激光掃描技術(shù)在海洋環(huán)境測(cè)繪中的應(yīng)用

郭永亮++李杰++孫楠楠

摘 要：激光掃描技術(shù)具有測(cè)量速度快、覆蓋率高、時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)。將該技術(shù)用于對(duì)海洋及沿岸環(huán)境測(cè)繪進(jìn)行快速精準(zhǔn)的大面積測(cè)量，具有常規(guī)測(cè)量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性，已被越來越廣泛地應(yīng)用于海底地形勘查和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中。該文闡述了激光掃描技術(shù)在海岸帶測(cè)繪、測(cè)深和深海成像、海面大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量及海面油污染檢測(cè)等方面的實(shí)際應(yīng)用，詳細(xì)分析了技術(shù)原理、優(yōu)勢(shì)及其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：激光掃描技術(shù) 海洋測(cè)深 海岸帶測(cè)繪 環(huán)境監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0030-02

海洋對(duì)于人類的生存和發(fā)展有著舉足輕重的作用，對(duì)海洋及沿海環(huán)境進(jìn)行便捷有效的探測(cè)，是開發(fā)利用海洋的先決條件。海底地質(zhì)勘查、海洋資源開發(fā)和航道港口建設(shè)等科學(xué)活動(dòng)都亟需相關(guān)勘測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，而傳統(tǒng)觀測(cè)手段存在外業(yè)工作量大，困難地區(qū)難以到達(dá)及判讀精度不足等局限性，不利于高精度大面積的觀測(cè)及應(yīng)用。

激光掃描技術(shù)是現(xiàn)代激光技術(shù)與傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感儀器。由于所用探測(cè)束波長(zhǎng)的縮短和定向性的加強(qiáng)，具有高時(shí)空分辨率和高探測(cè)靈敏度等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被廣泛地應(yīng)用于海洋、陸地、大氣和其他目標(biāo)的遙感探測(cè)中。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)際上已有近10個(gè)國(guó)家先后研制了激光測(cè)繪海底地貌或水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，美國(guó)、加拿大、瑞典和俄羅斯等國(guó)家先后研制出各種海洋激光探測(cè)系統(tǒng)的樣機(jī)，使激光測(cè)繪近海環(huán)境進(jìn)入實(shí)用化。美國(guó)里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家研制的激光掃描系統(tǒng)能幫助海軍遠(yuǎn)距離操縱艦船在海洋最深處執(zhí)行打撈和救援任務(wù)。加拿大研究的LUCIE激光水下成像系統(tǒng)采用高功率激光器，在混濁的海水中也能得到較清晰圖像[3-4]。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代也積極開展了激光海洋探測(cè)系統(tǒng)的研制工作。華中科技大學(xué)在“八五”期間成功研制出我國(guó)第一套機(jī)載激光海洋探測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。中國(guó)海洋大學(xué)成功開發(fā)的多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)，可精確實(shí)時(shí)地獲取海面風(fēng)場(chǎng)和大氣能見度信息。地面及機(jī)載激光掃描系統(tǒng)在海洋測(cè)繪、制圖領(lǐng)域也逐漸得到了發(fā)展和應(yīng)用。國(guó)家海洋局已引入了激光掃描系統(tǒng)作為日常海洋管理、測(cè)繪主要數(shù)據(jù)來源。但總體上講，國(guó)內(nèi)在利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋和沿海領(lǐng)域的研究還處于起步階段，需要進(jìn)一步發(fā)展完善。

2 工作原理

激光掃描技術(shù)按其觀測(cè)的對(duì)象可分為硬目標(biāo)探測(cè)和軟目標(biāo)探測(cè)。硬目標(biāo)探測(cè)包括海底地形地貌、水深和植被觀測(cè)等，軟目標(biāo)探測(cè)包括海表面風(fēng)場(chǎng)、溫壓、云和氣溶膠探測(cè)等。

2.1 硬目標(biāo)探測(cè)基本原理

傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林等障礙物遮擋，直接獲取高精度三維地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的DEM、等高線圖及正射影像圖。該技術(shù)通過激光掃描對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度測(cè)量，以獲取目標(biāo)的線、面、體、空間等三維數(shù)據(jù)[5]。

