引言

我國擁有300多萬平方千米的遼闊海域，大陸岸線長達(dá)18000多千米，島嶼岸線長達(dá)14000多千米。水深在50m以內(nèi)的海域面積達(dá)50萬平方千米，這些海域是軍民兼用最重要的海區(qū)。到目前為止，我國東海、南海海域仍有大面積海域的海島礁情況不清楚，影響我國對相關(guān)海洋權(quán)益的保護(hù)，造成大量的海洋資源流失。海洋測繪是一切海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)與國防活動的基礎(chǔ)，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(wù)之一。

激光雷達(dá)掃描技術(shù)又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，是20世紀(jì)90年代初開始出現(xiàn)的一項高新技術(shù)，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(shù)領(lǐng)域的新突破。該技術(shù)以激光主動探測為工具，獲取被探測物體的三維坐標(biāo)信息，采集到的數(shù)據(jù)直接存儲為三維坐標(biāo)，為后期各行業(yè)應(yīng)用提供高精度的數(shù)據(jù)源。機載雙頻激光雷達(dá)以飛機為搭載平臺，使測繪效能有了極大的提高。通過結(jié)合GPS技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)，機載雙頻激光雷達(dá)可以直接測繪出地形、地貌的三維數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)簡單處理即可生成高精度的地形圖、數(shù)字地面模型(DTM)和數(shù)字高程模型(DEM)。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以直接與其他要素或影像數(shù)據(jù)合成，生成內(nèi)容更為豐富的各類專題地圖。

機載雙頻激光雷達(dá)是集激光測距技術(shù)、GPS定位技術(shù)、飛機姿態(tài)測量技術(shù)、航空攝影、高速數(shù)字信號處理技術(shù)等多種高新技術(shù)于一體的新型主動機載激光測繪、偵查系統(tǒng)，其主要應(yīng)用于航道、海灘和海岸線、淺海編圖、暗礁深度、海島、島礁、水下障礙物的快速調(diào)查，是海陸交界區(qū)域水陸一體化快速測繪的重要技術(shù)手段。

機載激光測深特點

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機載激光測深發(fā)展歷程

機載激光掃描技術(shù)的發(fā)展，源自1970年美國航空航天局(NASA)的研發(fā)。全球定位系統(tǒng)(GPS)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的發(fā)展，使精確、實時定位定姿成為可能。到20世紀(jì)80年代末，以機載激光雷達(dá)測高技術(shù)為代表的空間對地觀測技術(shù)在多等級三維空間信息的實時獲取方面產(chǎn)生了重大突破，激光雷達(dá)探測得到了迅速發(fā)展。到20世紀(jì)90年代中后期，世界各發(fā)達(dá)國家的機載雙頻激光雷達(dá)產(chǎn)品在參數(shù)指標(biāo)上已經(jīng)逐漸趨于完善，并已將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于建設(shè)工程和測繪工程(國土/海域勘測、地表地貌三維測量)等多個領(lǐng)域。到90年代末，三維激光雷達(dá)產(chǎn)品已經(jīng)形成了頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。

目前，世界上較著名的測深能力達(dá)到50m的深水型機載激光測深系統(tǒng)有加拿大Optech公司的CZMIL系列、瑞士Leica公司的HawkEye系列和澳大利亞Fugro公司的LADS系列產(chǎn)品，其中，Optech公司的CZMIL系列及早期型號SHOALS系列市場占有率最高，僅美國、加拿大、日本等3個國家海洋調(diào)查部門采購超過15套，該公司同時承接海岸帶工程測量項目，最新型號是CZMILNova2；Leica公司的HawkEye系列產(chǎn)品主要市場在歐洲，其他地區(qū)未見銷售記錄，最新型號是HawkEyeIII；澳大利亞Fugro公司的LADS系列產(chǎn)品未見銷售記錄，該公司以承接海岸帶工程測量項目為主，截止到2015年，完成的水深測量項目超過50項，作業(yè)區(qū)域遍布全球，最新型號是LADSHD。技術(shù)指標(biāo)方面，三型設(shè)備基本差不多，但LADS系統(tǒng)深水測量頻率明顯偏低，詳細(xì)指標(biāo)見表1。

