引言
我國擁有300多萬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以內的海域面積達50萬平方千米，這些海域是軍民兼用最重要的海區。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“實景復制技術”，是20世紀90年代初開始出現的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術領域的新突破。該技術以激光主動探測為工具，獲取被探測物體的三維坐標信息，采集到的數據直接存儲為三維坐標，為后期各行業應用提供高精度的數據源。機載雙頻激光雷達以飛機為搭載平臺，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、數字地面模型(DTM)和數字高程模型(DEM)。激光雷達數據可以直接與其他要素或影像數據合成，生成內容更為豐富的各類專題地圖。
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于一體的新型主動機載激光測繪、偵查系統，其主要應用于航道、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查，是海陸交界區域水陸一體化快速測繪的重要技術手段。
機載激光測深特點
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機載激光測深發展歷程
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。全球定位系統(GPS)及慣性導航系統(INS)的發展，使精確、實時定位定姿成為可能。到20世紀80年代末，以機載激光雷達測高技術為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面產生了重大突破，激光雷達探測得到了迅速發展。到20世紀90年代中后期，世界各發達國家的機載雙頻激光雷達產品在參數指標上已經逐漸趨于完善，并已將該技術廣泛應用于建設工程和測繪工程(國土/海域勘測、地表地貌三維測量)等多個領域。到90年代末，三維激光雷達產品已經形成了頗具規模的產業。
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系統有加拿大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Fugro公司的LADS系列產品未見銷售記錄，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，作業區域遍布全球，最新型號是LADSHD。技術指標方面，三型設備基本差不多，但LADS系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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機載激光測深系統的特點
機載激光測深系統的基本工作原理是激光器向海面同時發射532nm波長的藍綠光束和1064nm波長的紅外光束，藍綠光穿透水體，到達海底反射，紅外光不能穿透海水，被海面反射，通過記錄兩束激光發射接收的時間差，分別計算激光發射中心到海面高度和到海底高度，然后進一步計算出水深。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的船載多波束測深比較，具有如下特點：
⑴作業效率高。一是飛機作業速度快，一般為140～175kn，而測量船作業速度僅有8～10kn；二是航帶覆蓋寬度大，機載激光雷達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；三是可實現陸海一體化測繪，實現水深和陸地地形的無縫拼接；四是測繪產品豐富，新型激光測深系統，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、海底底質分類圖等各種專題測繪產品；五是作業綜合效費比高，機載激光測深的單位時間作業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響應速度快。可根據任務需要，在極短時間內完成目標區的全覆蓋水陸一體化地形精密測量，尤其適用于海洋工程、環境(災害)評估、應急保障等需要快速反應的場合。
⑶作業區域廣。機載激光測深作為以飛機為平臺的非接觸式測量系統，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涂、潮間帶等其他作業困難海域執行測繪任務。
⑷限制條件多。激光束在海水中以指數衰減，最大穿透能力與激光發射能量、海水透明度、海底反射率和背景光噪聲密切相關，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，機載激光測深適用于水陸交界地區海水透明度較高的淺水水域。
綜上所述，機載激光測深作為水陸交界地區的主動式、非接觸、水陸一體化測繪技術，可與傳統船載多波束測深、側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。
機載激光測深作業關鍵技術問題
作者結合機載激光測深系統飛行作業試驗，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系統性能及有關基本參數信息如下：
設備型號：CZMILNova(主要技術參數見表1)；作業平臺：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基準站；水位觀測：作業海區投放自動驗潮儀；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。試驗采用直升機平臺，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行改動，因此，經過討論分析，GNSS天線安裝在飛機自帶的兩個導航天線中間(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，誤差嚴重超限，無法對測深條帶數據進行拼接。經對數據進行進一步處理分析后發現，設備天線信號失鎖嚴重，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，天線位置調整后信號失鎖情況見圖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，地面開車測試時，GNSS基準站距飛機2km，POS數據解算結果為位置誤差±3cm、高程誤差±5cm；飛行作業時，GNSS基準站距作業區30km范圍內，POS數據解算結果為位置誤差±6cm、高程誤差±10cm，測量成果能夠滿足《海道測量規范》要求。
