機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)CZMIL初探

陳潔，林健，李奇，李京

(1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)CZMIL初探

陳潔1，2，林健1，李奇1，李京1

(1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

集成了激光雷達(dá)、高光譜和數(shù)字相機(jī)的機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)CZMIL，可獲取水陸交互帶地形地貌無縫拼接信息成果，滿足海洋地質(zhì)調(diào)查的需求。本文在詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的組成部件、性能指標(biāo)、產(chǎn)品制作流程的基礎(chǔ)上，分析了其在軟硬件和系統(tǒng)集成方面的提升，表明了該系統(tǒng)在地質(zhì)調(diào)查中的巨大應(yīng)用潛力。

水深測(cè)量；激光雷達(dá)；儀器；海岸帶；地質(zhì)調(diào)查

0 引言

海岸帶是海陸之間相互作用的地區(qū)，具有較高的生產(chǎn)力，被稱為“第一海洋經(jīng)濟(jì)區(qū)”。傳統(tǒng)的機(jī)載遙感設(shè)備不能穿透水體進(jìn)行探測(cè)，船載聲納由于無法進(jìn)入沿岸淺水區(qū)域和海礁密集區(qū)域亦不能獲取海岸帶水底地形數(shù)據(jù)。為解決這個(gè)問題，機(jī)載水深測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其原理是利用水體對(duì)470～580 nm 波段衰減系數(shù)最小的特性，主動(dòng)發(fā)射藍(lán)綠激光進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)，具有精度高、覆蓋面廣、測(cè)點(diǎn)密度高、測(cè)量周期短、低消耗、易管理、高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)。該技術(shù)手段填補(bǔ)了沿海淺水區(qū)域水深測(cè)量的空白，為查明海岸帶地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)資源賦存狀況和主要環(huán)境地質(zhì)問題提供基礎(chǔ)資料，建立地質(zhì)調(diào)查新模式，解決了海岸帶地形地貌測(cè)量的“最后一公里”難題。

加拿大Optech公司最新發(fā)布的機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar)Nova突破性地集成了多種航空遙感探測(cè)器，一次飛行即可獲取激光點(diǎn)云、高光譜、真彩色數(shù)字影像和定位定向數(shù)據(jù)，生成高精度無縫拼接數(shù)字高程模型，其最高幾何絕對(duì)精度陸地部分優(yōu)于0.1 m，水域部分可達(dá)0.2 m。該系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于地形測(cè)量、國(guó)土資源調(diào)查、水底地物分類等領(lǐng)域，但在國(guó)內(nèi)還沒有進(jìn)行過生產(chǎn)實(shí)踐。通過對(duì)CZMIL Nova的詳細(xì)闡述，為下一步熟練掌握和消化吸收機(jī)載水深測(cè)量技術(shù)，奠定良好的基礎(chǔ)，為更好地將其應(yīng)用到海岸帶地質(zhì)調(diào)查中提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)概況

1.1 激光雷達(dá)

用于水深探測(cè)的激光雷達(dá)鏡頭(圖1)采用“推掃+頻閃”的混合方式，增大接收孔徑的同時(shí)提高了空間分辨率，能夠高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，改善雷達(dá)和影像數(shù)據(jù)融合信息質(zhì)量。高功率、短脈沖的綠色激光發(fā)射器能穿透水體，通過多次回波的時(shí)間間隔區(qū)分水面和水底信息，以達(dá)到構(gòu)建水底地形模型的目的，在淺海和渾濁水域同樣有效。特有的反射圓斑掃描鏡可從不同角度發(fā)射激光，進(jìn)一步增強(qiáng)了水下地物的探測(cè)能力。分段式接收器能采集7次回波，每次回波最大可生成31個(gè)離散點(diǎn)云。CZMIL Nova激光雷達(dá)探測(cè)器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 CZMIL Nova激光雷達(dá)探測(cè)器

探測(cè)模式參數(shù)技術(shù)指標(biāo)水體模式淺水通道測(cè)量頻率/kHz70淺水通道最大測(cè)量深度/m2/Kd深水通道測(cè)量頻率/kHz10深水通道最大測(cè)量深度/m42/Kd深水通道測(cè)量精度/m[032+(0013d)2]1/2測(cè)量平面精度/m35+005d掃描角/(°)20相對(duì)航高地面覆蓋寬度/%70陸地模式測(cè)量頻率/kHz80測(cè)量平面精度/m±1測(cè)量垂直精度/m±15

