CZMIL機載激光測深系統(tǒng)及其在駱馬湖測深試驗評估

王宗偉，朱士才，盧 剛，彭樹標

(1. 江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013；2. 衛(wèi)星測繪技術與應用國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 南京 210013)

CZMIL機載激光測深系統(tǒng)及其在駱馬湖測深試驗評估

王宗偉1,2，朱士才1，盧 剛1,2，彭樹標1,2

(1. 江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013；2. 衛(wèi)星測繪技術與應用國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 南京 210013)

機載LiDAR測深技術被認為是海洋測繪領域極具潛力的對地觀測新技術，國內對LiDAR測深的試驗大都是針對南海這類水質較清的區(qū)域。本研究首次在國內引入先進的CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)系統(tǒng)，選取較為渾濁的江蘇省駱馬湖作為試驗測區(qū)，進行了測深試驗。試驗結果表明，在測區(qū)有著低底部反射率、高漫衰減系數(shù)的情況下，CZMIL系統(tǒng)仍能夠成功探測到湖底數(shù)據(jù)，成果精度達到了CZMIL系統(tǒng)標稱的測深精度指標，具有較好測深探測能力和精度。

機載LiDAR；CZMIL；駱馬湖；點云去噪；漫衰減系數(shù)

0 引言

機載激光測深技術屬于主動測深系統(tǒng)，采用掃描測量方式從空中發(fā)射激光來探測水深，具有覆蓋范圍廣、作業(yè)周期短、測量點云密、點云精度高、低消耗、高機動性等特點[1]。從國外研究情況看，其在50 m以淺的水域，具有無可比擬的優(yōu)越性，特別是能夠高效快速測量淺海島礁、暗礁及船只無法安全到達的水域。世界上成熟的機載激光測深系統(tǒng)主要有5種，分別是加拿大的SHOALS系統(tǒng)，瑞典的HawkEye系統(tǒng)，澳大利亞的LADS系統(tǒng)，美國NASA的EAARL以及SHOALS系統(tǒng)的升級產品CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)系統(tǒng)[2]。根據(jù)文獻[2]中各種測深設備標稱的測深精度、最小探測水深、最大探測水深、激光器的重復頻率、測點密度、掃描帶寬等參數(shù)可以看出CZMIL測深系統(tǒng)的綜合性能最佳[1]。

一般情況下，可用水體532 nm波段的漫衰減系數(shù)和水底底部反射率來間接反映機載激光測深系統(tǒng)的穿透能力：Kd(532)越大，測深系統(tǒng)的有效測深深度就越??；水底底部反射率越高，測深系統(tǒng)的有效測深深度就越大；反之亦然。目前國內進行的機載激光測深試驗都是針對南海這類水質較清的區(qū)域[3]，該類水體532 nm波段的漫衰減系數(shù)大都低于0.1 m-1，對目前成熟的機載激光測深系統(tǒng)來說均屬于難度較低的測區(qū)。針對渾濁區(qū)域[Kd(532)>0.3 m-1][4]尤其是非常渾濁區(qū)域[Kd(532)>0.5 m-1]這類有難度的測區(qū)目前尚沒有相關的論文及試驗報道。故此本研究引入目前國際上較為先進的CZMIL系統(tǒng)，這是國內首次引入該設備，選取較為渾濁的江蘇省駱馬湖進行LiDAR測深試驗，并評估其應用效果。

1 測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)參數(shù)

CZMIL系統(tǒng)集成了測深雷達、高光譜成像系統(tǒng)和數(shù)碼相機，是一種全新的針對淺海海底地形、底棲生物和水柱表征，同時獲取高分辨率三維數(shù)據(jù)和影像的空中海岸測量系統(tǒng)[5]。CZMIL系統(tǒng)采用20 cm直徑旋轉的菲涅爾棱鏡進行圓形掃描，保證了前后各掃描一次，能產生更高的點云密度，是其他系統(tǒng)的10～15倍，覆蓋度為其他系統(tǒng)的3倍。CZMIL系統(tǒng)擁有1個深水通道和7個淺水通道能夠有針對性地獲取水下地形信息。該系統(tǒng)是美國軍方2011年向加拿大OPTECH公司定制的，2012年交付美國軍方使用，近年來才轉為民用。CZMIL系統(tǒng)主要技術參數(shù)見表1[6]。

