引言

我國擁有300多萬(wan) 平方千米的遼闊海域，大陸岸線長達18000多千米，島嶼岸線長達14000多千米。水深在50m以內(nei) 的海域麵積達50萬(wan) 平方千米，這些海域是軍(jun) 民兼用最重要的海區。到目前為(wei) 止，我國東(dong) 海、南海海域仍有大麵積海域的海島礁情況不清楚，影響我國對相關(guan) 海洋權益的保護，造成大量的海洋資源流失。海洋測繪是一切海洋經濟開發與(yu) 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。

激光雷達掃描技術又稱為(wei) “實景複製技術”，是20世紀90年代初開始出現的一項高新技術，是繼GPS空間定位係統之後又一項測繪技術領域的新突破。該技術以激光主動探測為(wei) 工具，獲取被探測物體(ti) 的三維坐標信息，采集到的數據直接存儲(chu) 為(wei) 三維坐標，為(wei) 後期各行業(ye) 應用提供高精度的數據源。機載雙頻激光雷達以飛機為(wei) 搭載平台，使測繪效能有了極大的提高。通過結合GPS技術和慣性導航技術，機載雙頻激光雷達可以直接測繪出地形、地貌的三維數據，這些數據經簡單處理即可生成高精度的地形圖、數字地麵模型(DTM)和數字高程模型(DEM)。激光雷達數據可以直接與(yu) 其他要素或影像數據合成，生成內(nei) 容更為(wei) 豐(feng) 富的各類專(zhuan) 題地圖。

機載雙頻激光雷達是集激光測距技術、GPS定位技術、飛機姿態測量技術、航空攝影、高速數字信號處理技術等多種高新技術於(yu) 一體(ti) 的新型主動機載激光測繪、偵(zhen) 查係統，其主要應用於(yu) 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查，是海陸交界區域水陸一體(ti) 化快速測繪的重要技術手段。

機載激光測深特點

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機載激光測深發展曆程

機載激光掃描技術的發展，源自1970年美國航空航天局(NASA)的研發。全球定位係統(GPS)及慣性導航係統(INS)的發展，使精確、實時定位定姿成為(wei) 可能。到20世紀80年代末，以機載激光雷達測高技術為(wei) 代表的空間對地觀測技術在多等級三維空間信息的實時獲取方麵產(chan) 生了重大突破，激光雷達探測得到了迅速發展。到20世紀90年代中後期，世界各發達國家的機載雙頻激光雷達產(chan) 品在參數指標上已經逐漸趨於(yu) 完善，並已將該技術廣泛應用於(yu) 建設工程和測繪工程(國土/海域勘測、地表地貌三維測量)等多個(ge) 領域。到90年代末，三維激光雷達產(chan) 品已經形成了頗具規模的產(chan) 業(ye) 。

目前，世界上較著名的測深能力達到50m的深水型機載激光測深係統有加拿大Optech公司的CZMIL係列、瑞士Leica公司的HawkEye係列和澳大利亞(ya) Fugro公司的LADS係列產(chan) 品，其中，Optech公司的CZMIL係列及早期型號SHOALS係列市場占有率最高，僅(jin) 美國、加拿大、日本等3個(ge) 國家海洋調查部門采購超過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係列產(chan) 品主要市場在歐洲，其他地區未見銷售記錄，最新型號是HawkEyeIII；澳大利亞(ya) Fugro公司的LADS係列產(chan) 品未見銷售記錄，該公司以承接海岸帶工程測量項目為(wei) 主，截止到2015年，完成的水深測量項目超過50項，作業(ye) 區域遍布全球，最新型號是LADSHD。技術指標方麵，三型設備基本差不多，但LADS係統深水測量頻率明顯偏低，詳細指標見表1。

表1 CZMIL、HawkEyeⅢ及LADSMKⅢ主要技術指標對比

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機載激光測深係統的特點

機載激光測深係統的基本工作原理是激光器向海麵同時發射532nm波長的藍綠光束和1064nm波長的紅外光束，藍綠光穿透水體(ti) ，到達海底反射，紅外光不能穿透海水，被海麵反射，通過記錄兩(liang) 束激光發射接收的時間差，分別計算激光發射中心到海麵高度和到海底高度，然後進一步計算出水深。因激光對海水的穿透能力限製及飛機平台的特點，機載激光測深與(yu) 傳(chuan) 統的船載多波束測深比較，具有如下特點：

