基于CZMIL測(cè)深技術(shù)的海陸一體地形測(cè)量初探

吳 芳， 金鼎堅(jiān)， 張宗貴， 冀欣陽， 李天祺， 高 宇

(1.中國自然資源航空物探遙感中心,北京 100083； 2. Teledyne Optech, Inc., Ontario L4K5Z8, Canada)

0 引言

海洋測(cè)繪是一切海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)與國防活動(dòng)的基礎(chǔ)，海洋中的海島、島礁及其周邊海底地形測(cè)量是海洋測(cè)繪最基本的任務(wù)之一[1]。傳統(tǒng)的海底地形測(cè)量主要是利用船載單波束/多波束等方法，雖然具有較高的測(cè)量精度，但是由于船體無法進(jìn)入沿岸水產(chǎn)養(yǎng)殖、淺水和島礁密集水域，無法滿足高精度近岸海底地形測(cè)量的需求。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深測(cè)量是集激光測(cè)距、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)定位/姿態(tài)測(cè)量、航空攝影等多種技術(shù)于一體的新型主動(dòng)機(jī)載激光測(cè)繪，可應(yīng)用于海灘和海岸線、淺海編圖、海島、島礁、水下障礙物的調(diào)查，是高效獲取高精度近岸海底地形的重要技術(shù)，尤其對(duì)“人下不去、船上不來”海岸帶的海陸一體化測(cè)量更具優(yōu)勢(shì)[2-4]。

針對(duì)海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查工作的需求，中國自然資源航空物探遙感中心于Teledyne Optech公司定制了新一代CZMIL Nova機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了測(cè)深激光雷達(dá)、CASI-1500h高光譜成像儀、Phase One iXU-RS1000數(shù)字相機(jī)等多種遙感傳感器。依托中國地質(zhì)調(diào)查局海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查工程，開展了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深測(cè)量系統(tǒng)的試生產(chǎn)工作。本文基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)CZMIL Nova，以島嶼海陸一體地形測(cè)量的初步應(yīng)用為例，介紹其海陸地形一體化測(cè)量方法原理、影響因素和技術(shù)流程。

1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)在國外一些海洋國家發(fā)展比較迅速，如美國、瑞典、澳大利亞、加拿大等，已研制出多種較為成熟的機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)，并配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。其中，代表性的有Teledyne Optech公司的CZMIL系列、Leica公司的Hawk Eye系列、RIEGL公司的VQ系列和Fugro公司的LADS系列。這些機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)具有大功率、高精度、高效率、測(cè)深能力強(qiáng)的特點(diǎn)[5-6]。根據(jù)文獻(xiàn)[1-16]歸納總結(jié)各種系列產(chǎn)品代表性測(cè)深設(shè)備的標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)，詳細(xì)指標(biāo)見表1。從設(shè)備的掃描寬度、激光頻率、最大探測(cè)水深、測(cè)深精度、激光測(cè)點(diǎn)密度等技術(shù)指標(biāo)可以看出這些設(shè)備各有優(yōu)勢(shì)。本文以CZMIL Nova系統(tǒng)為例，介紹機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)在海陸一體地形測(cè)量應(yīng)用上的方法原理、影響因素和技術(shù)流程。表中，Kd為機(jī)載激光雷達(dá)水深測(cè)量系統(tǒng)測(cè)深工作波長處的漫衰減系數(shù)；d為測(cè)量深度(單位： m)； 2σ表示2倍中誤差。

表1 典型機(jī)載激光測(cè)深雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical specifications of typical ALB system