注：表中Kd為水體平均漫衰減系數(shù)；d為發(fā)射激光光斑半徑。

1.2 高光譜儀

集成ITRES公司生產(chǎn)CASI-1500H型機(jī)載寬陣列近紅外—可見光高光譜成像儀(圖2)，光譜接收范圍380～1050 nm，具有高達(dá)288個(gè)光譜通道，分辨率優(yōu)于3.5 nm，瞬時(shí)視場(chǎng)角0.49 mrad，總視場(chǎng)角40°。獲取的高光譜數(shù)據(jù)可與激光點(diǎn)云等融合處理，制作水底反射率、葉綠素濃度和其他環(huán)境監(jiān)測(cè)類圖件產(chǎn)品。

圖2 CASI-1500H型機(jī)載高光譜成像儀

1.3 數(shù)字相機(jī)

為了更直觀地觀測(cè)調(diào)查區(qū)和進(jìn)一步豐富成果產(chǎn)品，CZMIL Nova配備了具有1億像素(11 608×8708)分辨率的Phase One iXU-RS1000航空工業(yè)相機(jī)(圖3)，影像動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于84 dB，像元尺寸4.6 μm，像幅53.4 mm×40.0 mm，在同一飛行高度可得到更寬的軌道覆蓋和更高的地面分辨率。相機(jī)系統(tǒng)采用CMOS傳感器技術(shù)，感光度(ISO)范圍擴(kuò)大為50～6400，即使在惡劣的光照條件下仍能獲取高質(zhì)量影像；創(chuàng)新性的電磁中央葉片式快門運(yùn)用電子充電直接驅(qū)動(dòng)理論，將曝光速度提高至1/2500 s，葉片快門由航天工業(yè)級(jí)的碳素纖維材料制成，具有50萬次曝光壽命；擴(kuò)展接口兼容當(dāng)今主流的各種飛控軟件及GPS/IMU設(shè)備；能直接生產(chǎn)真彩色(RGB)、近紅外(NIR)、4波段(RGBN)、3波段(NRG)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)等不同應(yīng)用需求的數(shù)字影像成果。

圖3 Phase One iXU-RS1000航空工業(yè)相機(jī)

1.4 定位定向單元

定位定向單元使用Trimble AP系列產(chǎn)品，具體型號(hào)為AP60(圖4)。該系列內(nèi)嵌高精度GNSS雙頻接收機(jī)和基于緊耦合技術(shù)支持的慣導(dǎo)模塊，采樣頻率分別為5 Hz和200 Hz，可提供航空傳感器的厘米級(jí)實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)和高精度姿態(tài)信息。緊耦合技術(shù)的運(yùn)用使該系統(tǒng)直接地理定位定向能力大大提高，飛行時(shí)能保持GPS衛(wèi)星的鎖定狀態(tài)，在轉(zhuǎn)彎坡度較大、衛(wèi)星失鎖60 s及以內(nèi)時(shí)，在有地面基站聯(lián)合差分的情況下能保證厘米級(jí)的解算精度。

圖4 板載Trimble AP60定位定向單元

1.5 飛控與導(dǎo)航

飛控與導(dǎo)航采用一體化的CZMIL NAV飛行管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)對(duì)激光雷達(dá)、高光譜和數(shù)字相機(jī)的操控，能在飛行作業(yè)過程中實(shí)時(shí)顯示CZMIL Nova獲取數(shù)據(jù)的對(duì)地覆蓋寬度、點(diǎn)云密度、定位精度等診斷信息，在空中即可完成初步的質(zhì)量檢查環(huán)節(jié)。對(duì)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集漏洞、精度不達(dá)標(biāo)地區(qū)可立即開展補(bǔ)飛和重飛工作，大幅度提高工作效率。

