陳潔，林健，李奇，李京

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

機載水深測量系統(tǒng)CZMIL初探

陳潔1，2，林健1，李奇1，李京1

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

集成了激光雷達、高光譜和數(shù)字相機的機載水深測量系統(tǒng)CZMIL，可獲取水陸交互帶地形地貌無縫拼接信息成果，滿足海洋地質(zhì)調(diào)查的需求。本文在詳細介紹該系統(tǒng)的組成部件、性能指標、產(chǎn)品制作流程的基礎(chǔ)上，分析了其在軟硬件和系統(tǒng)集成方面的提升，表明了該系統(tǒng)在地質(zhì)調(diào)查中的巨大應(yīng)用潛力。

水深測量；激光雷達；儀器；海岸帶；地質(zhì)調(diào)查

0 引言

海岸帶是海陸之間相互作用的地區(qū)，具有較高的生產(chǎn)力，被稱為“第一海洋經(jīng)濟區(qū)”。傳統(tǒng)的機載遙感設(shè)備不能穿透水體進行探測，船載聲納由于無法進入沿岸淺水區(qū)域和海礁密集區(qū)域亦不能獲取海岸帶水底地形數(shù)據(jù)。為解決這個問題，機載水深測量技術(shù)應(yīng)運而生，其原理是利用水體對470～580 nm 波段衰減系數(shù)最小的特性，主動發(fā)射藍綠激光進行水下目標探測，具有精度高、覆蓋面廣、測點密度高、測量周期短、低消耗、易管理、高機動性等特點。該技術(shù)手段填補了沿海淺水區(qū)域水深測量的空白，為查明海岸帶地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)資源賦存狀況和主要環(huán)境地質(zhì)問題提供基礎(chǔ)資料，建立地質(zhì)調(diào)查新模式，解決了海岸帶地形地貌測量的“最后一公里”難題。

加拿大Optech公司最新發(fā)布的機載水深測量系統(tǒng)CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar)Nova突破性地集成了多種航空遙感探測器，一次飛行即可獲取激光點云、高光譜、真彩色數(shù)字影像和定位定向數(shù)據(jù)，生成高精度無縫拼接數(shù)字高程模型，其最高幾何絕對精度陸地部分優(yōu)于0.1 m，水域部分可達0.2 m。該系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于地形測量、國土資源調(diào)查、水底地物分類等領(lǐng)域，但在國內(nèi)還沒有進行過生產(chǎn)實踐。通過對CZMIL Nova的詳細闡述，為下一步熟練掌握和消化吸收機載水深測量技術(shù)，奠定良好的基礎(chǔ)，為更好地將其應(yīng)用到海岸帶地質(zhì)調(diào)查中提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)概況

1.1 激光雷達

用于水深探測的激光雷達鏡頭(圖1)采用“推掃+頻閃”的混合方式，增大接收孔徑的同時提高了空間分辨率，能夠高效地進行數(shù)據(jù)獲取，改善雷達和影像數(shù)據(jù)融合信息質(zhì)量。高功率、短脈沖的綠色激光發(fā)射器能穿透水體，通過多次回波的時間間隔區(qū)分水面和水底信息，以達到構(gòu)建水底地形模型的目的，在淺海和渾濁水域同樣有效。特有的反射圓斑掃描鏡可從不同角度發(fā)射激光，進一步增強了水下地物的探測能力。分段式接收器能采集7次回波，每次回波最大可生成31個離散點云。CZMIL Nova激光雷達探測器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 CZMIL Nova激光雷達探測器

探測模式參數(shù)技術(shù)指標水體模式淺水通道測量頻率/kHz70淺水通道最大測量深度/m2/Kd深水通道測量頻率/kHz10深水通道最大測量深度/m42/Kd深水通道測量精度/m[032+(0013d)2]1/2測量平面精度/m35+005d掃描角/(°)20相對航高地面覆蓋寬度/%70陸地模式測量頻率/kHz80測量平面精度/m±1測量垂直精度/m±15