2 CZMIL機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)

2.1 CZMIL 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深原理

CZMIL Nova系統(tǒng)的測(cè)深激光雷達(dá)在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)同時(shí)發(fā)射1 064 nm(近紅外波段)和532 nm(綠波段)的大能量、窄脈沖、高保真度的激光[8]。其中紅外波段不易穿透海水從而探測(cè)到水面后就進(jìn)行回波； 而波長處于0.47～0.58 μm之間的綠光穿透海水時(shí)的衰減最小，穿透性強(qiáng)且方向性好，可探測(cè)到海底，并被海底反射最終被傳感器接收[9]。通過測(cè)量激光在海面和海底的往返時(shí)間差，即可利用水中光速計(jì)算出海面至海底的瞬時(shí)水深值； 通過系統(tǒng)獲取的定姿定位參數(shù)計(jì)算激光在陸地和海底的三維坐標(biāo)，即可得到海陸一體地形數(shù)據(jù)，機(jī)載激光測(cè)深原理示意見圖1[10]。圖中波形圖中第1個(gè)波峰代表水面回波信號(hào)； 第2個(gè)波峰代表水底回波信號(hào)，2個(gè)波峰之間的時(shí)間差即為激光在海面和海底的往返時(shí)間差。

圖1 機(jī)載激光測(cè)深原理圖[10]Fig.1 Schematic diagram of bathymetric survey[10]

CZMIL Nova系統(tǒng)采用特殊的多通道接收器架構(gòu)，共有3個(gè)接收器。1個(gè)紅外通道實(shí)現(xiàn)陸地和水面回波探測(cè)[11-13]； 1個(gè)深水通道用于深水回波探測(cè)； 7個(gè)淺水通道用于淺水和陸地回波探測(cè)。這樣可得到9個(gè)通道的激光脈沖，這種分段探測(cè)器方法既保證了淺水區(qū)的分辨率和密度，又保證了較大的探測(cè)深度。采集某測(cè)試點(diǎn)的淺水通道、深水通道激光測(cè)深剖面圖，并從剖面中量測(cè)水面至水底實(shí)際測(cè)量深度(圖2)。圖中紅色標(biāo)識(shí)為深水通道接收激光信號(hào)； 其余顏色為各淺水通道接收激光信號(hào)。從圖2(b)中可以明顯看出，深水通道相比較于淺水通道(圖2(a))，可探測(cè)到更深海底的回波信號(hào)。

(a) 測(cè)試點(diǎn)淺水通道實(shí)際測(cè)深(測(cè)量水深可達(dá)8 m)圖2-1 機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)激光地形測(cè)量剖面分析Fig.2-1 Profile analysis of ALB system based on topographic survey

(b) 測(cè)試點(diǎn)深水通道實(shí)際測(cè)深(測(cè)量水深可達(dá)12 m)圖2-2 機(jī)載水深測(cè)量系統(tǒng)激光地形測(cè)量剖面分析Fig.2-2 Profile analysis of ALB system based on topographic survey

2.2 CZMIL 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)產(chǎn)品

CZMIL Nova系統(tǒng)集成了3種傳感器，因此該系統(tǒng)在海岸帶及島礁調(diào)查中能夠通過一次飛行同時(shí)獲取多種數(shù)據(jù)，并通過配套的HydroFusion軟件高自動(dòng)化生成海岸帶地區(qū)海陸一體的三維地形和其他不同層次的產(chǎn)品。其代表性的數(shù)據(jù)產(chǎn)品有海岸帶地形、海底底質(zhì)分類以及水體的光學(xué)參數(shù)等，從CZMIL的官方介紹(http: //www.teledyneoptech.com)和HydroFusion軟件說明[6]中可以分析出，根據(jù)處理的程度該系統(tǒng)產(chǎn)品可以分為4級(jí)，其中有些產(chǎn)品的制作需要結(jié)合其他專業(yè)應(yīng)用軟件和另行開發(fā)算法實(shí)現(xiàn)。本文主要對(duì)系統(tǒng)海陸一體地形產(chǎn)品制作展開方法技術(shù)介紹。

1)L0，原始級(jí)。主要包括激光(light detection and ranging，LiDAR)原始數(shù)據(jù)、高光譜原始數(shù)據(jù)、數(shù)字相機(jī)原始影像，此外還包括機(jī)載定位定向系統(tǒng)(position orientation system，POS)數(shù)據(jù)、地面GPS基站數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)，由外業(yè)飛行直接獲取。