表1 CZMIL、HawkEyeⅢ及LADSMKⅢ主要技術(shù)指標(biāo)對比

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機載激光測深系統(tǒng)的特點

機載激光測深系統(tǒng)的基本工作原理是激光器向海面同時發(fā)射532nm波長的藍(lán)綠光束和1064nm波長的紅外光束，藍(lán)綠光穿透水體，到達(dá)海底反射，紅外光不能穿透海水，被海面反射，通過記錄兩束激光發(fā)射接收的時間差，分別計算激光發(fā)射中心到海面高度和到海底高度，然后進(jìn)一步計算出水深。因激光對海水的穿透能力限制及飛機平臺的特點，機載激光測深與傳統(tǒng)的船載多波束測深比較，具有如下特點：

⑴作業(yè)效率高。一是飛機作業(yè)速度快，一般為140～175kn，而測量船作業(yè)速度僅有8～10kn；二是航帶覆蓋寬度大，機載激光雷達(dá)的航帶寬度為航高的0.7倍，按照400m航高的典型值計算航帶寬度為280m，船載多波束條帶覆蓋寬度為水深的3～5倍，淺水水域一般約100m；三是可實現(xiàn)陸海一體化測繪，實現(xiàn)水深和陸地地形的無縫拼接；四是測繪產(chǎn)品豐富，新型激光測深系統(tǒng)，既可獲取陸海二維三維基礎(chǔ)地形信息，也可通過加裝高光譜相機和航空攝影相機，同步獲取高光譜影像和航空影像信息，進(jìn)而制作海陸分界圖、海水葉綠素濃度圖、海水含沙量分布圖、海底底質(zhì)分類圖等各種專題測繪產(chǎn)品；五是作業(yè)綜合效費比高，機載激光測深的單位時間作業(yè)費用是船載多波束測深的3倍，但綜合考慮機載激光測深與船載多波束測深的測量速度、條帶覆蓋寬度、產(chǎn)品多樣性等因素，機載激光測深綜合效費比約為船載多波束測深的8倍。

⑵響應(yīng)速度快?？筛鶕?jù)任務(wù)需要，在極短時間內(nèi)完成目標(biāo)區(qū)的全覆蓋水陸一體化地形精密測量，尤其適用于海洋工程、環(huán)境(災(zāi)害)評估、應(yīng)急保障等需要快速反應(yīng)的場合。

⑶作業(yè)區(qū)域廣。機載激光測深作為以飛機為平臺的非接觸式測量系統(tǒng)，既可以執(zhí)行海岸帶基礎(chǔ)測繪任務(wù)，也可以執(zhí)行港口、航道、近海海洋工程等測繪任務(wù)，又可在測量船難以到達(dá)的礁石密布海域、人員無法登島的島礁及周邊海域及灘涂、潮間帶等其他作業(yè)困難海域執(zhí)行測繪任務(wù)。

⑷限制條件多。激光束在海水中以指數(shù)衰減，最大穿透能力與激光發(fā)射能量、海水透明度、海底反射率和背景光噪聲密切相關(guān)，目前典型商用設(shè)備測深能力在一類水質(zhì)、底反射率＞15%條件下可達(dá)到50m，此外，激光測深不能保證能夠有效探測1m3的水下小目標(biāo)。因此，機載激光測深適用于水陸交界地區(qū)海水透明度較高的淺水水域。

綜上所述，機載激光測深作為水陸交界地區(qū)的主動式、非接觸、水陸一體化測繪技術(shù)，可與傳統(tǒng)船載多波束測深、側(cè)掃聲納測量等技術(shù)手段相互配合，更高效地完成海岸帶測繪任務(wù)。

機載激光測深作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)問題

作者結(jié)合機載激光測深系統(tǒng)飛行作業(yè)試驗，對試驗過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)梳理，試驗采用的激光測深系統(tǒng)性能及有關(guān)基本參數(shù)信息如下：

設(shè)備型號：CZMILNova(主要技術(shù)參數(shù)見表1)；作業(yè)平臺：直升機；飛行高度：400m；飛行速度：180km/h；測線間距：200m(相鄰航帶重疊30%)；地面控制：相距1km的雙GNSS基準(zhǔn)站；水位觀測：作業(yè)海區(qū)投放自動驗潮儀；軌跡解算：Applanix POSPac8.1版本軟件包；數(shù)據(jù)處理：CZMIL HydroFusion1.1版本軟件包。