表1 CZMIL系統(tǒng)主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of CZMIL sounding system

1.2 測深原理

CZMIL系統(tǒng)在進行測量作業(yè)時會發(fā)射紅外光和藍綠光兩種波長的激光脈沖。其中紅外波段不易穿透海水從而探測到水面后就進行回波；而波長處于0.47～0.58 μm之間的藍綠光穿透海水時的衰減最小，穿透性強且方向性好[7-8]，故藍綠波段可探測到海底，并被海底反射最終被傳感器接收。系統(tǒng)記錄紅外光和藍綠光發(fā)射和返回的時間，藍綠光返回的時間減去紅外光返回的時間即藍綠光在水中的往返時間，再結合藍綠光的入射角度和海水折射等即可計算出測量點的瞬時水深值。最后根據(jù)飛行姿態(tài)及其定位信息和潮汐數(shù)據(jù)等解算出測量點的位置和基于深度基準面的水深值[1]。

(1)

再根據(jù)接收紅外光與藍綠光的時間差Δti和光在真空中的傳播速度c，求取的水深值D可表達為：

(2)

圖1 機載激光測深原理圖Fig.1 Principle diagram of airborne laser depth sounding

2 試驗方案

本研究的試驗方案是采用CZMIL系統(tǒng)對江蘇省的駱馬湖測區(qū)進行LiDAR測深試驗，并同步采集野外實測數(shù)據(jù)，進而進行LiDAR測深數(shù)據(jù)的精度驗證和分析。

2.1 測區(qū)概況

駱馬湖位于江蘇省北部，跨徐州與宿遷二市，位于34°00′～34°11′N，118°04′～118°18′E。湖水面積260 km2，東岸為丘陵山區(qū)，北、西、南岸為平原，最大寬度20 km，湖底高程18～21 m，最大水深5.5 m，大小島嶼60多個。駱馬湖水質為地表水III類，已接近富營養(yǎng)化水平[9]。湖內水質較清，但逐年增加的采沙作業(yè)導致水體渾濁度上升，水底存在沙坑等突變地形情況，湖底地質環(huán)境受到嚴重破壞，湖底底部反射率約為5%。根據(jù)2014年12月22日MODIS Aqua數(shù)據(jù)反演的Kd值可知，試驗測區(qū)Kd(532)大于0.5 m-1，局部最高可達1.2 m-1，CZMIL系統(tǒng)視其為極渾濁測區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

2014年10月至2014年12月，采用雙頻測深儀(ODOM MKIII、中海達HD-28T)采集測點至水底深度，基于JSCORS的網(wǎng)絡RTK方式采集測點位置的WGS 1984坐標。駱馬湖范圍內共采集32 153個均勻分布的有效實測點，分別獲取其水下地形數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)，其測線間距約200 m，同測線點云間距約70 m，實測點的平均大地高為16.4 m，平均水深為4.3 m。

2014年12月30日，以運-12飛機為飛行平臺搭載CZMIL系統(tǒng)，在淮安漣水機場起飛，于北京時間15時24分開始，17時09分結束，歷時105 min，航線間距約291 m，航高約400 m。共采集到18條航線的LiDAR測深數(shù)據(jù)，包括原始激光點云和影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、航跡文件、檢校數(shù)據(jù)等。測區(qū)LiDAR航跡和實測點分布及其湖底高程(大地高)渲染如圖2所示。

圖2 LiDAR航跡和實測點分布及湖底高程渲染圖Fig.2 Map of LiDAR track and the distribution of measured points and its rendering of geodetic height