1.6 數(shù)據(jù)處理終端

CZMIL HydroFusion是基于ENVI/IDL平臺(tái)開發(fā)的一體化數(shù)據(jù)處理終端。對(duì)計(jì)算機(jī)硬件最低要求包括：八核CPU、32 GB內(nèi)存、Windows7 64位英文操作系統(tǒng)、1 GB顯卡。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高的特點(diǎn)，提供了任務(wù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理、成果輸出等模塊，能自動(dòng)化完成不同傳感器數(shù)據(jù)的融合，根據(jù)探測(cè)和分類的應(yīng)用目的輸出多樣化的影像產(chǎn)品。主要模塊的功能介紹如下：

(1)飛行設(shè)計(jì)模塊，通過導(dǎo)入的全球數(shù)字地形模型自主學(xué)習(xí)和分析工作區(qū)的地貌特征、高程差異完成飛行航線的自動(dòng)敷設(shè)，整個(gè)過程在圖形化用戶界面中實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單易行；具有主流飛行計(jì)劃文件的導(dǎo)入與導(dǎo)出功能。

(2)自動(dòng)分類模塊，基于激光點(diǎn)云的反射率、地物光譜特征等特征信息自動(dòng)識(shí)別水體和陸地，特別針對(duì)水陸交界線進(jìn)行了算法改進(jìn)，提升質(zhì)量控制等級(jí)，初步完成海岸線的提取。

(3)多源數(shù)據(jù)融合，通過坐標(biāo)配準(zhǔn)和重采樣將3種不同傳感器獲得數(shù)據(jù)生成一幅具有更豐富地物特征信息的合成圖像，根據(jù)不同的應(yīng)用需求使用特定的算法能輸出包括高清影像、水底地形、點(diǎn)云數(shù)字高程、水質(zhì)光譜、矢量海岸線等15種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

(4)具有3D可視化、激光點(diǎn)云編輯、正射影像鑲嵌等實(shí)用工具。

2 工作流程

機(jī)載水深測(cè)量的主要流程為：需求分析、野外踏勘、航線設(shè)計(jì)、飛行前檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、航攝質(zhì)量檢查、航攝資料整理等步驟，具體工作流程如圖5所示。根據(jù)所開展項(xiàng)目的技術(shù)要求，結(jié)合測(cè)區(qū)地貌、地形特點(diǎn)，選擇合適的航攝飛行平臺(tái)、進(jìn)行合理的航攝設(shè)計(jì)。為了充分保證機(jī)載水深測(cè)量獲取數(shù)據(jù)的成果質(zhì)量，合理布設(shè)基站和檢校場(chǎng)，并從航攝飛行天氣條件、POS輔助數(shù)字航攝質(zhì)量、POS數(shù)據(jù)處理、影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與監(jiān)控等技術(shù)環(huán)節(jié)上嚴(yán)格把握。

圖5 機(jī)載水深測(cè)量數(shù)據(jù)獲取工作流程圖

3 性能與優(yōu)勢(shì)

新一代的CZMIL Nova機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)在硬件指標(biāo)、軟件功能、模型算法上都有不同程度的改進(jìn)和提高，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)集成化程度更高，具有更小的體積、更輕的重量以及更低的能耗。將負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理、信息反饋、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通訊的機(jī)載操控單元改為由1部Intel Core I7電腦運(yùn)行，尺寸減少了2U(標(biāo)準(zhǔn)尺寸單位)、重量減少7 kg；得益于新型激光發(fā)射器的使用，溫度管理單元的水冷循環(huán)裝置由3個(gè)變?yōu)?個(gè)，體積和重量均降低70%，能耗減少25%，同時(shí)降低了水冷液體泄漏的潛在風(fēng)險(xiǎn)；等級(jí)為4類的激光發(fā)射器具有更短的脈沖頻率和更高的能量，激光單元整合為一個(gè)封閉系統(tǒng)，性能更穩(wěn)定、操控更精確、安裝更簡(jiǎn)易。全新的設(shè)計(jì)使得CZMIL Nova具有更好的普適性，可安裝在更經(jīng)濟(jì)的小型飛行平臺(tái)和直升機(jī)上。

(2)性能更優(yōu)異。新系統(tǒng)通過對(duì)激光傳感器所有9個(gè)通道的優(yōu)化，提升了激光傳感器對(duì)回波接收的寬度，使其能接收到更強(qiáng)的水面反射和更弱的水底反射信號(hào)，獲取信息更加豐富；優(yōu)化了激光傳感器的光電管(PMT)，進(jìn)一步降低了回波脈沖中的噪聲；采用新的濾波器降低太陽輻射背景噪聲，信號(hào)增加了30%同時(shí)提高了信噪比，使激光測(cè)深能力從4.2/Kd提升到4.3/Kd。