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機載設(shè)備天線安裝位置選擇

機載設(shè)備天線的安裝位置對數(shù)據(jù)精度的影響較大。試驗采用直升機平臺，飛機有主螺旋槳和尾翼穩(wěn)定螺旋槳，其中主螺旋槳旋轉(zhuǎn)時覆蓋整個機身，尾翼部分不方便安裝天線，加之試驗用的GNSS天線屬于臨時性加裝，不允許對飛機機身進(jìn)行改動，因此，經(jīng)過討論分析，GNSS天線安裝在飛機自帶的兩個導(dǎo)航天線中間(見圖1)，距主螺旋槳軸約2m。

圖1 設(shè)備天線加裝位置實物圖

實際作業(yè)過程中，通過對第一架次的飛行數(shù)據(jù)現(xiàn)場初步處理發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)位置誤差約±1.8m、高程誤差約±2.0m，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，誤差嚴(yán)重超限，無法對測深條帶數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。經(jīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析后發(fā)現(xiàn)，設(shè)備天線信號失鎖嚴(yán)重，飛行軌跡數(shù)據(jù)融合解算誤差過大(信號失鎖情況見圖2)。而主螺旋槳轉(zhuǎn)動時對GNSS信號的遮擋是導(dǎo)致衛(wèi)星信號失鎖的主要原因。

圖2 機載設(shè)備GNSS天線信號失鎖情況統(tǒng)計示意圖

飛機返場重新調(diào)整天線位置，分別在駕駛艙和主螺旋槳與尾翼螺旋槳的結(jié)合部等飛機不同部位進(jìn)行了信號質(zhì)量測試，測試結(jié)果表明，GNSS天線安裝在主螺旋槳與尾翼螺旋槳的結(jié)合部時，信號質(zhì)量最佳。天線安裝位置見圖3，天線位置調(diào)整后信號失鎖情況見圖4。

圖3 機載設(shè)備天線位置調(diào)整實物圖

從圖4可以看出，主螺旋槳轉(zhuǎn)動時，GNSS信號接收仍然有失鎖情況，但對定位精度影響已經(jīng)不大，地面開車測試時，GNSS基準(zhǔn)站距飛機2km，POS數(shù)據(jù)解算結(jié)果為位置誤差±3cm、高程誤差±5cm；飛行作業(yè)時，GNSS基準(zhǔn)站距作業(yè)區(qū)30km范圍內(nèi)，POS數(shù)據(jù)解算結(jié)果為位置誤差±6cm、高程誤差±10cm，測量成果能夠滿足《海道測量規(guī)范》要求。

圖4 機載設(shè)備天線位置調(diào)整后信號失鎖情況統(tǒng)計示意圖

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標(biāo)校場選擇與測線布設(shè)

CZMILNova型激光測深系統(tǒng)的激光發(fā)射器同時發(fā)射532nm綠光和1064nm紅外光，但是激光回波信號進(jìn)入接收設(shè)備后，通過分光棱鏡分為9個接收通道，分別為7個淺水通道(接收綠光，能量小)、1個深水通道(接收綠光，能量大)和1個陸地通道(接收紅外光)，9個接收通道與IMU中心分別有不同的、微小的、固定的系統(tǒng)偏差，以航向(heading)、縱橫搖(pitch/roll)角度偏差表示，設(shè)備標(biāo)校的主要目的就是測出這9個接收通道的各自的3個角度偏差，在不同通道的點云數(shù)據(jù)融合解算時分別進(jìn)行改正計算。

為了校正9個通道各自的安裝角偏差，需要分別布設(shè)陸地標(biāo)校場和海上標(biāo)校場各1個。陸地標(biāo)校場標(biāo)校陸地通道和淺水通道的安裝角偏差，海上標(biāo)校場標(biāo)校淺水通道和深水通道的安裝角偏差。標(biāo)校場選擇及測線布設(shè)情況見圖5。

圖5 標(biāo)校場選址及測線布設(shè)示意圖

陸地標(biāo)校場選擇機場跑道和附近的尖頂建筑物，設(shè)計11條測線，相鄰測線重疊50%，其中：機場跑道設(shè)計東西向測線3條，分別為L1、L2、L3，其中L2為往返重復(fù)測量，測線間距130m，測線長度1700m；尖頂建筑標(biāo)校測線7條，東西向2條，分別為L5、L6，測線間距130m，測線長度1000m；南北向3條，分別為L7、L8、L9，測線間距130m，測線長度600m；設(shè)計對角線測線2條，分別為L10、L11，測線長度750m。