注：表中Kd為水體平均漫衰減系數(shù)；d為發(fā)射激光光斑半徑。

1.2 高光譜儀

集成ITRES公司生產(chǎn)CASI-1500H型機載寬陣列近紅外—可見光高光譜成像儀(圖2)，光譜接收范圍380～1050 nm，具有高達288個光譜通道，分辨率優(yōu)于3.5 nm，瞬時視場角0.49 mrad，總視場角40°。獲取的高光譜數(shù)據(jù)可與激光點云等融合處理，制作水底反射率、葉綠素濃度和其他環(huán)境監(jiān)測類圖件產(chǎn)品。

圖2 CASI-1500H型機載高光譜成像儀

1.3 數(shù)字相機

為了更直觀地觀測調(diào)查區(qū)和進一步豐富成果產(chǎn)品，CZMIL Nova配備了具有1億像素(11 608×8708)分辨率的Phase One iXU-RS1000航空工業(yè)相機(圖3)，影像動態(tài)范圍優(yōu)于84 dB，像元尺寸4.6 μm，像幅53.4 mm×40.0 mm，在同一飛行高度可得到更寬的軌道覆蓋和更高的地面分辨率。相機系統(tǒng)采用CMOS傳感器技術(shù)，感光度(ISO)范圍擴大為50～6400，即使在惡劣的光照條件下仍能獲取高質(zhì)量影像；創(chuàng)新性的電磁中央葉片式快門運用電子充電直接驅(qū)動理論，將曝光速度提高至1/2500 s，葉片快門由航天工業(yè)級的碳素纖維材料制成，具有50萬次曝光壽命；擴展接口兼容當今主流的各種飛控軟件及GPS/IMU設(shè)備；能直接生產(chǎn)真彩色(RGB)、近紅外(NIR)、4波段(RGBN)、3波段(NRG)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)等不同應(yīng)用需求的數(shù)字影像成果。

圖3 Phase One iXU-RS1000航空工業(yè)相機

1.4 定位定向單元

定位定向單元使用Trimble AP系列產(chǎn)品，具體型號為AP60(圖4)。該系列內(nèi)嵌高精度GNSS雙頻接收機和基于緊耦合技術(shù)支持的慣導(dǎo)模塊，采樣頻率分別為5 Hz和200 Hz，可提供航空傳感器的厘米級實時位置坐標和高精度姿態(tài)信息。緊耦合技術(shù)的運用使該系統(tǒng)直接地理定位定向能力大大提高，飛行時能保持GPS衛(wèi)星的鎖定狀態(tài)，在轉(zhuǎn)彎坡度較大、衛(wèi)星失鎖60 s及以內(nèi)時，在有地面基站聯(lián)合差分的情況下能保證厘米級的解算精度。

圖4 板載Trimble AP60定位定向單元

1.5 飛控與導(dǎo)航

飛控與導(dǎo)航采用一體化的CZMIL NAV飛行管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了一套系統(tǒng)對激光雷達、高光譜和數(shù)字相機的操控，能在飛行作業(yè)過程中實時顯示CZMIL Nova獲取數(shù)據(jù)的對地覆蓋寬度、點云密度、定位精度等診斷信息，在空中即可完成初步的質(zhì)量檢查環(huán)節(jié)。對出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集漏洞、精度不達標地區(qū)可立即開展補飛和重飛工作，大幅度提高工作效率。

1.6 數(shù)據(jù)處理終端

CZMIL HydroFusion是基于ENVI/IDL平臺開發(fā)的一體化數(shù)據(jù)處理終端。對計算機硬件最低要求包括：八核CPU、32 GB內(nèi)存、Windows7 64位英文操作系統(tǒng)、1 GB顯卡。具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高的特點，提供了任務(wù)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理、成果輸出等模塊，能自動化完成不同傳感器數(shù)據(jù)的融合，根據(jù)探測和分類的應(yīng)用目的輸出多樣化的影像產(chǎn)品。主要模塊的功能介紹如下：