(3)改進(jìn)了數(shù)據(jù)處理算法。根據(jù)用戶在實(shí)際使用過程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行部分模塊算法的改進(jìn)，這種改進(jìn)尤其針對(duì)濁水區(qū)域，提高了數(shù)據(jù)處理的精度和效率。主要有：改進(jìn)了回波點(diǎn)云的再分類計(jì)算，使近岸地區(qū)的激光點(diǎn)云分類準(zhǔn)確度得到了提升；針對(duì)不理想水表面環(huán)境的水面探測(cè)工具，提高了數(shù)據(jù)的完整性和點(diǎn)云的精度；改進(jìn)了數(shù)碼相機(jī)影像拼接的調(diào)色工具；改進(jìn)了渾濁水域模型；提升了從雷達(dá)波形數(shù)據(jù)探測(cè)“cubic feature”的能力；新的點(diǎn)云分類模型使水面上的懸挑結(jié)構(gòu)得到了保留；增加了報(bào)告每次測(cè)深脈沖的新功能；對(duì)軟件的檢校模塊進(jìn)行優(yōu)化，比改進(jìn)之前更加快速和自動(dòng)化；改進(jìn)自動(dòng)空間濾波器去除大部分的異常值；增加XYZ數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)；優(yōu)化了激光原始數(shù)據(jù)下載至本地的速度；增加了飛行計(jì)劃設(shè)計(jì)可導(dǎo)出的格式。

CZMIL Nova不僅相較同品牌的上一代產(chǎn)品性能有所提高，對(duì)比當(dāng)今主流的機(jī)載水深雷達(dá)產(chǎn)品，CZMIL Nova也具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要性能參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 當(dāng)近主流機(jī)載水深雷達(dá)主要性能參數(shù)對(duì)比

從表2中的參數(shù)對(duì)比可以看出，CZMIL Nova機(jī)載水深雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)在主要技術(shù)指標(biāo)上都優(yōu)于其他水深測(cè)量系統(tǒng)，另外值得注意的是，美國(guó)SHOALS和瑞典Hawk Eye系列的水深雷達(dá)探測(cè)器均由生產(chǎn)CZMIL的Optech公司提供，由此也能從側(cè)面證明CZMIL Nova水深測(cè)量系統(tǒng)所使用硬件代表了國(guó)際最先進(jìn)的水準(zhǔn)。

4 地質(zhì)應(yīng)用

4.1 海岸帶和海岸線制圖

CZMIL Nova機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)面向海岸帶調(diào)查和海岸線提取的需求，可同步獲取海岸帶結(jié)構(gòu)、高密度陸地/海底激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)和高分辨率真彩色數(shù)字影像，可進(jìn)行水面探測(cè)、水容量測(cè)量和水底地物識(shí)別與分類，運(yùn)用多年積累的高效算法完成多傳感器數(shù)據(jù)的融合，為沿海地區(qū)的城市規(guī)劃、災(zāi)害預(yù)測(cè)與評(píng)估、環(huán)境檢測(cè)等提供詳實(shí)可靠的底圖數(shù)據(jù)。CZMIL Nova在美國(guó)已成功服務(wù)于陸軍工程兵團(tuán)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局，以3～5年一個(gè)周期，用3套該設(shè)備對(duì)美國(guó)海岸線(包括內(nèi)陸海)覆蓋一遍，重點(diǎn)區(qū)每年度或半年監(jiān)測(cè)，還對(duì)海洋地質(zhì)災(zāi)害、龍卷風(fēng)、海嘯、熱敏區(qū)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，在2017年計(jì)劃作業(yè)1000英里。最終向用戶提供海岸帶地區(qū)數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字地表模型DSM、遙感影像、海岸線輪廓、激光反射率圖、海灘寬度、岸線變化、植被指數(shù)、水質(zhì)指標(biāo)等基礎(chǔ)類和融合類數(shù)據(jù)產(chǎn)品。與此同時(shí)，其生產(chǎn)廠商Optech還與南密西西比大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、新罕布什爾大學(xué)和杜克大學(xué)等單位保持著密切的合作關(guān)系。