2)L1，基礎(chǔ)級(jí)。主要包括LiDAR三維點(diǎn)云、高光譜正射影像、數(shù)字相機(jī)正射影像等，是系統(tǒng)機(jī)載測(cè)深測(cè)量最主要和最基本的產(chǎn)品。

3)L2，成果級(jí)。在基礎(chǔ)級(jí)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量人工操作而處理生成的產(chǎn)品。

基于LiDAR三維點(diǎn)云，可生成LiDAR高程影像圖(即海陸一體地形)、LiDAR裸露地表數(shù)字高程模型、水陸分類圖、LiDAR底部反射圖、等深線圖及實(shí)時(shí)水深圖等，需要結(jié)合其他專業(yè)軟件完成。基于高光譜正射影像，開展水色遙感研究，可生成相關(guān)參數(shù)圖件。

4)L3，應(yīng)用級(jí)。在基礎(chǔ)級(jí)產(chǎn)品和成果級(jí)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體的應(yīng)用，經(jīng)過多傳感器融合處理或經(jīng)過遙感解譯而生成的產(chǎn)品。

2.3 CZMIL系統(tǒng)海陸一體地形測(cè)量

CZMIL Nova系統(tǒng)開展海陸一體地形測(cè)量，主要是利用其單綠激光測(cè)量陸地和水下地形的能力(近紅外激光在水中沒有回波，用于陸地測(cè)量)，從而達(dá)到陸地與水體一體化量測(cè)(圖3(a))。利用獲取的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，探測(cè)每個(gè)雷達(dá)波形中的陸地、水面-水底位置，然后利用飛機(jī)的定位定姿數(shù)據(jù)和激光的指向信息，計(jì)算出激光的三維橢球坐標(biāo)，生成WGS-84橢球坐標(biāo)系下標(biāo)準(zhǔn)LAS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲點(diǎn)去除和人工編輯，僅保留陸地和海域水底有效地形數(shù)據(jù)，通過對(duì)不同高程的渲染制作海陸一體地形產(chǎn)品(圖3(b))。

(a) 海陸一體地形剖面(b) 海陸一體地形數(shù)據(jù)圖3 CZMIL Nova 海陸一體地形測(cè)量Fig.3 Land and sea integrated topographic survey(CZMIL Nova)

3 CZMIL海陸一體地形測(cè)量影響因素

結(jié)合本次機(jī)載激光雷達(dá)海陸一體測(cè)量試生產(chǎn)項(xiàng)目，要保證激光點(diǎn)云地形成果的準(zhǔn)確性和完整性，規(guī)劃數(shù)據(jù)獲取任務(wù)時(shí)需考慮以下幾項(xiàng)關(guān)鍵問題。

3.1 海底底質(zhì)對(duì)測(cè)量的影響

在進(jìn)行激光測(cè)深的時(shí)候，海底底質(zhì)的反射率對(duì)測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生很大的影響。不同區(qū)域的底質(zhì)特征會(huì)有很大的差異，這會(huì)造成底部反射光強(qiáng)度的不同，給運(yùn)用激光遙感技術(shù)測(cè)量水深的精度造成很大的影響。圖4(a)為Optech公司提供的底部反射率與ΔKdDmax的關(guān)系，可以看出，在底部反射率降到10%以后，KdDmax將下降0.2； 在底部反射率為15%時(shí)，對(duì)KdDmax無影響，指向“0”(圖中紅點(diǎn)處)，所以CZMIL系統(tǒng)標(biāo)稱的最大測(cè)深計(jì)算公式，是在底部反射率達(dá)到15%時(shí)才有效。從3種不同類型土壤的反射波譜曲線(圖4(b))看出，在波長為532 nm的光譜內(nèi)，砂(粗砂)的反射率大約為15%； 腐泥(淤泥)的反射率約為5%； 粉砂(細(xì)砂)的反射率約為30%。因此，當(dāng)海底為較亮的砂子時(shí)，按照公式計(jì)算Dmax會(huì)比預(yù)測(cè)較大，若海底為污泥時(shí)，Dmax會(huì)比預(yù)測(cè)值小。不過，相對(duì)海底底質(zhì)而言，海水清澈度對(duì)儀器最大測(cè)深的影響要重要的多。