海上標(biāo)校場選擇水質(zhì)清澈的海岸帶地區(qū)，設(shè)計測線11條，相鄰測線重疊50%，其中：設(shè)計南北向測線3條，分別為L1、L2、L3，均為往返重復(fù)測量，測線間距130m，測線長度11km，從陸地一直延伸到60m水深處(要求水深超過設(shè)備最大測深能力)；設(shè)計東西向測線3條，分別為L7、L8、L9，測線間距130m，測線長度4.1km；設(shè)計對角線測線2條，分別為L10、L11，測線長度4km。

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氣象條件影響

風(fēng)、雨、雪、云、霧、光照、氣溫等氣象條件均對激光測深系統(tǒng)的作業(yè)性能產(chǎn)生較大影響。大風(fēng)主要影響飛機的飛行姿態(tài)，使飛機難以保持航向，飛機必須以較大傾角飛行，影響GNSS天線的信號接收質(zhì)量，另外，風(fēng)引起的拍岸浪較大時，也為岸邊淺水深測定和陸海邊界的精確提取造成困難。

雨、雪、云、霧對激光測深系統(tǒng)產(chǎn)生同一類影響，CZMIL系列設(shè)備的激光器發(fā)射的激光束是符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的IV級激光，激光能量較大，在一定距離內(nèi)能夠?qū)θ搜郛a(chǎn)生損害，因此，系統(tǒng)默認(rèn)飛機航高不能低于290m，回波接收系統(tǒng)持續(xù)對回波信號進(jìn)行實時檢測，當(dāng)計算出航高低于290m時，則自動切斷激光發(fā)射。下雨或云霧天氣條件下實施測量作業(yè)時，當(dāng)激光束打在漂浮在空中的雨滴、雪花、云霧顆粒產(chǎn)生回波時，因?qū)崟r計算航高低于290m，會造成頻繁的激光發(fā)射中斷，使測量作業(yè)不能進(jìn)行。此外，不良的天氣條件如雨、雪、云、霧等會對激光波束產(chǎn)生散射和吸收，引起激光能量的衰減，從而影響激光的探測能力。

環(huán)境溫度影響激光發(fā)射接收系統(tǒng)的工作溫度，實施測量作業(yè)時，設(shè)備溫控系統(tǒng)要對激光器機柜進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制，使激光發(fā)射裝置的溫度保持在50℃以內(nèi)，如果環(huán)境溫度過高，空調(diào)系統(tǒng)的降溫效果不佳，則會導(dǎo)致頻繁的作業(yè)中斷。

光照影響設(shè)備的測深能力，當(dāng)背景光噪聲大于激光回波信號能量時，則信號接收系統(tǒng)不能提取出有效的回波信號，進(jìn)而影響設(shè)備的探測能力。假設(shè)海底底質(zhì)反射率＞15%，則單束脈沖激光束的測深能力可簡單表示為：

Dmax＝KD/K ⑴

式中，Dmax為系統(tǒng)最大測深，m；KD為最大測深系數(shù)，m；K為海水漫射衰減系數(shù)，m－1。

KD值在背景光強烈時(正午)約為3.5m、在背景光微弱時(午夜)約為5.0m，一般取值4.2m，這就是CZMIL測深能力經(jīng)驗公式Dmax＝4.2K的由來。根據(jù)水質(zhì)情況，K取值范圍在0.07～0.5間變動，對應(yīng)最大測深60m、最淺測深8.4m。

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其他需要注意的問題

測線設(shè)計長度不應(yīng)過長。原因有二，一是IMU的零漂會對點云數(shù)據(jù)的解算精度產(chǎn)生較大影響，以CZMILNova型設(shè)備為例，配套的IMU＆POS為ApplanixPOSAV510，其測姿精度為縱橫搖角0.005°、航向角0.008°，零漂為0.1°/hr。如果要使零漂維持在0.01°之內(nèi)，則測線的最大長度不應(yīng)大于航速的1/10，即當(dāng)直升機速度為180km/h時，測線最大長度不應(yīng)超過18km。二是大功率激光器持續(xù)發(fā)射會使激光發(fā)射裝置的溫度超過工作溫度，從而導(dǎo)致作業(yè)中斷，一般激光器持續(xù)發(fā)射5min，則必須停止作業(yè)幾分鐘等待系統(tǒng)降溫，所以，測線設(shè)計長度不能超過飛行器5min的飛行距離，即當(dāng)直升機速度為180km/h時，測線最大長度15km，如果采用固定翼飛機，速度一般為300km/h，則測線最大長度25km。

