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(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，上海 200136; 2.上海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，上海 200062; 3.上海河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深A(yù)LB(Airborne LiDAR Bathymetry)是一種快速、靈活、經(jīng)濟(jì)有效的淺水測(cè)量技術(shù)[1-4]。ALB根據(jù)采用的激光波長(zhǎng)可分為雙色激光ALB系統(tǒng)和單綠激光ALB系統(tǒng)[5-6]。雙色激光ALB系統(tǒng)(例如Optech CZMIL、AHAB HawkEye Ⅲ、RIEGL VQ-880-G和Leica Chiroptera Ⅱ等)采用波長(zhǎng)為1 064 nm的紅外激光準(zhǔn)確探測(cè)水面，波長(zhǎng)為532 nm或者 515 nm(Leica Chiroptera Ⅱ系統(tǒng))的綠激光探測(cè)水底。單綠激光ALB系統(tǒng)(例如Fugro LADS-MK3、Optech Aquarius、USGS EAARL-B和RIEGL VQ-820-G等)采用單一的綠激光探測(cè)水面和水底。

典型的綠激光波形包含3部分：水-氣交界面回波、水體后向散射回波以及水底回波[7]。如果各回波部分準(zhǔn)確，就可以采用單綠激光分別探測(cè)水面和水底，減少紅外激光發(fā)射，這一方面會(huì)使ALB系統(tǒng)更加靈活方便，另一方面會(huì)顯著降低ALB的成本費(fèi)用。Guenther[1]指出，影響單綠激光測(cè)深精度的定位、定姿、波束角、往返程傳播時(shí)間等問(wèn)題目前已經(jīng)得到較好地解決，綠激光在水面的不可靠問(wèn)題是制約當(dāng)前高精度測(cè)深的瓶頸問(wèn)題。綠激光水面回波是水-氣交界面回波與交界面下水體后向散射回波的線性疊加，通過(guò)對(duì)綠激光水面回波波形檢測(cè)獲得的水面點(diǎn)Q不能準(zhǔn)確代表真實(shí)水面點(diǎn)P，而是穿透到靠近水面下一定深度處，稱為綠激光水面穿透量(NWSP)[8]，即綠激光水面點(diǎn)高程偏差Δd，這種現(xiàn)象稱為綠激光水面不可靠問(wèn)題，如圖1所示。

對(duì)于雙色激光ALB系統(tǒng)，其采用額外的不能穿透水體的紅外激光代替綠激光來(lái)精確探測(cè)水面，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)深。典型雙色激光ALB系統(tǒng)盡管測(cè)量精度較高，但系統(tǒng)體積重量大，使用起來(lái)不夠靈活。為使系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)靈活，單綠激光ALB系統(tǒng)只發(fā)射和接收綠激光。目前單綠激光ALB系統(tǒng)已被廣泛研制和應(yīng)用，單綠激光ALB系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)靈活，但由于忽略了綠激光水面不可靠問(wèn)題，導(dǎo)致水面、水底點(diǎn)高度存在偏差[6]。Guenther[7]理論分析了綠激光NWSP產(chǎn)生機(jī)理，采用測(cè)深雷達(dá)方程估計(jì)了水-氣交界面回波和水體后向散射回波時(shí)間差。該時(shí)間差決定了NWSP大小，與水文參數(shù)(水體渾濁度)和ALB測(cè)量參數(shù)(波束掃描角和激光傳感器高度)相關(guān)。該方法給出了綠激光NWSP影響因素及估計(jì)值。然而，理論分析法基于簡(jiǎn)單化假設(shè)，例如該方法中發(fā)射波形基于三角形脈沖波形，與實(shí)際高斯波形不一致。此外，測(cè)深雷達(dá)方程中諸多參數(shù)需人工給定，因此理論分析法需要進(jìn)一步完善。Mandlburger[8]采用紅外激光準(zhǔn)確確定水面點(diǎn)高度為參考值，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)分析了綠激光NWSP在河道和湖泊中的空間分布。實(shí)驗(yàn)表明，NWSP介于10～25 cm，且隨渾濁度的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。綠激光水面穿透量受水體渾濁的影響顯著，為此有必要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析綠激光水面不可靠問(wèn)題引起的水面點(diǎn)高程偏差，以實(shí)現(xiàn)基于單綠激光ALB系統(tǒng)的高精度測(cè)深。