(a) 底質(zhì)反射率與ΔKdDmax關(guān)系 (b) 3種不同類型土壤的反射波譜曲線圖4 底質(zhì)反射率曲線(摘自中心儀器測(cè)試報(bào)告)Fig.4 Bottom reflectivity curves (taken from test report of AGRS)

3.2 系統(tǒng)最大探測(cè)深度

最大探測(cè)深度是激光測(cè)深系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，在測(cè)量作業(yè)開展前，需對(duì)系統(tǒng)在測(cè)區(qū)內(nèi)水體的最大探測(cè)深度進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)深能力進(jìn)行合理的航線設(shè)計(jì)，避免無效的飛行作業(yè)。該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可用兩種方法來衡量。

1)圓盤透明度(secchi disc depth，SDD)。將圓盤沉入水中，直至其模糊看不清，量測(cè)此時(shí)圓盤所處深度，重復(fù)多次取其均值，此深度即為secchi depth，也稱海水的圓盤透明度。表1可見，典型機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)中，最大探測(cè)深度為圓盤透明度的2～3倍。

2)利用水體532 nm波段的漫衰減系數(shù)(Kd(532))和水體底部反射率來表征，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

Dmax=n/Kd(532)

(1)

式中：Dmax為最大探測(cè)深度；n為最大測(cè)深系數(shù)，當(dāng)海底反射率達(dá)到15%的情況下，一般在2～4之間。Kd(532)越大，激光測(cè)深系統(tǒng)的可探測(cè)深度越小； 水底反射率越高，激光測(cè)深系統(tǒng)的可探測(cè)深度越大[14]。根據(jù)CZMIL官方標(biāo)稱Dmax=3.5/Kd(532)(白天)；Dmax=5.0/Kd(532)(夜間)，代入經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到系統(tǒng)在不同清澈度水體白天和黑夜的最大探測(cè)深度，見表2，預(yù)估設(shè)備在測(cè)區(qū)最大深測(cè)能力時(shí)可參考。

表2 CZMIL系統(tǒng)最大探測(cè)深度(Optech，2013)Tab.2 Statistics of the maximum detection depth(Optech，2013)

(續(xù)表)

3.3 氣象條件影響

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深能力還會(huì)受到測(cè)區(qū)水體周圍環(huán)境影響，如風(fēng)浪、雨雪、云霧、赤潮等。大風(fēng)引起的海浪等同于渾濁水體，海浪打到岸邊會(huì)形成白涌浪(白色的泡沫)，光在氣泡里面不停折射，能量極大損失，無法穿透泡沫達(dá)到海底。因此，在一些近岸沙灘(易起碎浪)和懸崖處，在浪大的時(shí)候用激光測(cè)量海底點(diǎn)易丟失。另外，赤潮也是一個(gè)影響激光采集的因素，赤潮是海水中某些浮游植物、原生動(dòng)物或細(xì)菌爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態(tài)現(xiàn)象。由于水中浮游生物/藻類的生長，導(dǎo)致系統(tǒng)可能無法穿透這些藻類，并將這些生物/藻類的特征反映到點(diǎn)云，形成水中的噪點(diǎn)層。

因此，在激光雷達(dá)測(cè)深作業(yè)前，需要綜合考慮天氣、氣候等因素，并非任何水域都能得到理想的測(cè)深結(jié)果，避免大風(fēng)大浪時(shí)開展飛行作業(yè)，才能保證海陸一體地形測(cè)量的連續(xù)性。

