海洋測(cè)繪中激光測(cè)深的實(shí)際應(yīng)用與精度研究

吳依國(guó)

【摘 要】激光測(cè)探技術(shù)具有測(cè)量速度快，覆蓋率高，時(shí)空分辨率高的優(yōu)勢(shì)，因此，該技術(shù)在海洋測(cè)繪中得到了廣泛應(yīng)用。其可以在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量很大面積的海域。激光技術(shù)可以進(jìn)行海洋深度的測(cè)量，對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)繪，對(duì)深海進(jìn)行成像等。論文就這些方面進(jìn)行了分析，希望給有關(guān)人士一些借鑒。

【Abstract】Laser detection technology has the advantages of fast measurement， high coverage and high temporal and spatial resolution. Therefore， it has been widely used in marine surveying and mapping. It can measure a large area of the sea in a short time. Laser technology can measure the depth of the ocean， mapping underwater topography， imaging the deep sea， and so on. The thesis analyzes these aspects and hopes to give some reference to those concerned.

【關(guān)鍵詞】海洋測(cè)繪；激光測(cè)深；測(cè)量精度

【Keywords】 marine mapping； laser sounding； measurement accuracy

【中圖分類(lèi)號(hào)】P75 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0185-02

1 引言

海洋是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，為了更好地開(kāi)發(fā)海洋，對(duì)海洋進(jìn)行測(cè)繪非常重要。對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)而言，應(yīng)用中工作人員工作量較大，涉及較多的外業(yè)操作，對(duì)于自然環(huán)境惡劣的地區(qū)很難實(shí)施策略，即使進(jìn)行測(cè)量也需要測(cè)量人員冒很大的風(fēng)險(xiǎn)，而且測(cè)量效率和測(cè)量精度也會(huì)受到影響，針對(duì)這一情況就需要應(yīng)用激光測(cè)深技術(shù)，下面就對(duì)其進(jìn)行深入分析。

2 海洋測(cè)繪中激光測(cè)深的工作原理分析

在測(cè)繪時(shí)使用激光技術(shù)，根據(jù)測(cè)量目標(biāo)不同可以分為軟目標(biāo)測(cè)量和硬目標(biāo)測(cè)量。軟目標(biāo)包括海洋表面的風(fēng)、溫壓等，硬目標(biāo)包括海底地形地貌等。進(jìn)行硬目標(biāo)測(cè)量過(guò)程中，相應(yīng)的傳感器會(huì)發(fā)射激光脈沖，可以穿透樹(shù)林間隙和障礙物，得到精度較高的三維地形數(shù)據(jù)，利用配套的軟件進(jìn)行處理，就可以得到精度很高的等高線(xiàn)圖、DEM等，這一測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)主要包括三方面：第一點(diǎn)，可以得到激光束豎向值和水平方向值；第二點(diǎn)根據(jù)激光束傳播時(shí)間，得到被掃描點(diǎn)的儀器距離，上述這兩個(gè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，其反射強(qiáng)度用于顏色匹配，通過(guò)計(jì)算激光測(cè)量反射回來(lái)的時(shí)間，就可以計(jì)算出儀器和點(diǎn)間的距離。進(jìn)行軟目標(biāo)測(cè)量時(shí)，激光可以在海洋大氣中傳播，在激光的照射之下，會(huì)出現(xiàn)很多種散射，由于其波長(zhǎng)比較短，海面中的氣體分子、氣溶膠粒子、塵埃、霧、雨對(duì)激光具有很強(qiáng)的吸收能力和散射能力，導(dǎo)致信號(hào)較弱，探測(cè)器可以把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，再將其進(jìn)行放大，進(jìn)行采樣和累加處理，再經(jīng)過(guò)連續(xù)測(cè)量，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行反演處理，就可以得到相關(guān)要素[1]。