1 研究方法

1.1 ALB測(cè)量原理

ALB測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 綠激光水面不可靠問(wèn)題Fig.1 The unreliability problem of green laser on water surface

圖1中(A)表示發(fā)射波形和紅外激光水-氣交界面回波波形以及綠激光水面、水底回波波形。t0，t1，t2，t3分別表示激光脈沖發(fā)射時(shí)刻、紅外激光獲得的水-氣交界面回波返回時(shí)刻、綠激光獲得的水面回波返回時(shí)刻、綠激光水底回波返回時(shí)刻。(B)表示對(duì)應(yīng)激光發(fā)射位置O、紅外激光水面點(diǎn)P、單綠激光水面點(diǎn)Q。

在圖1的(B)中，紅外激光到達(dá)水面后經(jīng)過(guò)水面反射產(chǎn)生水面回波，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水面的準(zhǔn)確探測(cè)。而綠激光到達(dá)水面后，部分經(jīng)過(guò)水面反射產(chǎn)生水面回波，部分經(jīng)過(guò)水面折射進(jìn)入水體中繼續(xù)傳播產(chǎn)生水體后向散射回波，最后到達(dá)水底經(jīng)過(guò)反射產(chǎn)生水底回波。如圖1的(A)所示，由于綠激光水面回波是水-氣交界面回波與交界面下水體后向散射回波的線性疊加，利用波形檢測(cè)得到水面回波時(shí)刻t2相對(duì)真實(shí)時(shí)刻t1存在時(shí)間延遲Δt。Δt被誤認(rèn)為是綠激光在空氣中的傳播時(shí)間。相比綠激光在空氣中真實(shí)的傳播距離，利用綠激光水面回波檢測(cè)計(jì)算獲得的傳播距離在原有傳播方向上增加了cΔt的距離，其中c為綠激光在空氣中的傳播速度。由此獲得的綠激光水面點(diǎn)Q并不能代表真實(shí)水面點(diǎn)P，存在高度偏差Δd，影響了基于單一綠激光的ALB測(cè)深精度。在圖1的(B)中，紅色和綠色實(shí)線為紅外、綠激光的實(shí)際傳播路徑，而綠色虛線則表示了由于水面回波檢測(cè)不準(zhǔn)引起的單一綠激光傳播的假想路徑。

1.2 單綠激光水面點(diǎn)高程偏差修正

如果將真實(shí)水面點(diǎn)作為參考值，綠激光水面點(diǎn)高程偏差(Δd)可通過(guò)比較綠激光水面點(diǎn)高程和參考水面點(diǎn)高程獲得：

(1)

(2)

(3)

式中，HS為水面高程，lO-Q，lQ-B分別為激光發(fā)射點(diǎn)O到綠激光水面穿透點(diǎn)Q的激光傳播距離和Q到綠激光海底打擊點(diǎn)B的距離；φ，θ分別為綠激光發(fā)射角和在水表的折射角。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)域

為驗(yàn)證和評(píng)估本文方法的正確性和有效性，采用Optech CZMIL系統(tǒng)于2014年12月在江蘇省連云港市沿岸海域進(jìn)行了ALB試驗(yàn)，試驗(yàn)水域水深變化約為2～4 m。CZMIL系統(tǒng)是Optech公司研制的最新型ALB系統(tǒng)之一，如圖2所示。系統(tǒng)采用共線同步方式發(fā)射波長(zhǎng)為1 064 nm的紅外激光和532 nm的綠激光分別探測(cè)水面和水底[9-11]。系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下。

飛行高度400 m(標(biāo)稱)飛行速度140 kts(標(biāo)稱)脈沖重復(fù)頻率10 kHz圓形掃描頻率27 Hz激光波長(zhǎng)IR:1064 nm;green:532 nm最大可測(cè)水深4.2/Kd(底反射率 > 15%)最小可測(cè)水深< 0.15 m測(cè)深精度(0.32 + (0.013 d)2)1/2 m, 2σ水平精度(3.5 + 0.05 d) m, 2σ掃描角 20°(圓形掃描)條帶寬度 294 m(標(biāo)稱)