圖4 機載設備天線位置調整后信號失鎖情況統計示意圖
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標校場選擇與測線布設
CZMILNova型激光測深系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個接收通道的各自的3個角度偏差，在不同通道的點云數據融合解算時分別進行改正計算。
為了校正9個通道各自的安裝角偏差，需要分別布設陸地標校場和海上標校場各1個。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筑物，設計11條測線，相鄰測線重疊50%，其中：機場跑道設計東西向測線3條，分別為L1、L2、L3，其中L2為往返重復測量，測線間距130m，測線長度1700m；尖頂建筑標校測線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；設計對角線測線2條，分別為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L1、L2、L3，均為往返重復測量，測線間距130m，測線長度11km，從陸地一直延伸到60m水深處(要求水深超過設備最大測深能力)；設計東西向測線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、雨、雪、云、霧、光照、氣溫等氣象條件均對激光測深系統的作業性能產生較大影響。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、霧對激光測深系統產生同一類影響，CZMIL系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，在一定距離內能夠對人眼產生損害，因此，系統默認飛機航高不能低于290m，回波接收系統持續對回波信號進行實時檢測，當計算出航高低于290m時，則自動切斷激光發射。下雨或云霧天氣條件下實施測量作業時，當激光束打在漂浮在空中的雨滴、雪花、云霧顆粒產生回波時，因實時計算航高低于290m，會造成頻繁的激光發射中斷，使測量作業不能進行。此外，不良的天氣條件如雨、雪、云、霧等會對激光波束產生散射和吸收，引起激光能量的衰減，從而影響激光的探測能力。
環境溫度影響激光發射接收系統的工作溫度，實施測量作業時，設備溫控系統要對激光器機柜進行嚴格的溫度控制，使激光發射裝置的溫度保持在50℃以內，如果環境溫度過高，空調系統的降溫效果不佳，則會導致頻繁的作業中斷。
光照影響設備的測深能力，當背景光噪聲大于激光回波信號能量時，則信號接收系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為系統最大測深，m；KD為最大測深系數，m；K為海水漫射衰減系數，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測深能力經驗公式Dmax＝4.2K的由來。根據水質情況，K取值范圍在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的零漂會對點云數據的解算精度產生較大影響，以CZMILNova型設備為例，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，則測線的最大長度不應大于航速的1/10，即當直升機速度為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使激光發射裝置的溫度超過工作溫度，從而導致作業中斷，一般激光器持續發射5min，則必須停止作業幾分鐘等待系統降溫，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范圍內時，飛行軌跡數據解算的平面位置精度為±5cm、高程精度為±10cm；基準站距測區50km范圍內時，飛行軌跡數據解算的平面位置精度為±10cm、高程精度為±20cm；基準站距測區約100km時，飛行軌跡數據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)解算結果為平面位置精度±20cm、高程精度±30cm。
遠離大陸島礁的深度基準傳遞。當作業區為遠離大陸的孤立島礁時，因1985國家高程基準傳遞困難，可采用當地平均海面作為深度基準面，具體做法為：在測區周邊布設3～4個驗潮站，同步驗潮15天，得到當地平均海面，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遞到驗潮站上，計算得到作業海域當地平均海面與大地高的差值，進而將水深測量成果歸算到當地平均海面上。如果作業海域范圍較大，平均海面與橢球面大地高的差值不能用某一固定點數值代表，則可采用最新發布的平均海面模型進行內插，得到作業區內不同位置的平均海面與大地高差值。
結束語
隨著國外機載激光測深系統的引進，及國產化設備的逐漸定型生產，機載激光測深技術將以其作業效率高、響應速度快、適用范圍廣的特點逐步成為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，歸納作業過程中的流程、方法、注意事項，并應用于生產實際將具有重要意義。
在本次試驗生產的基礎上，下一步重點開展國產機載激光測深系統實用性評估，著手編制《機載激光測深作業規范》。利用本次試驗獲得的數據，與國內相關科研單位合作，利用國產機載激光測深設備和多波束測深系統對試驗區復測，根據復測結果全面檢驗評估國產設備的各項性能指標，及其與國外設備的技術差距，助力國產化設備的優化完善。同時，針對飛行作業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遞等方面的技術要求、實施方法和檢驗程序，同時結合數據后處理工作，規范數據處理和產品制作流程、產品檢驗程序和方法。
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