机载水深测量系统CZMIL初探

陈洁，林健，李奇，李京

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2. 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100101)

机载水深测量系统CZMIL初探

陈洁1，2，林健1，李奇1，李京1

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2. 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100101)

集成了激光雷达、高光谱和数字相机的机载水深测量系统CZMIL，可获取水陆交互带地形地貌无缝拼接信息成果，满足海洋地质调查的需求。本文在详细介绍该系统的组成部件、性能指标、产品制作流程的基础上，分析了其在软硬件和系统集成方面的提升，表明了该系统在地质调查中的巨大应用潜力。

水深测量；激光雷达；仪器；海岸带；地质调查

0 引言

海岸带是海陆之间相互作用的地区，具有较高的生产力，被称为“第一海洋经济区”。传统的机载遥感设备不能穿透水体进行探测，船载声纳由于无法进入沿岸浅水区域和海礁密集区域亦不能获取海岸带水底地形数据。为解决这个问题，机载水深测量技术应运而生，其原理是利用水体对470～580 nm 波段衰减系数最小的特性，主动发射蓝绿激光进行水下目标探测，具有精度高、覆盖面广、测点密度高、测量周期短、低消耗、易管理、高机动性等特点。该技术手段填补了沿海浅水区域水深测量的空白，为查明海岸带地质环境条件、地质资源赋存状况和主要环境地质问题提供基础资料，建立地质调查新模式，解决了海岸带地形地貌测量的“最后一公里”难题。

加拿大Optech公司最新发布的机载水深测量系统CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar)Nova突破性地集成了多种航空遥感探测器，一次飞行即可获取激光点云、高光谱、真彩色数字影像和定位定向数据，生成高精度无缝拼接数字高程模型，其最高几何绝对精度陆地部分优于0.1 m，水域部分可达0.2 m。该系统已广泛地应用于地形测量、国土资源调查、水底地物分类等领域，但在国内还没有进行过生产实践。通过对CZMIL Nova的详细阐述，为下一步熟练掌握和消化吸收机载水深测量技术，奠定良好的基础，为更好地将其应用到海岸带地质调查中提供技术支撑。

1 系统概况

1.1 激光雷达

用于水深探测的激光雷达镜头(图1)采用“推扫+频闪”的混合方式，增大接收孔径的同时提高了空间分辨率，能够高效地进行数据获取，改善雷达和影像数据融合信息质量。高功率、短脉冲的绿色激光发射器能穿透水体，通过多次回波的时间间隔区分水面和水底信息，以达到构建水底地形模型的目的，在浅海和浑浊水域同样有效。特有的反射圆斑扫描镜可从不同角度发射激光，进一步增强了水下地物的探测能力。分段式接收器能采集7次回波，每次回波最大可生成31个离散点云。CZMIL Nova激光雷达探测器的主要技术参数如表1所示。

图1 CZMIL Nova激光雷达探测器

探测模式参数技术指标水体模式浅水通道测量频率/kHz70浅水通道最大测量深度/m2/Kd深水通道测量频率/kHz10深水通道最大测量深度/m42/Kd深水通道测量精度/m[032+(0013d)2]1/2测量平面精度/m35+005d扫描角/(°)20相对航高地面覆盖宽度/%70陆地模式测量频率/kHz80测量平面精度/m±1测量垂直精度/m±15

注：表中Kd为水体平均漫衰减系数；d为发射激光光斑半径。

1.2 高光谱仪

集成ITRES公司生产CASI-1500H型机载宽阵列近红外—可见光高光谱成像仪(图2)，光谱接收范围380～1050 nm，具有高达288个光谱通道，分辨率优于3.5 nm，瞬时视场角0.49 mrad，总视场角40°。获取的高光谱数据可与激光点云等融合处理，制作水底反射率、叶绿素浓度和其他环境监测类图件产品。

图2 CASI-1500H型机载高光谱成像仪

1.3 数字相机

为了更直观地观测调查区和进一步丰富成果产品，CZMIL Nova配备了具有1亿像素(11 608×8708)分辨率的Phase One iXU-RS1000航空工业相机(图3)，影像动态范围优于84 dB，像元尺寸4.6 μm，像幅53.4 mm×40.0 mm，在同一飞行高度可得到更宽的轨道覆盖和更高的地面分辨率。相机系统采用CMOS传感器技术，感光度(ISO)范围扩大为50～6400，即使在恶劣的光照条件下仍能获取高质量影像；创新性的电磁中央叶片式快门运用电子充电直接驱动理论，将曝光速度提高至1/2500 s，叶片快门由航天工业级的碳素纤维材料制成，具有50万次曝光寿命；扩展接口兼容当今主流的各种飞控软件及GPS/IMU设备；能直接生产真彩色(RGB)、近红外(NIR)、4波段(RGBN)、3波段(NRG)和归一化植被指数(NDVI)等不同应用需求的数字影像成果。