⑴作業(ye) 效率高。一是飛機作業(ye) 速度快，一般為(wei) 140～175kn，而測量船作業(ye) 速度僅(jin) 有8～10kn；二是航帶覆蓋寬度大，機載激光雷達的航帶寬度為(wei) 航高的0.7倍，按照400m航高的典型值計算航帶寬度為(wei) 280m，船載多波束條帶覆蓋寬度為(wei) 水深的3～5倍，淺水水域一般約100m；三是可實現陸海一體(ti) 化測繪，實現水深和陸地地形的無縫拚接；四是測繪產(chan) 品豐(feng) 富，新型激光測深係統，既可獲取陸海二維三維基礎地形信息，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，進而製作海陸分界圖、海水葉綠素濃度圖、海水含沙量分布圖、海底底質分類圖等各種專(zhuan) 題測繪產(chan) 品；五是作業(ye) 綜合效費比高，機載激光測深的單位時間作業(ye) 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(yu) 船載多波束測深的測量速度、條帶覆蓋寬度、產(chan) 品多樣性等因素，機載激光測深綜合效費比約為(wei) 船載多波束測深的8倍。

⑵響應速度快。可根據任務需要，在極短時間內(nei) 完成目標區的全覆蓋水陸一體(ti) 化地形精密測量，尤其適用於(yu) 海洋工程、環境(災害)評估、應急保障等需要快速反應的場合。

⑶作業(ye) 區域廣。機載激光測深作為(wei) 以飛機為(wei) 平台的非接觸式測量係統，既可以執行海岸帶基礎測繪任務，也可以執行港口、航道、近海海洋工程等測繪任務，又可在測量船難以到達的礁石密布海域、人員無法登島的島礁及周邊海域及灘塗、潮間帶等其他作業(ye) 困難海域執行測繪任務。

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

綜上所述，機載激光測深作為(wei) 水陸交界地區的主動式、非接觸、水陸一體(ti) 化測繪技術，可與(yu) 傳(chuan) 統船載多波束測深、側(ce) 掃聲納測量等技術手段相互配合，更高效地完成海岸帶測繪任務。

機載激光測深作業(ye) 關(guan) 鍵技術問題

作者結合機載激光測深係統飛行作業(ye) 試驗，對試驗過程中出現的問題進行了總結梳理，試驗采用的激光測深係統性能及有關(guan) 基本參數信息如下：

設備型號：CZMILNova(主要技術參數見表1)；作業(ye) 平台：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%)；地麵控製：相距1km的雙GNSS基準站；水位觀測：作業(ye) 海區投放自動驗潮儀(yi) ；軌跡解算：Applanix POSPac8.1版本軟件包；數據處理：CZMIL HydroFusion1.1版本軟件包。

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機載設備天線安裝位置選擇

機載設備天線的安裝位置對數據精度的影響較大。試驗采用直升機平台，飛機有主螺旋槳和尾翼穩定螺旋槳，其中主螺旋槳旋轉時覆蓋整個(ge) 機身，尾翼部分不方便安裝天線，加之試驗用的GNSS天線屬於(yu) 臨(lin) 時性加裝，不允許對飛機機身進行改動，因此，經過討論分析，GNSS天線安裝在飛機自帶的兩(liang) 個(ge) 導航天線中間(見圖1)，距主螺旋槳軸約2m。

圖1 設備天線加裝位置實物圖

實際作業(ye) 過程中，通過對第一架次的飛行數據現場初步處理發現，數據位置誤差約±1.8m、高程誤差約±2.0m，數據質量較差，誤差嚴(yan) 重超限，無法對測深條帶數據進行拚接。經對數據進行進一步處理分析後發現，設備天線信號失鎖嚴(yan) 重，飛行軌跡數據融合解算誤差過大(信號失鎖情況見圖2)。而主螺旋槳轉動時對GNSS信號的遮擋是導致衛星信號失鎖的主要原因。

