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        機載水深測量系統(tǒng)CZMIL初探

        2017-12-20 02:06:24陳潔林健李奇李京
        地質(zhì)裝備 2017年6期
        關(guān)鍵詞:測量

        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。

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        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。

        P631.46

        A

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

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