難，能否有效識(shí)別海表和海底的回波信號(hào)，正確分離近岸淺水回波中海表回波和海底回波是最小測(cè)深能力的體現(xiàn)。在回波探測(cè)與信號(hào)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(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和對(duì)海洋保護(hù)意識(shí)的提高，機(jī)載激光測(cè)深及其關(guān)鍵技術(shù)的研究必將受到更為廣泛的關(guān)注。