CZMIL原始測(cè)量數(shù)據(jù)包括機(jī)體配置文件，綠激光、紅外激光波形數(shù)據(jù)，空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)歸位計(jì)算獲得紅外激光水面點(diǎn)，綠激光水面和水底點(diǎn)。

圖2 Optech CZMIL系統(tǒng)Fig.2 Optech CZMIL system

2.2 綠激光水面點(diǎn)高程偏差修正

將測(cè)區(qū)2/3數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，剩余1/3作為測(cè)試集。訓(xùn)練集用于采用統(tǒng)計(jì)方法求取Δd統(tǒng)計(jì)值，測(cè)試集用于評(píng)估修正精度。以紅外激光水面點(diǎn)高度為參考值，利用公式(1)計(jì)算訓(xùn)練集每一脈沖的綠激光Δd值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯瑴y(cè)區(qū)內(nèi)綠激光Δd變化范圍從0.8～48.90 cm，平均值為24.74 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.91 cm。圖3所示紅色和綠色點(diǎn)云分別為單一條帶內(nèi)紅外和綠激光水面點(diǎn)。綠激光水面不可靠問(wèn)題引起的單綠激光水面點(diǎn)存在高程偏差，對(duì)測(cè)深精度產(chǎn)生了顯著性影響，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文開(kāi)展單綠激光水面點(diǎn)高程偏差修正的必要性。

表1 單綠激光水面點(diǎn)高程偏差統(tǒng)計(jì)值Tab.1 Statistical value of elevation deviation ofsingle green laser water surface point cm

將統(tǒng)計(jì)分析獲得的單綠激光ALB水面點(diǎn)高程偏差平均值作為修正值應(yīng)用于測(cè)試集單綠激光ALB水面點(diǎn)高程偏差的修正。圖4所示的藍(lán)色點(diǎn)云為修正后的綠激光水面點(diǎn)云。相比修正前(圖4中的綠色點(diǎn)云)，修正后的綠激光點(diǎn)云更接近紅外激光點(diǎn)云，綠激光水面點(diǎn)高程偏差得到了有效削弱。為了進(jìn)一步量化分析改正前、后的綠激光水面點(diǎn)高程偏差，圖5給出了各自的概率密度分布，表1給出了各自的統(tǒng)計(jì)量值。

圖3 單條帶紅外和綠激光點(diǎn)云分布Fig.3 Single band infrared and green laserpoint cloud distribution

圖4 修正前后的單綠激光水面點(diǎn)Fig.4 Single green laser surface point beforeand after correction

圖5 修正前后概率密度分布Fig.5 Pre-correction and post-correction probabilitydensity distribution

由圖5和表1看出，修正前水面高程存在明顯的系統(tǒng)偏差，平均偏差達(dá)到24.7 cm；修正后，該偏差得到了較好地削弱，平均偏差達(dá)到0.28 cm，誤差分布接近正態(tài)分布，有效地提高了最終測(cè)深成果的精度。

3 結(jié)論及建議

本文給出了一種基于外部參考的綠激光水面高偏差估計(jì)法，解決了綠激光水面不可靠問(wèn)題。將該方法應(yīng)用于實(shí)踐，將綠激光水面點(diǎn)高程偏差由24.74 cm降低到0.28 cm，顯著提高了系統(tǒng)的測(cè)深精度，為基于單綠激光ALB的高精度、低成本、高效、大范圍淺水測(cè)深提供了全新途徑。

本方法適合用于水體渾濁度近似一致水域。對(duì)于不一致水域，則考慮將整個(gè)測(cè)區(qū)劃分為若干子區(qū)，子區(qū)內(nèi)渾濁度近似一致，再在子區(qū)內(nèi)采用本文方法開(kāi)展綠激光水面高偏差估計(jì)和改正。

本方法在沿岸海域開(kāi)展了應(yīng)用，相對(duì)近岸海區(qū)，淺水湖泊水域具有較好的測(cè)量條件，取得了更高的測(cè)深精度。