3 數(shù)據(jù)處理

采用如圖3所示的處理流程，對激光數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和基站GPS數(shù)據(jù)進行處理獲取測量點的三維坐標(X,Y,Z)[10]。本文數(shù)據(jù)處理工作采用的HydroFusion軟件是Optech公司針對CZMIL測深系統(tǒng)研發(fā)，可實現(xiàn)航線設計到數(shù)據(jù)融合等一系列工作流程。前期預處理工作與傳統(tǒng)LiDAR測高工序基本一致，本文不再贅述。

圖3 LiDAR測深數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 LiDAR data processing flow chart

(1)點云分類。LiDAR測深與傳統(tǒng)LiDAR測高的點云分類側重面不同，LiDAR測深系統(tǒng)采集的點云分類主要是陸地點、水面點和水下點。由于LiDAR測深系統(tǒng)所用激光波段不止于紅外波段，可通過探測波段的屬性及其回波信息確定點云類別。水面點依據(jù)紅外激光不易穿透水面，探測到水面后的單次回波可明顯區(qū)分。陸地點和水下點均有二次回波，水下點可通過首次回波為水面點進行分類。

(2)點云去噪。點云去噪難度最大的是水下噪聲點的判斷。一般情況下，CZMIL測深系統(tǒng)發(fā)射一定強度的藍綠激光，透過水體經底部反射回來的激光強度只有達到一定的強度才被認為是有效水下點回波，否則就是噪聲點。這個強度閾值是根據(jù)發(fā)射激光的強度、測區(qū)水域的漫衰減系數(shù)、底部反射率、大氣影響和測深系統(tǒng)器件參數(shù)確定。本文試驗測區(qū)的強度閾值在深水通道約為200，淺水通道約為50。圖4是兩種通道情況下試驗區(qū)LiDAR點云幾種典型的波形圖。

圖4 測區(qū)LiDAR點云的典型波形圖Fig.4 Typical waveform of LiDAR points in the measuring area

依據(jù)波形去噪后再經基于高程均值離差迭代的方法[11]進一步去噪后，具體噪聲點剔除前后點云覆蓋面積統(tǒng)計如表2所示，噪聲點剔除后的湖底地形模型渲染圖如圖5所示，并選取左側局部進行放大。盡管試驗區(qū)有著低底部反射率(5%)、高Kd值[Kd(532)大于0.5 m-1，局部最高可達1.2 m-1]，但仍能夠成功探測到水底數(shù)據(jù)。針對圖5中LiDAR航飛區(qū)域中間部分缺少LiDAR點云的情況，經實地勘測發(fā)現(xiàn)該區(qū)域聚集著采沙船，采沙作業(yè)造成的高懸沙的水質環(huán)境[Kd(532)最高達1.2 m-1]和湖底沙坑(水深最高達13.71 m，平均為6.33 m)嚴重影響了CZMIL系統(tǒng)對湖底數(shù)據(jù)的獲取，依據(jù)表1可知該區(qū)域超出了CZMIL系統(tǒng)的最大探測深度。

表2 測區(qū)噪聲點剔除前后點云覆蓋面積對比Tab.2 Comparison of the coverage area of points before and after removing noise points

圖5 噪聲點剔除后湖底地形模型渲染圖Fig.5 The rendering of bottom topography after removing the noise points

4 結果與評價

4.1 精度驗證

本文通過陸地精度、LiDAR點云內部檢核精度和外部檢核精度三方面對LiDAR測深數(shù)據(jù)處理結果進行精度驗證，詳細內容如下：

(1)陸地精度驗證。選取淮安漣水機場實地采集控制點與CZMIL系統(tǒng)采集點進行同名點比較，依據(jù)LiDAR點的位置進行GPS實地采集其高程值，共實測83個GPS點。經對比驗證，垂直精度誤差的平均值為-0.013 m，標準差為0.040 m，達到CZMIL系統(tǒng)標稱的陸地±15 cm的垂直精度指標[12]。

(2)內部檢核精度驗證。在航帶重疊區(qū)域驗證不同航帶的LiDAR點云的高程套合情況，即內部相對精度。經對比發(fā)現(xiàn)：測區(qū)航帶重疊區(qū)的LiDAR點云的高程值呈離散式均勻分布，不存在整體差，內部檢核精度較好。圖6是選取測區(qū)部分航帶重疊區(qū)域的LiDAR同名點的高程分布，其平均高程差為0.02 m，高程中誤差為0.13 m，不影響相鄰航帶間數(shù)據(jù)拼接。