(1)飛行設(shè)計模塊，通過導(dǎo)入的全球數(shù)字地形模型自主學(xué)習(xí)和分析工作區(qū)的地貌特征、高程差異完成飛行航線的自動敷設(shè)，整個過程在圖形化用戶界面中實現(xiàn)，操作簡單易行；具有主流飛行計劃文件的導(dǎo)入與導(dǎo)出功能。

(2)自動分類模塊，基于激光點云的反射率、地物光譜特征等特征信息自動識別水體和陸地，特別針對水陸交界線進行了算法改進，提升質(zhì)量控制等級，初步完成海岸線的提取。

(3)多源數(shù)據(jù)融合，通過坐標配準和重采樣將3種不同傳感器獲得數(shù)據(jù)生成一幅具有更豐富地物特征信息的合成圖像，根據(jù)不同的應(yīng)用需求使用特定的算法能輸出包括高清影像、水底地形、點云數(shù)字高程、水質(zhì)光譜、矢量海岸線等15種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

(4)具有3D可視化、激光點云編輯、正射影像鑲嵌等實用工具。

2 工作流程

機載水深測量的主要流程為：需求分析、野外踏勘、航線設(shè)計、飛行前檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、航攝質(zhì)量檢查、航攝資料整理等步驟，具體工作流程如圖5所示。根據(jù)所開展項目的技術(shù)要求，結(jié)合測區(qū)地貌、地形特點，選擇合適的航攝飛行平臺、進行合理的航攝設(shè)計。為了充分保證機載水深測量獲取數(shù)據(jù)的成果質(zhì)量，合理布設(shè)基站和檢校場，并從航攝飛行天氣條件、POS輔助數(shù)字航攝質(zhì)量、POS數(shù)據(jù)處理、影像和點云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與監(jiān)控等技術(shù)環(huán)節(jié)上嚴格把握。

圖5 機載水深測量數(shù)據(jù)獲取工作流程圖

3 性能與優(yōu)勢

新一代的CZMIL Nova機載水深測量系統(tǒng)在硬件指標、軟件功能、模型算法上都有不同程度的改進和提高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)集成化程度更高，具有更小的體積、更輕的重量以及更低的能耗。將負責(zé)系統(tǒng)管理、信息反饋、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通訊的機載操控單元改為由1部Intel Core I7電腦運行，尺寸減少了2U(標準尺寸單位)、重量減少7 kg；得益于新型激光發(fā)射器的使用，溫度管理單元的水冷循環(huán)裝置由3個變?yōu)?個，體積和重量均降低70%，能耗減少25%，同時降低了水冷液體泄漏的潛在風(fēng)險；等級為4類的激光發(fā)射器具有更短的脈沖頻率和更高的能量，激光單元整合為一個封閉系統(tǒng)，性能更穩(wěn)定、操控更精確、安裝更簡易。全新的設(shè)計使得CZMIL Nova具有更好的普適性，可安裝在更經(jīng)濟的小型飛行平臺和直升機上。

(2)性能更優(yōu)異。新系統(tǒng)通過對激光傳感器所有9個通道的優(yōu)化，提升了激光傳感器對回波接收的寬度，使其能接收到更強的水面反射和更弱的水底反射信號，獲取信息更加豐富；優(yōu)化了激光傳感器的光電管(PMT)，進一步降低了回波脈沖中的噪聲；采用新的濾波器降低太陽輻射背景噪聲，信號增加了30%同時提高了信噪比，使激光測深能力從4.2/Kd提升到4.3/Kd。

(3)改進了數(shù)據(jù)處理算法。根據(jù)用戶在實際使用過程中總結(jié)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行部分模塊算法的改進，這種改進尤其針對濁水區(qū)域，提高了數(shù)據(jù)處理的精度和效率。主要有：改進了回波點云的再分類計算，使近岸地區(qū)的激光點云分類準確度得到了提升；針對不理想水表面環(huán)境的水面探測工具，提高了數(shù)據(jù)的完整性和點云的精度；改進了數(shù)碼相機影像拼接的調(diào)色工具；改進了渾濁水域模型；提升了從雷達波形數(shù)據(jù)探測“cubic feature”的能力；新的點云分類模型使水面上的懸挑結(jié)構(gòu)得到了保留；增加了報告每次測深脈沖的新功能；對軟件的檢校模塊進行優(yōu)化，比改進之前更加快速和自動化；改進自動空間濾波器去除大部分的異常值；增加XYZ數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)；優(yōu)化了激光原始數(shù)據(jù)下載至本地的速度；增加了飛行計劃設(shè)計可導(dǎo)出的格式。