圖2 機載設備GNSS天線信號失鎖情況統計示意圖

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

圖3 機載設備天線位置調整實物圖

從(cong) 圖4可以看出，主螺旋槳轉動時，GNSS信號接收仍然有失鎖情況，但對定位精度影響已經不大，地麵開車測試時，GNSS基準站距飛機2km，POS數據解算結果為(wei) 位置誤差±3cm、高程誤差±5cm；飛行作業(ye) 時，GNSS基準站距作業(ye) 區30km範圍內(nei) ，POS數據解算結果為(wei) 位置誤差±6cm、高程誤差±10cm，測量成果能夠滿足《海道測量規範》要求。

圖4 機載設備天線位置調整後信號失鎖情況統計示意圖

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標校場選擇與(yu) 測線布設

CZMILNova型激光測深係統的激光發射器同時發射532nm綠光和1064nm紅外光，但是激光回波信號進入接收設備後，通過分光棱鏡分為(wei) 9個(ge) 接收通道，分別為(wei) 7個(ge) 淺水通道(接收綠光，能量小)、1個(ge) 深水通道(接收綠光，能量大)和1個(ge) 陸地通道(接收紅外光)，9個(ge) 接收通道與(yu) IMU中心分別有不同的、微小的、固定的係統偏差，以航向(heading)、縱橫搖(pitch/roll)角度偏差表示，設備標校的主要目的就是測出這9個(ge) 接收通道的各自的3個(ge) 角度偏差，在不同通道的點雲(yun) 數據融合解算時分別進行改正計算。

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

圖5 標校場選址及測線布設示意圖

陸地標校場選擇機場跑道和附近的尖頂建築物，設計11條測線，相鄰測線重疊50%，其中：機場跑道設計東(dong) 西向測線3條，分別為(wei) L1、L2、L3，其中L2為(wei) 往返重複測量，測線間距130m，測線長度1700m；尖頂建築標校測線7條，東(dong) 西向2條，分別為(wei) L5、L6，測線間距130m，測線長度1000m；南北向3條，分別為(wei) L7、L8、L9，測線間距130m，測線長度600m；設計對角線測線2條，分別為(wei) L10、L11，測線長度750m。

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

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氣象條件影響

風、雨、雪、雲(yun) 、霧、光照、氣溫等氣象條件均對激光測深係統的作業(ye) 性能產(chan) 生較大影響。大風主要影響飛機的飛行姿態，使飛機難以保持航向，飛機必須以較大傾(qing) 角飛行，影響GNSS天線的信號接收質量，另外，風引起的拍岸浪較大時，也為(wei) 岸邊淺水深測定和陸海邊界的精確提取造成困難。

雨、雪、雲(yun) 、霧對激光測深係統產(chan) 生同一類影響，CZMIL係列設備的激光器發射的激光束是符合IEEE標準的IV級激光，激光能量較大，在一定距離內(nei) 能夠對人眼產(chan) 生損害，因此，係統默認飛機航高不能低於(yu) 290m，回波接收係統持續對回波信號進行實時檢測，當計算出航高低於(yu) 290m時，則自動切斷激光發射。下雨或雲(yun) 霧天氣條件下實施測量作業(ye) 時，當激光束打在漂浮在空中的雨滴、雪花、雲(yun) 霧顆粒產(chan) 生回波時，因實時計算航高低於(yu) 290m，會(hui) 造成頻繁的激光發射中斷，使測量作業(ye) 不能進行。此外，不良的天氣條件如雨、雪、雲(yun) 、霧等會(hui) 對激光波束產(chan) 生散射和吸收，引起激光能量的衰減，從(cong) 而影響激光的探測能力。

環境溫度影響激光發射接收係統的工作溫度，實施測量作業(ye) 時，設備溫控係統要對激光器機櫃進行嚴(yan) 格的溫度控製，使激光發射裝置的溫度保持在50℃以內(nei) ，如果環境溫度過高，空調係統的降溫效果不佳，則會(hui) 導致頻繁的作業(ye) 中斷。

光照影響設備的測深能力，當背景光噪聲大於(yu) 激光回波信號能量時，則信號接收係統不能提取出有效的回波信號，進而影響設備的探測能力。假設海底底質反射率＞15%，則單束脈衝(chong) 激光束的測深能力可簡單表示為(wei) ：