图3 Phase One iXU-RS1000航空工业相机

1.4 定位定向单元

定位定向单元使用Trimble AP系列产品，具体型号为AP60(图4)。该系列内嵌高精度GNSS双频接收机和基于紧耦合技术支持的惯导模块，采样频率分别为5 Hz和200 Hz，可提供航空传感器的厘米级实时位置坐标和高精度姿态信息。紧耦合技术的运用使该系统直接地理定位定向能力大大提高，飞行时能保持GPS卫星的锁定状态，在转弯坡度较大、卫星失锁60 s及以内时，在有地面基站联合差分的情况下能保证厘米级的解算精度。

图4 板载Trimble AP60定位定向单元

1.5 飞控与导航

飞控与导航采用一体化的CZMIL NAV飞行管理系统，实现了一套系统对激光雷达、高光谱和数字相机的操控，能在飞行作业过程中实时显示CZMIL Nova获取数据的对地覆盖宽度、点云密度、定位精度等诊断信息，在空中即可完成初步的质量检查环节。对出现的数据采集漏洞、精度不达标地区可立即开展补飞和重飞工作，大幅度提高工作效率。

1.6 数据处理终端

CZMIL HydroFusion是基于ENVI/IDL平台开发的一体化数据处理终端。对计算机硬件最低要求包括：八核CPU、32 GB内存、Windows7 64位英文操作系统、1 GB显卡。具有结构简单、集成度高的特点，提供了任务设计、数据采集、质量控制、数据处理、成果输出等模块，能自动化完成不同传感器数据的融合，根据探测和分类的应用目的输出多样化的影像产品。主要模块的功能介绍如下：

(1)飞行设计模块，通过导入的全球数字地形模型自主学习和分析工作区的地貌特征、高程差异完成飞行航线的自动敷设，整个过程在图形化用户界面中实现，操作简单易行；具有主流飞行计划文件的导入与导出功能。

(2)自动分类模块，基于激光点云的反射率、地物光谱特征等特征信息自动识别水体和陆地，特别针对水陆交界线进行了算法改进，提升质量控制等级，初步完成海岸线的提取。

(3)多源数据融合，通过坐标配准和重采样将3种不同传感器获得数据生成一幅具有更丰富地物特征信息的合成图像，根据不同的应用需求使用特定的算法能输出包括高清影像、水底地形、点云数字高程、水质光谱、矢量海岸线等15种数据产品。

(4)具有3D可视化、激光点云编辑、正射影像镶嵌等实用工具。

2 工作流程

机载水深测量的主要流程为：需求分析、野外踏勘、航线设计、飞行前检查、数据预处理、航摄质量检查、航摄资料整理等步骤，具体工作流程如图5所示。根据所开展项目的技术要求，结合测区地貌、地形特点，选择合适的航摄飞行平台、进行合理的航摄设计。为了充分保证机载水深测量获取数据的成果质量，合理布设基站和检校场，并从航摄飞行天气条件、POS辅助数字航摄质量、POS数据处理、影像和点云数据质量检查与监控等技术环节上严格把握。

图5 机载水深测量数据获取工作流程图

3 性能与优势

新一代的CZMIL Nova机载水深测量系统在硬件指标、软件功能、模型算法上都有不同程度的改进和提高，主要体现在以下几个方面：

(1)集成化程度更高，具有更小的体积、更轻的重量以及更低的能耗。将负责系统管理、信息反馈、数据存储和网络通讯的机载操控单元改为由1部Intel Core I7电脑运行，尺寸减少了2U(标准尺寸单位)、重量减少7 kg；得益于新型激光发射器的使用，温度管理单元的水冷循环装置由3个变为1个，体积和重量均降低70%，能耗减少25%，同时降低了水冷液体泄漏的潜在风险；等级为4类的激光发射器具有更短的脉冲频率和更高的能量，激光单元整合为一个封闭系统，性能更稳定、操控更精确、安装更简易。全新的设计使得CZMIL Nova具有更好的普适性，可安装在更经济的小型飞行平台和直升机上。

(2)性能更优异。新系统通过对激光传感器所有9个通道的优化，提升了激光传感器对回波接收的宽度，使其能接收到更强的水面反射和更弱的水底反射信号，获取信息更加丰富；优化了激光传感器的光电管(PMT)，进一步降低了回波脉冲中的噪声；采用新的滤波器降低太阳辐射背景噪声，信号增加了30%同时提高了信噪比，使激光测深能力从4.2/Kd提升到4.3/Kd。

(3)改进了数据处理算法。根据用户在实际使用过程中总结的经验模型进行部分模块算法的改进，这种改进尤其针对浊水区域，提高了数据处理的精度和效率。主要有：改进了回波点云的再分类计算，使近岸地区的激光点云分类准确度得到了提升；针对不理想水表面环境的水面探测工具，提高了数据的完整性和点云的精度；改进了数码相机影像拼接的调色工具；改进了浑浊水域模型；提升了从雷达波形数据探测“cubic feature”的能力；新的点云分类模型使水面上的悬挑结构得到了保留；增加了报告每次测深脉冲的新功能；对软件的检校模块进行优化，比改进之前更加快速和自动化；改进自动空间滤波器去除大部分的异常值；增加XYZ数据的元数据；优化了激光原始数据下载至本地的速度；增加了飞行计划设计可导出的格式。