3.4 數(shù)據(jù)獲取需注意問題

按照Optech對(duì)儀器出廠培訓(xùn)的要求，為保證獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終處理精度，對(duì)地面基站布設(shè)和機(jī)載POS系統(tǒng)提出相應(yīng)要求。同步GPS 基站的布設(shè)或連續(xù)運(yùn)行的CORS 站的選擇，應(yīng)考慮基站或CORS 站離作業(yè)飛行區(qū)最遠(yuǎn)的距離應(yīng)控制在30 km 范圍內(nèi)。每個(gè)架次飛行作業(yè)后需預(yù)檢查POS解算數(shù)據(jù)的以下幾個(gè)指標(biāo)，確保各項(xiàng)指標(biāo)均在限差范圍內(nèi)： L1/L2載波信號(hào)無失鎖情況，飛機(jī)的定位定姿數(shù)據(jù)解算結(jié)果應(yīng)符合POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的精度要求(《GB/T 27919—2011 IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》)； 同時(shí)，CZMIL系統(tǒng)對(duì)相對(duì)航高的反應(yīng)較靈敏，不同的作業(yè)高度需選用不同的模式文件(mode file)，要求飛行員在作業(yè)過程中保持計(jì)劃的航高，允許的航高上下浮動(dòng)范圍為±30 m。

4 島嶼海陸一體地形測(cè)量初步應(yīng)用

本文結(jié)合“海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查工程”海陸一體地形測(cè)量實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CZMIL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析進(jìn)行介紹，技術(shù)流程見圖5。

圖5 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)流程Fig.5 Technology flow of ALB survey

4.1 工作區(qū)概況

工作區(qū)位于北海市北部灣海域中部，為一個(gè)距陸地約50 km的海島。海島形近似于圓形，東西寬約6 km，南北長約6.5 km，面積約25 km2。該島位于沿海大陸架之上，島的南半部以海蝕地貌為主，北半部則以海積地貌為主。島的地勢(shì)為南高北低，海拔最高約79 m，自南向北逐漸傾斜，逐漸過渡到平坦寬闊的海灘。海域水體較為清澈，根據(jù)反演的Kd值可知，CZMIL系統(tǒng)在該區(qū)最大測(cè)深預(yù)估可達(dá)15 m，具有較大應(yīng)用潛力。

4.2 海陸一體地形測(cè)量

4.2.1 數(shù)據(jù)獲取

飛行平臺(tái)選用運(yùn)-12 E型飛機(jī)，飛行高度為400 m，航線間距約為200 m(相鄰航帶重疊30%)，飛行速度平均為220 km/h，測(cè)量時(shí)間為秋季。在飛行的同時(shí)，地面采用Trimble R5型接收機(jī)同步開展GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)，用于機(jī)載POS數(shù)據(jù)的差分解算。該工作區(qū)采集到的LiDAR測(cè)深數(shù)據(jù)包括LiDAR原始數(shù)據(jù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)和地面GPS基站數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)架次數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，開展機(jī)載POS數(shù)據(jù)與地面基站數(shù)據(jù)聯(lián)合解算和質(zhì)量檢查，確保數(shù)據(jù)結(jié)果精度滿足相關(guān)規(guī)范精度要求，將最后結(jié)果用于激光數(shù)據(jù)的處理。

4.2.2 數(shù)據(jù)檢校

本文所用數(shù)據(jù)檢校結(jié)果見圖6。系統(tǒng)在飛機(jī)上安裝之后進(jìn)行激光檢校，需解算出激光9個(gè)接收通道在陸域與海域的掃描角偏移、俯仰和翻滾角偏移、距離偏移以及測(cè)深偏離等參數(shù)，用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校處理，保證各通道接收激光無偏差，且激光數(shù)據(jù)與測(cè)量控制數(shù)據(jù)無偏差。在陸地和水域分別布設(shè)檢校場(chǎng)，陸地檢校場(chǎng)用于校正陸地通道，以及其和淺水通道的偏差； 水域檢校場(chǎng)用于校正激光測(cè)深偏差，以及淺水通道和深水通道的偏差[15-16]。需要說明的是，系統(tǒng)在交付使用前，Optech公司利用美國的檢校場(chǎng)對(duì)設(shè)備開展了出廠檢校，利用提供的檢校文件作為初始值，微小調(diào)動(dòng)個(gè)別參數(shù)后，通過選取同一地物激光剖面發(fā)現(xiàn)單通道各掃描方式之間激光數(shù)據(jù)吻合較好，淺水各通道激光數(shù)據(jù)已無偏差(圖6)。即可利用此檢校文件開展后續(xù)處理工作。