Dmax＝KD/K ⑴

式中，Dmax為(wei) 係統最大測深，m；KD為(wei) 最大測深係數，m；K為(wei) 海水漫射衰減係數，m－1。

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

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其他需要注意的問題

測線設計長度不應過長。原因有二，一是IMU的零漂會(hui) 對點雲(yun) 數據的解算精度產(chan) 生較大影響，以CZMILNova型設備為(wei) 例，配套的IMU＆POS為(wei) ApplanixPOSAV510，其測姿精度為(wei) 縱橫搖角0.005°、航向角0.008°，零漂為(wei) 0.1°/hr。如果要使零漂維持在0.01°之內(nei) ，則測線的最大長度不應大於(yu) 航速的1/10，即當直升機速度為(wei) 180km/h時，測線最大長度不應超過18km。二是大功率激光器持續發射會(hui) 使激光發射裝置的溫度超過工作溫度，從(cong) 而導致作業(ye) 中斷，一般激光器持續發射5min，則必須停止作業(ye) 幾分鍾等待係統降溫，所以，測線設計長度不能超過飛行器5min的飛行距離，即當直升機速度為(wei) 180km/h時，測線最大長度15km，如果采用固定翼飛機，速度一般為(wei) 300km/h，則測線最大長度25km。

地麵GNSS基準站距測區的直線距離不應超過50km。本次試驗結果表明，在基準站數據和移動端數據均質量較好的情況下，基準站距測區30km範圍內(nei) 時，飛行軌跡數據解算的平麵位置精度為(wei) ±5cm、高程精度為(wei) ±10cm；基準站距測區50km範圍內(nei) 時，飛行軌跡數據解算的平麵位置精度為(wei) ±10cm、高程精度為(wei) ±20cm；基準站距測區約100km時，飛行軌跡數據解算的平麵位置精度為(wei) ±35cm、高程精度為(wei) ±50cm。試驗過程中，精密單點定位(PPK)解算結果為(wei) 平麵位置精度±20cm、高程精度±30cm。

遠離大陸島礁的深度基準傳(chuan) 遞。當作業(ye) 區為(wei) 遠離大陸的孤立島礁時，因1985國家高程基準傳(chuan) 遞困難，可采用當地平均海麵作為(wei) 深度基準麵，具體(ti) 做法為(wei) ：在測區周邊布設3～4個(ge) 驗潮站，同步驗潮15天，得到當地平均海麵，同時在島礁上架設GNSS觀測站，進行3×24小時觀測，得到觀測站大地高，采用水準聯測方法將觀測站大地高傳(chuan) 遞到驗潮站上，計算得到作業(ye) 海域當地平均海麵與(yu) 大地高的差值，進而將水深測量成果歸算到當地平均海麵上。如果作業(ye) 海域範圍較大，平均海麵與(yu) 橢球麵大地高的差值不能用某一固定點數值代表，則可采用最新發布的平均海麵模型進行內(nei) 插，得到作業(ye) 區內(nei) 不同位置的平均海麵與(yu) 大地高差值。

結束語

隨著國外機載激光測深係統的引進，及國產(chan) 化設備的逐漸定型生產(chan) ，機載激光測深技術將以其作業(ye) 效率高、響應速度快、適用範圍廣的特點逐步成為(wei) 海陸交界區域重要的測繪技術手段。及時對試驗經驗及出現的問題進行梳理總結，歸納作業(ye) 過程中的流程、方法、注意事項，並應用於(yu) 生產(chan) 實際將具有重要意義(yi) 。

在本次試驗生產(chan) 的基礎上，下一步重點開展國產(chan) 機載激光測深係統實用性評估，著手編製《機載激光測深作業(ye) 規範》。利用本次試驗獲得的數據，與(yu) 國內(nei) 相關(guan) 科研單位合作，利用國產(chan) 機載激光測深設備和多波束測深係統對試驗區複測，根據複測結果全麵檢驗評估國產(chan) 設備的各項性能指標，及其與(yu) 國外設備的技術差距，助力國產(chan) 化設備的優(you) 化完善。同時，針對飛行作業(ye) 過程中易出現問題的環節，明確設備天線安裝、標校場選擇、氣象條件選擇、測線設計、基準站布設、孤立島礁深度基準傳(chuan) 遞等方麵的技術要求、實施方法和檢驗程序，同時結合數據後處理工作，規範數據處理和產(chan) 品製作流程、產(chan) 品檢驗程序和方法。