系統(tǒng)所得到的原始數(shù)據(jù)主要包括：（1）根據(jù)激光傳播時(shí)間計(jì)算得到被掃描點(diǎn)到儀器的距離；（2）根據(jù)兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值；（3）掃描點(diǎn)對(duì)激光信號(hào)的反射強(qiáng)度等。前兩種數(shù)據(jù)用來計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值（X，Y，Z），掃描點(diǎn)反射強(qiáng)度則用來給反射點(diǎn)匹配顏色，通過測(cè)量激光在儀器和目標(biāo)表面的往返時(shí)間，可計(jì)算儀器和點(diǎn)間的距離。

2.2 軟目標(biāo)探測(cè)原理

激光在海洋大氣中傳輸時(shí)，大氣分子和氣溶膠粒子在激光的照射下將產(chǎn)生多種散射過程。當(dāng)激光信號(hào)在大氣中傳輸時(shí)，由于波長(zhǎng)較短，海面的氣體分子和氣溶膠粒子、塵埃、霧、雨等對(duì)激光信號(hào)的吸收和散射較強(qiáng)，導(dǎo)致激光光信號(hào)能量衰減，探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)[6]，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)將經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行一系列的放大、采樣和累加平均處理，使之成為一種反映回波強(qiáng)度隨探測(cè)距離而變化的激光信號(hào)。通過連續(xù)進(jìn)行測(cè)量和對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆囱萏幚?，可獲得海面大氣要素信息[7]。

3 激光掃描技術(shù)應(yīng)用

3.1 激光掃描海岸帶測(cè)繪

由于我國(guó)海岸帶地區(qū)的環(huán)境復(fù)雜、勘測(cè)條件困難，現(xiàn)有的陸地和船載測(cè)量?jī)x器難以有效使用，需做大量的野外工作，危險(xiǎn)性高，不易于大面積探測(cè)和應(yīng)用推廣[8]。

移動(dòng)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)外形輕巧，掃描頻率高，掃描距離遠(yuǎn)，對(duì)不易施測(cè)的海岸帶進(jìn)行掃描，可解決傳統(tǒng)海岸線測(cè)繪中常出現(xiàn)的岸線難以分辨或者難以到達(dá)的問題，從而提高測(cè)繪的精確度和完整度。國(guó)家海洋局已有測(cè)繪部門利用激光掃描技術(shù)對(duì)海岸帶進(jìn)行了有效勘測(cè)，可解決困難地區(qū)測(cè)繪人員登島困難、無明顯地物特征點(diǎn)、判讀困難等問題，使海岸線測(cè)繪工作在精度和完整度上得到大大提高。

3.2 水下激光成像技術(shù)

對(duì)于潛艇和水下機(jī)器人來說，進(jìn)行水下觀測(cè)是至關(guān)重要的，水下激光探測(cè)的最終目的就是：利用激光的某些特性，將其和一些具有特殊功能的光電器件相結(jié)合，最大限度地抑制海水對(duì)光線的吸收和散射作用，以期獲得質(zhì)量更佳的水下圖像或是較精確的目標(biāo)外形特征描述。

在具體應(yīng)用中可以通過控制水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，用平面激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描，CCD攝像機(jī)直接獲得激光平面與目標(biāo)表而相交出的激光亮條紋圖像，通過激光器發(fā)出激光束，不同距離發(fā)射回來的激光到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間不同，對(duì)探測(cè)器的成像進(jìn)行快門選通，僅保證一定距離的反射光能被探測(cè)器接收，并建立各坐標(biāo)系問轉(zhuǎn)換關(guān)系，可確定亮條紋上各點(diǎn)三維坐標(biāo)值，得到目標(biāo)深度圖，它提供了一般灰度圖像所不能提供的三維信息，對(duì)水下目標(biāo)數(shù)字化有特殊意義，可用于海洋勘探及繪制海底局部數(shù)字地形圖。