CZMIL Nova不僅相較同品牌的上一代產(chǎn)品性能有所提高，對比當今主流的機載水深雷達產(chǎn)品，CZMIL Nova也具有不可比擬的優(yōu)勢，主要性能參數(shù)對比結(jié)果如表2所示。

表2 當近主流機載水深雷達主要性能參數(shù)對比

從表2中的參數(shù)對比可以看出，CZMIL Nova機載水深雷達測量系統(tǒng)在主要技術(shù)指標上都優(yōu)于其他水深測量系統(tǒng)，另外值得注意的是，美國SHOALS和瑞典Hawk Eye系列的水深雷達探測器均由生產(chǎn)CZMIL的Optech公司提供，由此也能從側(cè)面證明CZMIL Nova水深測量系統(tǒng)所使用硬件代表了國際最先進的水準。

4 地質(zhì)應(yīng)用

4.1 海岸帶和海岸線制圖

CZMIL Nova機載水深測量系統(tǒng)面向海岸帶調(diào)查和海岸線提取的需求，可同步獲取海岸帶結(jié)構(gòu)、高密度陸地/海底激光點云數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)和高分辨率真彩色數(shù)字影像，可進行水面探測、水容量測量和水底地物識別與分類，運用多年積累的高效算法完成多傳感器數(shù)據(jù)的融合，為沿海地區(qū)的城市規(guī)劃、災(zāi)害預(yù)測與評估、環(huán)境檢測等提供詳實可靠的底圖數(shù)據(jù)。CZMIL Nova在美國已成功服務(wù)于陸軍工程兵團、美國國家海洋和大氣管理局，以3～5年一個周期，用3套該設(shè)備對美國海岸線(包括內(nèi)陸海)覆蓋一遍，重點區(qū)每年度或半年監(jiān)測，還對海洋地質(zhì)災(zāi)害、龍卷風(fēng)、海嘯、熱敏區(qū)進行及時監(jiān)測，在2017年計劃作業(yè)1000英里。最終向用戶提供海岸帶地區(qū)數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字地表模型DSM、遙感影像、海岸線輪廓、激光反射率圖、海灘寬度、岸線變化、植被指數(shù)、水質(zhì)指標等基礎(chǔ)類和融合類數(shù)據(jù)產(chǎn)品。與此同時，其生產(chǎn)廠商Optech還與南密西西比大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、佛羅里達大學(xué)、新罕布什爾大學(xué)和杜克大學(xué)等單位保持著密切的合作關(guān)系。

4.2 海底探測與測量

全球海岸線由于城市的快速擴張和水質(zhì)的變化處于不斷的變化之中，因此亟需一種快速針對海岸帶地區(qū)進行特征采集的技術(shù)手段，航空遙感可以滿足對面積大、分布廣的海岸帶進行調(diào)查的需求，機載測深系統(tǒng)同時可對陸地和淺海地區(qū)完成無縫制圖，并一次飛行獲取激光點云、高光譜和可見光數(shù)字影像，高度集成的CZMIL Nova不僅僅意味著同步的數(shù)據(jù)采集，高性能的算法和軟件具有飛行設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的完整工作流程，可完成獲取的融合與分類自動化。在美國佛羅里達實際應(yīng)用中，探測和分類深度可達36 m。在渾濁和含有泥質(zhì)的水域，通常機載雷達測深系統(tǒng)都無法獲得發(fā)射激光的回波信號，CZMIL Nova通過改進的程序和算法實現(xiàn)了泥質(zhì)水域的水底地形探測，實踐應(yīng)用證明，在以往不能完成探測的水體利用CZMIL Nova可額外增加12 m測量深度。機載水深測量系統(tǒng)的另一個主要應(yīng)用是水下物體的探測和定位，主要面向航道管理。通過探測水下管道、沉船和其他威脅航道安全的物體，并利用機載定位定向技術(shù)將其標注在海圖上，避免船只正常行駛時的撞擊和擱淺，其最大的海底測深可達80 m。