圖6 測區(qū)某重疊區(qū)域LiDAR同名點高程對比圖Fig.6 Elevation comparison chart of matching LiDAR points in the overlapping area

(3)外部檢核精度驗證。通過外業(yè)采集的實測點進行精度驗證，兩者統(tǒng)一坐標系至UTM_Zone_50N后，以實測數(shù)據(jù)為圓心，選取3 m半徑范圍內的最鄰近LiDAR水下點，用實測點高程減去LiDAR點高程作為高差，其具體高差統(tǒng)計如圖7所示。共有可用實測點為414個，均勻分布在圖5中噪聲點剔除后的LiDAR點云覆蓋區(qū)，經計算，平均高差為-0.31 m，標準差為0.32 m，最大水深為4.44 m，平均水深為2.33 m，精度滿足表1中CZMIL系統(tǒng)標稱的測深精度。

圖7 測區(qū)外部精度檢核高差統(tǒng)計圖Fig.7 Statistics of elevation difference of external precision check in the test area

4.2 評價

雖然測區(qū)水質極為渾濁且水底反射率較低，雙重因素影響了CZMIL系統(tǒng)的穿透能力，但 CZMIL系統(tǒng)在試驗測區(qū)獲取的數(shù)據(jù)依然表現(xiàn)出較優(yōu)的水平，不僅能夠成功探測到水底數(shù)據(jù)，且精度較高，達到了CZMIL系統(tǒng)標稱的精度指標。但在采沙作業(yè)集中區(qū)域，該系統(tǒng)未能成功探測到湖底數(shù)據(jù)，總體測區(qū)的水底有效探測面積占比約為48%。

由駱馬湖測區(qū)中間采沙作業(yè)集中區(qū)域未能成功探測到底部數(shù)據(jù)可知，目前的LiDAR測深技術有其局限性，在進行LiDAR測深項目時可事先進行LiDAR測深性能估算，進而確定LiDAR測深技術在目標區(qū)域的可行性。

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CZMILairbornelasersoundingsystemanditstestingevaluationinLuomaLake

WANG Zong-wei1,2, ZHU Shi-cai1, LU Gang1,2, PENG Shu-biao1,2

(1.JiangsuProvinceSurveying&MappingEngineeringInstitute,Nanjing210013,China; 2.KeyLaboratoryofSatelliteMappingTechnologyandApplication,NASG,Nanjing210013,China)

Airborne LiDAR sounding technology is considered to be a promising new technique for earth observation. In China, most of the LiDAR sounding experiments were conducted in areas with relatively clear water quality, such as the South China Sea. This is the first time to introduce the advanced CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR) system in China. The Luoma Lake in Jiangsu Province was selected for experimental area. The test results show that although the survey area has low bottom reflectivity and high bottom reflection diffuse attenuation coefficient, CZMIL system can successfully detect the bottom data. The accuracy of result can meet the accuracy requirement of CZMIL system. The CZMIL system has better detection ability and precision.

airborne LiDAR; CZMIL; Luoma Lake; point cloud denoising; diffuse attenuation coefficient

王宗偉，朱士才，盧剛，等.CZMIL機載激光測深系統(tǒng)及其在駱馬湖測深試驗評估[J].海洋學研究,2017,35(3):20-26,

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.003.

WANG Zong-wei, ZHU Shi-cai, LU Gang, et al. CZMIL airborne laser sounding system and its testing evaluation in Luoma Lake[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(3):20-26, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.003.

2017-02-13

2017-03-21

測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項經費項目資助(201512030)

王宗偉(1988-)，男，安徽宿州市人，工程師，主要從事LiDAR技術和航空攝影測量的應用研究工作。

E-mail：wangzongwei328@163.com

P715.7

A

1001-909X(2017)03-0020-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.003