4.2 海底探測(cè)與測(cè)量

全球海岸線由于城市的快速擴(kuò)張和水質(zhì)的變化處于不斷的變化之中，因此亟需一種快速針對(duì)海岸帶地區(qū)進(jìn)行特征采集的技術(shù)手段，航空遙感可以滿足對(duì)面積大、分布廣的海岸帶進(jìn)行調(diào)查的需求，機(jī)載測(cè)深系統(tǒng)同時(shí)可對(duì)陸地和淺海地區(qū)完成無縫制圖，并一次飛行獲取激光點(diǎn)云、高光譜和可見光數(shù)字影像，高度集成的CZMIL Nova不僅僅意味著同步的數(shù)據(jù)采集，高性能的算法和軟件具有飛行設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的完整工作流程，可完成獲取的融合與分類自動(dòng)化。在美國(guó)佛羅里達(dá)實(shí)際應(yīng)用中，探測(cè)和分類深度可達(dá)36 m。在渾濁和含有泥質(zhì)的水域，通常機(jī)載雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)都無法獲得發(fā)射激光的回波信號(hào)，CZMIL Nova通過改進(jìn)的程序和算法實(shí)現(xiàn)了泥質(zhì)水域的水底地形探測(cè)，實(shí)踐應(yīng)用證明，在以往不能完成探測(cè)的水體利用CZMIL Nova可額外增加12 m測(cè)量深度。機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)的另一個(gè)主要應(yīng)用是水下物體的探測(cè)和定位，主要面向航道管理。通過探測(cè)水下管道、沉船和其他威脅航道安全的物體，并利用機(jī)載定位定向技術(shù)將其標(biāo)注在海圖上，避免船只正常行駛時(shí)的撞擊和擱淺，其最大的海底測(cè)深可達(dá)80 m。

4.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)

由于集成了多種傳感器，CZMIL Nova可以對(duì)海岸帶陸地、水體表面、淺水及深水底部進(jìn)行測(cè)量、定位和特征光譜分析，并通過不同地物的特征信息完成水質(zhì)分析、水表污染物識(shí)別、水底珊瑚礁探測(cè)等工作，提供精細(xì)化的陸地—水底無縫連接的分類和特征產(chǎn)品。

5 結(jié)論與展望

CZMIL Nova作為世界最先進(jìn)的機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)之一，集成了多種高性能航空遙感設(shè)備，其中激光探測(cè)器的回波信息完整準(zhǔn)確的記錄了海面、海底反射回波信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)間點(diǎn)和海底地物目標(biāo)的反射信息，實(shí)現(xiàn)淺海、淺灘(船只無法到達(dá)區(qū)域)、潮間帶(灘涂)等海陸交互帶無縫拼接數(shù)字高程模型成果。機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)獲取真實(shí)、易于表達(dá)的數(shù)字地形模型，可對(duì)海底構(gòu)造、斷裂等進(jìn)行詳盡刻畫，易于識(shí)別與解譯；另外，對(duì)于集成的高光譜成像儀可與水深雷達(dá)的藍(lán)綠激光全數(shù)字波形數(shù)據(jù)融合處理，實(shí)現(xiàn)海底底質(zhì)分類及海岸帶沉積分類。其航空遙感成果可以作為基礎(chǔ)成果資料，作為后續(xù)繼續(xù)開展的海洋地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測(cè)、資源勘探等應(yīng)用領(lǐng)域的歷史響應(yīng)記錄，具有較好的地質(zhì)應(yīng)用潛力。

目前，該設(shè)備已在渤海海岸帶、三峽庫區(qū)航空遙感地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中進(jìn)行了工作部署，為解決資源環(huán)境和基礎(chǔ)地質(zhì)問題提供了豐富的航空遙感信息。

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2017-08-16

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局航空物探遙感中心“三峽庫區(qū)航空遙感地質(zhì)調(diào)查(DD20179601)”項(xiàng)目資助。

陳潔(1980-)，男，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事航空遙感新技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)應(yīng)用等方向的研究工作；北京市海淀區(qū)學(xué)院路31號(hào)航遙中心遙感部，Tel：13520909353，E-mail：6592296@QQ.com。

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