地面GNSS基準(zhǔn)站距測區(qū)的直線距離不應(yīng)超過50km。本次試驗結(jié)果表明，在基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)和移動端數(shù)據(jù)均質(zhì)量較好的情況下，基準(zhǔn)站距測區(qū)30km范圍內(nèi)時，飛行軌跡數(shù)據(jù)解算的平面位置精度為±5cm、高程精度為±10cm；基準(zhǔn)站距測區(qū)50km范圍內(nèi)時，飛行軌跡數(shù)據(jù)解算的平面位置精度為±10cm、高程精度為±20cm；基準(zhǔn)站距測區(qū)約100km時，飛行軌跡數(shù)據(jù)解算的平面位置精度為±35cm、高程精度為±50cm。試驗過程中，精密單點定位(PPK)解算結(jié)果為平面位置精度±20cm、高程精度±30cm。

遠(yuǎn)離大陸島礁的深度基準(zhǔn)傳遞。當(dāng)作業(yè)區(qū)為遠(yuǎn)離大陸的孤立島礁時，因1985國家高程基準(zhǔn)傳遞困難，可采用當(dāng)?shù)仄骄Ｃ孀鳛樯疃然鶞?zhǔn)面，具體做法為：在測區(qū)周邊布設(shè)3～4個驗潮站，同步驗潮15天，得到當(dāng)?shù)仄骄Ｃ?，同時在島礁上架設(shè)GNSS觀測站，進(jìn)行3×24小時觀測，得到觀測站大地高，采用水準(zhǔn)聯(lián)測方法將觀測站大地高傳遞到驗潮站上，計算得到作業(yè)海域當(dāng)?shù)仄骄Ｃ媾c大地高的差值，進(jìn)而將水深測量成果歸算到當(dāng)?shù)仄骄Ｃ嫔?。如果作業(yè)海域范圍較大，平均海面與橢球面大地高的差值不能用某一固定點數(shù)值代表，則可采用最新發(fā)布的平均海面模型進(jìn)行內(nèi)插，得到作業(yè)區(qū)內(nèi)不同位置的平均海面與大地高差值。

結(jié)束語

隨著國外機載激光測深系統(tǒng)的引進(jìn)，及國產(chǎn)化設(shè)備的逐漸定型生產(chǎn)，機載激光測深技術(shù)將以其作業(yè)效率高、響應(yīng)速度快、適用范圍廣的特點逐步成為海陸交界區(qū)域重要的測繪技術(shù)手段。及時對試驗經(jīng)驗及出現(xiàn)的問題進(jìn)行梳理總結(jié)，歸納作業(yè)過程中的流程、方法、注意事項，并應(yīng)用于生產(chǎn)實際將具有重要意義。

在本次試驗生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，下一步重點開展國產(chǎn)機載激光測深系統(tǒng)實用性評估，著手編制《機載激光測深作業(yè)規(guī)范》。利用本次試驗獲得的數(shù)據(jù)，與國內(nèi)相關(guān)科研單位合作，利用國產(chǎn)機載激光測深設(shè)備和多波束測深系統(tǒng)對試驗區(qū)復(fù)測，根據(jù)復(fù)測結(jié)果全面檢驗評估國產(chǎn)設(shè)備的各項性能指標(biāo)，及其與國外設(shè)備的技術(shù)差距，助力國產(chǎn)化設(shè)備的優(yōu)化完善。同時，針對飛行作業(yè)過程中易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，明確設(shè)備天線安裝、標(biāo)校場選擇、氣象條件選擇、測線設(shè)計、基準(zhǔn)站布設(shè)、孤立島礁深度基準(zhǔn)傳遞等方面的技術(shù)要求、實施方法和檢驗程序，同時結(jié)合數(shù)據(jù)后處理工作，規(guī)范數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品制作流程、產(chǎn)品檢驗程序和方法。