4.3 環(huán)境監(jiān)測

由于集成了多種傳感器，CZMIL Nova可以對海岸帶陸地、水體表面、淺水及深水底部進行測量、定位和特征光譜分析，并通過不同地物的特征信息完成水質(zhì)分析、水表污染物識別、水底珊瑚礁探測等工作，提供精細化的陸地—水底無縫連接的分類和特征產(chǎn)品。

5 結(jié)論與展望

CZMIL Nova作為世界最先進的機載水深測量系統(tǒng)之一，集成了多種高性能航空遙感設(shè)備，其中激光探測器的回波信息完整準確的記錄了海面、海底反射回波信號的準確時間點和海底地物目標的反射信息，實現(xiàn)淺海、淺灘(船只無法到達區(qū)域)、潮間帶(灘涂)等海陸交互帶無縫拼接數(shù)字高程模型成果。機載水深測量系統(tǒng)獲取真實、易于表達的數(shù)字地形模型，可對海底構(gòu)造、斷裂等進行詳盡刻畫，易于識別與解譯；另外，對于集成的高光譜成像儀可與水深雷達的藍綠激光全數(shù)字波形數(shù)據(jù)融合處理，實現(xiàn)海底底質(zhì)分類及海岸帶沉積分類。其航空遙感成果可以作為基礎(chǔ)成果資料，作為后續(xù)繼續(xù)開展的海洋地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測、資源勘探等應(yīng)用領(lǐng)域的歷史響應(yīng)記錄，具有較好的地質(zhì)應(yīng)用潛力。

目前，該設(shè)備已在渤海海岸帶、三峽庫區(qū)航空遙感地質(zhì)調(diào)查項目中進行了工作部署，為解決資源環(huán)境和基礎(chǔ)地質(zhì)問題提供了豐富的航空遙感信息。

[1] 畢世普,別君,張勇. 機載LiDAR在海岸帶地形測量中的應(yīng)用[J]. 海洋地質(zhì)前沿,2012,28(11):59-64.

[2] 昌彥君, 朱光喜, 彭復(fù)員. 機載激光海底測深技術(shù)的發(fā)展和展望[C]// 中國地球物理學(xué)會年刊——中國地球物理學(xué)會年會. 2001.

[3] 秦海明,王成,習(xí)曉環(huán),等．機載激光雷達測深技術(shù)與應(yīng)用研究進展[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用,2016,31(4):617-624.

[4] 王林振,曹彬才,欒奎峰,等. 基于機載激光技術(shù)的淺海水深測繪應(yīng)用分析[J]. 海洋科學(xué),2017,41(4):82-87.

[5] 王越. 機載激光淺海測深技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 測繪地理信息,2014,39(03):38-42+67.

[6] 葉修松. 機載激光水深探測技術(shù)基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)處理方法研究[D].解放軍信息工程大學(xué),2010.

[7] 翟國君,吳太旗,歐陽永忠,等. 機載激光測深技術(shù)研究進展[J]. 海洋測繪,2012,32(02):67-71.

2017-08-16

中國地質(zhì)調(diào)查局航空物探遙感中心“三峽庫區(qū)航空遙感地質(zhì)調(diào)查(DD20179601)”項目資助。

陳潔(1980-)，男，高級工程師，碩士研究生，主要從事航空遙感新技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)應(yīng)用等方向的研究工作；北京市海淀區(qū)學(xué)院路31號航遙中心遙感部，Tel：13520909353，E-mail：6592296@QQ.com。

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1009-282X(2017)06-0032-05