(a) 單通道激光檢校情況

(b) 多通道激光檢校情況圖6 激光經(jīng)檢校后效果Fig.6 Calibration result of laser

4.2.3 精度評(píng)定

影響激光雷達(dá)測(cè)深精度的因素比較多，進(jìn)行精確的精度驗(yàn)證較為困難。本次作業(yè)采取的精度驗(yàn)證方法非常粗略，根據(jù)收集到的多波束數(shù)據(jù)分布情況，選定工作區(qū)以外另一水質(zhì)清澈水域作為測(cè)試樣區(qū)，進(jìn)行了激光測(cè)量精度的評(píng)估。通過區(qū)域內(nèi)30 m深度附近40個(gè)點(diǎn)數(shù)量的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)，并將測(cè)深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為WGS-84系統(tǒng)下的橢球高，保證其與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)代表相同的地理意義。在多波束測(cè)深數(shù)據(jù)點(diǎn)有效半徑范圍內(nèi)，與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根誤差，精度均在系統(tǒng)標(biāo)稱范圍內(nèi)(表3)。

表3 測(cè)試區(qū)激光測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of laser measurement accuracy in test area (m)

4.2.4 數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品制作

利用設(shè)備配套的HydroFusion等軟件完成機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，生成工作區(qū)海陸一體地形產(chǎn)品，以高程渲染圖表現(xiàn)，主要包含以下4個(gè)步驟：

1)原始數(shù)據(jù)下載和同步。利用機(jī)載POS解算結(jié)果、飛行設(shè)計(jì)文件、系統(tǒng)參數(shù)等文件，完成原始激光雷達(dá)數(shù)據(jù)下載，及其與機(jī)載POS數(shù)據(jù)的融合處理。

2)激光點(diǎn)云生成。利用下載的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，探測(cè)每個(gè)雷達(dá)波形中的陸地、水面和水底位置，利用飛機(jī)的定位定姿數(shù)據(jù)和激光的指向信息，計(jì)算陸地、水面和水底的激光三維橢球坐標(biāo)，生成WGS-84橢球坐標(biāo)系下標(biāo)準(zhǔn)格式的LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3)激光點(diǎn)云人工編輯。對(duì)每條航帶的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建立，也可按區(qū)域范圍(block)生成點(diǎn)云模型，導(dǎo)入到HydroFusion軟件的CME(CZMIL Manual Editor)模塊中進(jìn)行噪聲點(diǎn)人工去除，生成只包括陸地、海底地形的LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4)海陸一體高程渲染圖生成。利用地理信息系統(tǒng)軟件，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行二次編輯，保留可成圖數(shù)據(jù)，刪除局部離散的散點(diǎn)； 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，生成規(guī)定采樣間隔的海陸一體數(shù)字高程圖，并按照高程值對(duì)其進(jìn)行渲染處理，疊加山體陰影，生成具有立體、彩色效果的海陸一體高程渲染圖，以供后續(xù)應(yīng)用解譯使用。本次制圖對(duì)于陸域點(diǎn)云編輯較為粗略，高程圖例最高值選取為統(tǒng)計(jì)陸域地表高程最大值。在沿岸選取3處海陸區(qū)域，清晰可見海底地形細(xì)節(jié)(圖7)。

(a) 海陸一體地形產(chǎn)品 (b) 海底地形圖7 海陸一體地形產(chǎn)品應(yīng)用Fig.7 Application of land and sea integrated topographic products