3 海洋測(cè)繪中激光測(cè)深的實(shí)際應(yīng)用分析

3.1 分析激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)的應(yīng)用

在進(jìn)行海洋測(cè)試中經(jīng)常使用機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)，觀(guān)測(cè)平臺(tái)是飛機(jī)，使用的傳感器是激光掃描測(cè)距系統(tǒng)，可以得到地面三維空間的信息，除此之外，還可以探測(cè)一些水下的目標(biāo)，能夠有效監(jiān)測(cè)海洋的污染情況。這一系統(tǒng)構(gòu)成并不復(fù)雜，主要有GPS系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，還有動(dòng)態(tài)差分GPS接收機(jī)，可以確定激光信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)位置，還可以對(duì)主光軸姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)于激光測(cè)距儀而言，可以準(zhǔn)確測(cè)量出參考點(diǎn)和地面激光腳點(diǎn)的距離。對(duì)于機(jī)載激光探測(cè)系統(tǒng)而言，經(jīng)常在近海水深進(jìn)行測(cè)量，或者進(jìn)行海底地貌的測(cè)量，這一系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，其測(cè)量覆蓋率高[2]。

3.2 分析測(cè)量海水表面大氣的應(yīng)用

在測(cè)量中主要用到主光軸姿態(tài)參數(shù)，其能夠測(cè)量氣溶膠、云、海表面風(fēng)場(chǎng)等，在具體應(yīng)用過(guò)程中，測(cè)量信號(hào)時(shí)通過(guò)多普勒頻移，就可以有效計(jì)算激光返回波的信息，通過(guò)云形式來(lái)展現(xiàn)測(cè)量對(duì)象的表面特點(diǎn)，在具體測(cè)量中，儀器自身會(huì)發(fā)射激光束，光線(xiàn)直接照射到旋轉(zhuǎn)式的鏡頭中心，之后鏡頭會(huì)快速連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，測(cè)量目標(biāo)會(huì)被這些激光束掃射，當(dāng)光線(xiàn)照射到物體上后，激光束就會(huì)重新反射到掃描儀上，然后系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，最終得到掃描儀和激光斑之間的距離。除此之外，該技術(shù)還可以準(zhǔn)確、快速測(cè)量海面大氣的風(fēng)切變、大氣湍流等，分析其是否會(huì)影響航海安全，可以為商業(yè)、軍事船只進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)前結(jié)合實(shí)際需要，國(guó)外企業(yè)已經(jīng)研制出了小型可移式多普勒激光雷達(dá)，在海上復(fù)雜的環(huán)境中發(fā)揮著非常重要的作用。

3.3 分析在水下應(yīng)用的激光成像技術(shù)

對(duì)于水下機(jī)器人、潛艇而言，在水下觀(guān)察十分有必要，在使用激光技術(shù)進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，主要利用激光的一些特點(diǎn)，將其和一些具有特殊功能的光電器件進(jìn)行結(jié)合，在最大程度上抑制海水對(duì)光線(xiàn)的吸收和散射作用，這樣就可以得到最好的水下圖像，而且測(cè)量精度高。實(shí)際使用過(guò)程中，能夠有效對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行控制，調(diào)整其在水下的移動(dòng)路線(xiàn)，使用平面激光掃描相應(yīng)的目標(biāo)，利用CCD攝像機(jī)就可以得到全面的激光平面，利用激光器發(fā)射出激光束，在不同距離發(fā)射后，激光到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間也不同。具體實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，探測(cè)器成像時(shí)，要先進(jìn)行快門(mén)選通，保持一定距離的反射光，就可以被探測(cè)器接收到，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建各個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以確定亮條紋上各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，進(jìn)而得到目標(biāo)深度圖，其可以提供灰度圖像不能提供的三維信息，可以進(jìn)行海底局部數(shù)字地圖的繪制[3]。

3.4 分析使用激光技術(shù)繪制海岸帶endprint

我國(guó)的海岸線(xiàn)環(huán)境非常復(fù)雜，實(shí)際勘察時(shí)條件也比較困難，將會(huì)影響勘察效果，當(dāng)前的陸地測(cè)量?jī)x器、船載測(cè)量?jī)x器不能有效發(fā)揮其作用，實(shí)際操作時(shí)很多工作都要在野外進(jìn)行，具有很高的危險(xiǎn)性，針對(duì)這一情況，在這一領(lǐng)域應(yīng)用了移動(dòng)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，這種設(shè)備外形比較輕巧，而且掃描頻率很高，具有很遠(yuǎn)的掃描距離，針對(duì)海岸線(xiàn)比較復(fù)雜，測(cè)量環(huán)境比較困難的區(qū)域可以有效進(jìn)行測(cè)量，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，除此之外，其能夠解決傳統(tǒng)海岸線(xiàn)測(cè)繪中經(jīng)常出現(xiàn)的岸線(xiàn)難以分辨的問(wèn)題，保證測(cè)繪的精度。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用得知，這一激光掃描技術(shù)可以有效解決測(cè)繪人員登島困難的問(wèn)題，可以對(duì)沒(méi)有明顯地物特點(diǎn)的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，因此受到廣大技術(shù)人員的青睞。