3.3 激光雷達(dá)測(cè)量海表大氣

多普勒大氣觀測(cè)激光雷達(dá)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種高新技術(shù)，利用多普勒激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)可進(jìn)行海表面風(fēng)場(chǎng)、云及氣溶膠等要素的觀測(cè)。系統(tǒng)通過測(cè)量信號(hào)的多普勒頻移，對(duì)激光的返回波信息進(jìn)行計(jì)算，反演出風(fēng)速、風(fēng)向及大氣能見度要素信息[9]，可快速、準(zhǔn)確探測(cè)海面大氣湍流、風(fēng)切變等嚴(yán)重影響航海安全的大氣結(jié)構(gòu)，為軍事、商業(yè)活動(dòng)導(dǎo)航提供安全保障。目前，美國(guó)NASA的GLOW車載激光掃描測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，德法合作開發(fā)的機(jī)載多普勒激光雷達(dá)等針對(duì)業(yè)務(wù)化應(yīng)用設(shè)計(jì)的小型可移式多普勒激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中都發(fā)揮了積極的作用。國(guó)內(nèi)的中國(guó)海洋大學(xué)等也在先后成功研發(fā)了多普勒非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)等[10]。endprint

3.4 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深

機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)是以飛機(jī)作為觀測(cè)平臺(tái)，以激光掃描測(cè)距系統(tǒng)作為傳感器，可以實(shí)時(shí)獲取地面三維空間信息?？捎脕磉M(jìn)行水下目標(biāo)的探測(cè)、海洋污染的監(jiān)測(cè)以及海浪特征測(cè)量等眾多領(lǐng)域的研究[11]。系統(tǒng)主要組成部分包括：動(dòng)態(tài)差分GPS接收機(jī)用于確定激光信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)的空間位置；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或GPS系統(tǒng)用于測(cè)定激光掃描裝置的主光軸姿態(tài)參數(shù)；激光測(cè)距儀用以測(cè)定激光信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)與地面激光腳點(diǎn)之間的距離；成相系統(tǒng)用于記錄地面實(shí)況[12]。作為淺水海底地形測(cè)量技術(shù)的一種補(bǔ)充手段，機(jī)載激光探測(cè)系統(tǒng)用于近海水深測(cè)量或海底地貌測(cè)繪只是一個(gè)應(yīng)用方面，系統(tǒng)的高覆蓋率決定了它的廣泛應(yīng)用前景，我國(guó)在未來將更加重視航空遙感測(cè)量技術(shù)在海洋測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

3.5 激光遙感海洋油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來，中國(guó)海域發(fā)生的多起惡性溢油事故使資源和環(huán)境受到極大損害，使得建立一種及時(shí)準(zhǔn)確的油污監(jiān)測(cè)和應(yīng)急系統(tǒng)刻不容緩。激光遙感海洋油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于一種前沿的遙感測(cè)量技術(shù)，它的主動(dòng)性、高效性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。系統(tǒng)將油污中化合物受激光激發(fā)后的熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析甄別后，對(duì)油污的種類和溢油事件發(fā)出預(yù)警，具有全天候、體積小、適用各種環(huán)境氣候等特點(diǎn)，可滿足不同的監(jiān)測(cè)需求。激光遙感海洋油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于海洋事業(yè)中的海水、海岸的溢油監(jiān)測(cè)和預(yù)警，海洋石油開發(fā)，海洋運(yùn)輸事業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。

4 結(jié)論

激光掃描技術(shù)具有快速大面積測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于近?；蚝Ｑ蟮匦螠y(cè)量之中，其發(fā)展的潛力不可低估。利用該技術(shù)對(duì)人員難以到達(dá)的海岸或深海地區(qū)進(jìn)行非接觸掃描，不僅可以得到符合要求的高精度的三維空間信息，而且可明顯提高作業(yè)效率與測(cè)量精度，是海洋信息探測(cè)方面一個(gè)極為重要的研究方向，具有廣闊的發(fā)展前景。未來系統(tǒng)的發(fā)展將以提高效率、提高精度和實(shí)時(shí)成像顯示為方向，進(jìn)一步減小系統(tǒng)的體積、重量和能源耗費(fèi)，提高整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性，并完善自動(dòng)導(dǎo)航儀與系統(tǒng)接口，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單化、實(shí)用化。

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