CZMIL Nova不仅相较同品牌的上一代产品性能有所提高，对比当今主流的机载水深雷达产品，CZMIL Nova也具有不可比拟的优势，主要性能参数对比结果如表2所示。

表2 当近主流机载水深雷达主要性能参数对比

从表2中的参数对比可以看出，CZMIL Nova机载水深雷达测量系统在主要技术指标上都优于其他水深测量系统，另外值得注意的是，美国SHOALS和瑞典Hawk Eye系列的水深雷达探测器均由生产CZMIL的Optech公司提供，由此也能从侧面证明CZMIL Nova水深测量系统所使用硬件代表了国际最先进的水准。

4 地质应用

4.1 海岸带和海岸线制图

CZMIL Nova机载水深测量系统面向海岸带调查和海岸线提取的需求，可同步获取海岸带结构、高密度陆地/海底激光点云数据、高光谱数据和高分辨率真彩色数字影像，可进行水面探测、水容量测量和水底地物识别与分类，运用多年积累的高效算法完成多传感器数据的融合，为沿海地区的城市规划、灾害预测与评估、环境检测等提供详实可靠的底图数据。CZMIL Nova在美国已成功服务于陆军工程兵团、美国国家海洋和大气管理局，以3～5年一个周期，用3套该设备对美国海岸线(包括内陆海)覆盖一遍，重点区每年度或半年监测，还对海洋地质灾害、龙卷风、海啸、热敏区进行及时监测，在2017年计划作业1000英里。最终向用户提供海岸带地区数字高程模型DEM、数字地表模型DSM、遥感影像、海岸线轮廓、激光反射率图、海滩宽度、岸线变化、植被指数、水质指标等基础类和融合类数据产品。与此同时，其生产厂商Optech还与南密西西比大学、俄亥俄州立大学、佛罗里达大学、新罕布什尔大学和杜克大学等单位保持着密切的合作关系。

4.2 海底探测与测量

全球海岸线由于城市的快速扩张和水质的变化处于不断的变化之中，因此亟需一种快速针对海岸带地区进行特征采集的技术手段，航空遥感可以满足对面积大、分布广的海岸带进行调查的需求，机载测深系统同时可对陆地和浅海地区完成无缝制图，并一次飞行获取激光点云、高光谱和可见光数字影像，高度集成的CZMIL Nova不仅仅意味着同步的数据采集，高性能的算法和软件具有飞行设计、数据处理、数据分析的完整工作流程，可完成获取的融合与分类自动化。在美国佛罗里达实际应用中，探测和分类深度可达36 m。在浑浊和含有泥质的水域，通常机载雷达测深系统都无法获得发射激光的回波信号，CZMIL Nova通过改进的程序和算法实现了泥质水域的水底地形探测，实践应用证明，在以往不能完成探测的水体利用CZMIL Nova可额外增加12 m测量深度。机载水深测量系统的另一个主要应用是水下物体的探测和定位，主要面向航道管理。通过探测水下管道、沉船和其他威胁航道安全的物体，并利用机载定位定向技术将其标注在海图上，避免船只正常行驶时的撞击和搁浅，其最大的海底测深可达80 m。

4.3 环境监测

由于集成了多种传感器，CZMIL Nova可以对海岸带陆地、水体表面、浅水及深水底部进行测量、定位和特征光谱分析，并通过不同地物的特征信息完成水质分析、水表污染物识别、水底珊瑚礁探测等工作，提供精细化的陆地—水底无缝连接的分类和特征产品。

5 结论与展望

CZMIL Nova作为世界最先进的机载水深测量系统之一，集成了多种高性能航空遥感设备，其中激光探测器的回波信息完整准确的记录了海面、海底反射回波信号的准确时间点和海底地物目标的反射信息，实现浅海、浅滩(船只无法到达区域)、潮间带(滩涂)等海陆交互带无缝拼接数字高程模型成果。机载水深测量系统获取真实、易于表达的数字地形模型，可对海底构造、断裂等进行详尽刻画，易于识别与解译；另外，对于集成的高光谱成像仪可与水深雷达的蓝绿激光全数字波形数据融合处理，实现海底底质分类及海岸带沉积分类。其航空遥感成果可以作为基础成果资料，作为后续继续开展的海洋地质调查与监测、资源勘探等应用领域的历史响应记录，具有较好的地质应用潜力。

目前，该设备已在渤海海岸带、三峡库区航空遥感地质调查项目中进行了工作部署，为解决资源环境和基础地质问题提供了丰富的航空遥感信息。

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2017-08-16

中国地质调查局航空物探遥感中心“三峡库区航空遥感地质调查(DD20179601)”项目资助。

陈洁(1980-)，男，高级工程师，硕士研究生，主要从事航空遥感新技术应用、数据处理和地质应用等方向的研究工作；北京市海淀区学院路31号航遥中心遥感部，Tel：13520909353，E-mail：6592296@QQ.com。

P631.46

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1009-282X(2017)06-0032-05