3.5 分析在監(jiān)測(cè)海面油污的應(yīng)用情況

進(jìn)行油污監(jiān)測(cè)時(shí)需要使用油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該技術(shù)具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、高效性和主動(dòng)性的特點(diǎn)，在測(cè)量過(guò)程中，油污中的化合物受到激光激發(fā)之后，系統(tǒng)可以甄別熒光數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到油污的具體數(shù)據(jù)，包括油污的面積、體量、類(lèi)型等，及時(shí)進(jìn)行油污預(yù)警，這樣在出現(xiàn)海洋油污之初，就可以及時(shí)通知相關(guān)治理部門(mén)，提升了工作效率，降低了海洋油污的發(fā)生。

4 海洋測(cè)繪中激光測(cè)深精度研究

具體測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)高速數(shù)字化儀就可以對(duì)水中的激光回波信號(hào)進(jìn)行采樣，之后結(jié)合波形情況準(zhǔn)確判斷海底、水表的時(shí)間位置，計(jì)算水深時(shí)利用二者的時(shí)間差就可以得到，由此可見(jiàn)，計(jì)算水中斜距情況時(shí)，也由海底到海面時(shí)間差的精度決定。通常情況下，水中斜距的測(cè)量誤差和使用實(shí)際算法有直接關(guān)系，一般當(dāng)確定飛行時(shí)間間隔Δt后，還需要確定海底和海表中的某一點(diǎn)是否為峰值。因此為了保證測(cè)量精度，要先確定海表的時(shí)間，海表波形具有最小的上升時(shí)間，所以測(cè)量精度較高，但是對(duì)于海底回波脈沖寬度而言，主要由激光脈沖在水中展開(kāi)的情況決定，對(duì)于激光脈沖而言，其展寬和接收視場(chǎng)角、掃描天頂角、海水參數(shù)有直接的關(guān)系。結(jié)合相關(guān)測(cè)量人員的估計(jì)在掃描天頂角15°到 20°范圍中，散射深度小于6時(shí)，在傳播過(guò)程中導(dǎo)致深度偏差在5 cm以下，因此技術(shù)人員清楚這些原理之后，就可以有效進(jìn)行糾正。除此之外，海水折射率估計(jì)出現(xiàn)偏差，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度偏差問(wèn)題，因此要做好海面波高的斜率譜分布的分析，例如當(dāng)海面風(fēng)速在10m/s到12m/s時(shí)，技術(shù)人員沒(méi)有進(jìn)行波浪校準(zhǔn)，在海浪斜率的影響下，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量深度出現(xiàn)誤差，一般深度誤差是水深的1%～2%，但是糾正海浪之后，所存在的誤差就非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)海洋測(cè)繪中激光測(cè)深的實(shí)際應(yīng)用與精度分析，發(fā)現(xiàn)激光測(cè)繪在海洋方面的應(yīng)用具有先天優(yōu)勢(shì)，其測(cè)量速度快，測(cè)量面積廣，而且測(cè)深精度高，可以進(jìn)行海底地形圖的繪制，還可以進(jìn)行海岸線(xiàn)的測(cè)繪。為了保證測(cè)量的精度，必須考慮相關(guān)影響因素，在測(cè)量中有效約束變量，避免其對(duì)測(cè)量深度造成影響。在以后的發(fā)展中，該技術(shù)還會(huì)進(jìn)一步提升，優(yōu)化測(cè)量中存在的不足，進(jìn)一步減小系統(tǒng)的體積、重量以及能源耗費(fèi)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】胡志強(qiáng). 激光測(cè)深在海洋測(cè)繪中應(yīng)用及精度分析[J]. 工程技術(shù)（引文版），2016（5）：00276-00276.

【2】翟國(guó)君， 黃謨濤， 歐陽(yáng)永忠，等. 機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)研制中的關(guān)鍵技術(shù)[J].海洋測(cè)繪， 2014， 34（3）：73-76.endprint