4.2.5 數(shù)據(jù)分析

分別在島的南岸和北岸選取典型地貌特征區(qū)域，分析其在影像和激光水深數(shù)據(jù)上的特點(diǎn)，見圖7中標(biāo)識(shí)A—C區(qū)域。

1)A區(qū)域。A區(qū)域位于南灣港口東側(cè)，該處有一大型海蝕柱。從海底地形數(shù)據(jù)上可見其四周為海蝕崖，南部崖腳前緣形成海蝕平臺(tái)，平臺(tái)較為平坦； 而東部崖腳海蝕平臺(tái)堆積有許多崩塌下來的大巖塊。結(jié)合影像數(shù)據(jù)可見海蝕柱頂部生長雜草、樹等綠色植物。

2)B區(qū)域。潮間帶附近的巖石在海浪和潮汐的交相侵蝕下遭到破壞，形成呈層分布的海蝕洞穴，當(dāng)洞穴上部的巖石失去支持后沿垂直節(jié)理斷裂或崩潰下來，便形成陡峭的海蝕崖。B區(qū)域?yàn)闉匙幸粠ВＮg地貌比較典型，這些海蝕崖高度在20～50 m之間，坡度略陡峭； 得到紅色箭頭處的地形剖面，可以看出，該處的海蝕平臺(tái)落差有近20 m，平緩較長一段平臺(tái)后，又有一個(gè)10 m內(nèi)的小落差。

3)C區(qū)域。C區(qū)域位于島北部，海底地形較為平坦，海底地貌主要有水下岸坡和砂質(zhì)堆積。其中，水下岸坡呈帶狀環(huán)島分布，坡度較大，海積微地貌景觀清晰可見，從海底地形數(shù)據(jù)紋理信息看底質(zhì)粒度較粗。

5 結(jié)論

本文介紹了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深系統(tǒng)CZMIL Nova的基本情況和測(cè)深原理，結(jié)合工程試生產(chǎn)任務(wù)，對(duì)系統(tǒng)的海陸一體地形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了分析闡述，梳理出影響測(cè)量質(zhì)量的關(guān)鍵問題，總結(jié)出數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及海陸一體地形產(chǎn)品制圖等步驟流程。利用系統(tǒng)獲取的海底地形數(shù)據(jù)，結(jié)合一些影像數(shù)據(jù)，可對(duì)海底地貌進(jìn)行有效分析解譯，填補(bǔ)了近岸地區(qū)因“人下不去，船上不來”的數(shù)據(jù)空白，擴(kuò)展了我國大陸海岸帶及島礁機(jī)載激光測(cè)深調(diào)查工作的應(yīng)用領(lǐng)域。

實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，影響激光測(cè)深效果主要因素是水質(zhì)的清澈度，同時(shí)也受底部反射率、飛行穩(wěn)定性、作業(yè)環(huán)境條件等其他因素影響。在工程項(xiàng)目實(shí)施前，應(yīng)綜合考慮這些影響因素，對(duì)激光測(cè)深潛力進(jìn)行分析判斷，合理規(guī)劃測(cè)深作業(yè)區(qū)域。

本次研究結(jié)果對(duì)國內(nèi)開展機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深工作規(guī)劃、技術(shù)研究和行業(yè)應(yīng)用具有參考價(jià)值。為更加深度挖掘和利用好數(shù)據(jù)，加強(qiáng)研究渾濁水域激光測(cè)深效果提升方法和數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化，加大與國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的合作； 通過國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研多部門合作，進(jìn)一步推進(jìn)國內(nèi)機(jī)載激光雷達(dá)水深測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

志謝：在項(xiàng)目研究和本文編寫過程中，得到了張永軍教授的指導(dǎo)和幫助，余學(xué)中教授、王建超教授的鼎力支持； 野外飛行隊(duì)員于坤、李勇志、張文凱等人的辛苦付出，在此一并表示衷心感謝。