科技前沿▏王胜平等：星载与机载地形地貌探测技术

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【编者序】

本文来自《高分辨率海底地形地貌——探测处理理论与技术》（吴自银等著）一书的第1.1节“星载与机载地形地貌探测技术”。在此，特别感谢作者及《科学出版社》对于平台的支持与信任！本章节由王胜平、阳凡林、朱心科、吴自银四位学者共同撰写，编发时作了部分整理与修改，版权归作者与出版社共同拥有。

单波束测深、多波束测深和侧扫声呐等船载水下声呐系统是进行海底地形地貌探测的主要技术手段，但受到测量船速度、仪器扫测范围和复杂海洋环境的限制，在浅海和复杂海底地形区域，采用船载探测地形效率较低，有时甚至无法获取数据。卫星测高、SAR遥感成像和机载激光测深等星载与机载探测技术，具有快速、高效和大面积的显著优点，且不受海洋环境的影响，是传统船载测深技术的有益补充。为此，本文简要介绍了这几种典型的星载与机载地形地貌探测技术。

一、星载海洋监测技术

⒈ 卫星测高技术

卫星测高技术是利用卫星搭载的微波雷达测高仪测定雷达脉冲往返于海表面所经历的时间来确定卫星至海面星下点的距离，根据已知的卫星轨道高度和各种误差改正来确定某种稳态意义上或一定时间尺度内平均意义上的海平面相对于一个参考椭球的大地高。其基本观测量包括信号往返时间、回波信号波形以及回波信号自动增益控制值，如图1为卫星测高原理图，海面高度简单可以表示为：

h＝r_s－r_p－h_ait＝h_mss＋h_s          ⑴

式中，h是瞬时海面的椭球高，r_s是卫星在参考椭球面上法向投影点的地心矩，h_ait是微波雷达高度计的直接测量值，h_mss是平均海面高，由大地水准面高和稳态海面地形组成，h_s是动力海面地形。

图1  卫星测高原理图

卫星测高在海洋区域可提供高精度和高分辨率的大地水准面数据。国际上由卫星测高数据反演海底地形的常用方法主要有解析和统计两大类算法。如果将海底地形的变化采用频域表示，则卫星测高反演海底地形的数据只能反映海底地形中的低、中频部分，对海底起伏的剧烈变化无能为力。卫星测高在海洋或岛屿附近受地形地物影响较大，观测精度明显下降，因此，利用卫星测高反演海洋深度，一般只有在深水海区才有望获得比较满意的计算结果。目前该手段一般难以满足大比例尺测图需要。

⒉ 海洋遥感探测技术

星载遥感探测技术是海洋探测技术体系中重要的组成部分。它伴随着卫星技术、电子技术、光电技术、微波技术等高新技术的发展而发展。1972年以来，相继发射了许多携有空间探测器的卫星，其中以Landsat、IKONOS、MOS-l、Pleiades和SPOT最引人注目，可用来全天时、全天候、定量地提供全球海洋信息。发回地面的数据有：海面风速、风向、波高、波长、波谱、海面温度、大气含水量、海冰、海面地形、海洋水准面和高分辨率雷达图像。

目前用于海洋观测的卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海洋信息。遥感技术采用的电磁波涉及可见光、红外和微波等波段。传感器按工作方式分为主动式和被动式。主动式传感器如微波高度计、散射计、合成孔径雷达（SAR）等；被动式传感器如可见红外扫描辐射计、微波辐射计等。图2为星载SAR遥感成像示意图，目前用于海洋研究的传感器和主要测量的参数见表1。

图2  星载SAR遥感成像示意图

表1  卫星传感器及其可以测量的海洋参数

传感器名称	测量的海洋参数
合成孔径雷达	波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内波、浅海地形概貌、海面污染以及海表特性信息等。
红外传感器	海表面温度
水色传感器	海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其它海洋光学参数
微波高度计	平均海平面高度、大地水准面、有效波高、海面风速、表层流、重力异常等
微波散射计	海面风场
微波辐射计	海面温度、海面风速以及海冰水气含量、降雨等

星载海洋探测技术给传统探测技术以极大的冲击，它给人类带来更加宽广的视野。为开展多种海洋研究提供了宏观背景和依据。现行各种传感器性能及分辨力的提高，意味着星载技术在评价海图完整性和准确性、海图更新与修测、发布一般通告、证实可疑危险物并确定其位置和鉴定水深资料的现势可靠性、辅助确定优先测量的区域、开展海洋大地水准面、海面地形、海洋洋流等众多方面具有广阔的应用前景。

利用微波遥感技术可以进行水下地形探测与反演。水下地形SAR遥感成像过程由三部分组成（见图3）：

图3  SAR浅海水下地形成像机理

⑴水下地形和潮流相互作用引起海表流速调制，形成表面辐聚辐散；

⑵海表面流场调制引起风致海浪短波谱的变化，进而引起海表面粗糙度的变化；

⑶海表面粗糙度变化在雷达图像上表现为强度调制。水下地形SAR成像模型主要由纳维-斯托克斯方程、波作用量谱平衡方程、雷达后向散射模式等三个传递方程组成。

二、机载海洋探测技术

⒈ 机载LIDAR测深技术

机载激光测深的基本原理是在飞机上发射两种激光束，分别测量飞机到海面和海底的高度，由此得到水的深度。一般可测深 30m～50m，精度在± 0.1～0.2m左右。适用于大面积浅水（特别是海底能见度较好的水域）水深测量。机载激光传感器受其质量体积等要求需搭载有人驾驶固定翼飞机，测量成本较高。目前的主流型号主要包括：加拿大的Larse500以及澳大利亚的LADS等（表2）。

 表2   几种机载LIDAR仪器及参数

型号	激光器	脉冲重复频率（HZ）	扫面范围（m）	飞机高度（m）	飞行速度（m/s）	最大测深度（m）	测深精度（m）
Larse500	/	/	268	500	70	40	0.3
LADS	1.06μm-0.53μm	168	250	500	70	50	/
LADS MKⅡ	/	900	240	500	90	70	0.3
Hawk Eye	1.06μm～0.53μm	200	0°～55°	300	15～60	70	0.3
FLASH	1.06μm～0.53μm	200	/	/	/	34	/

⒉ 无人机航空摄影测量技术

鉴于星载卫星测高及遥感手段精度较差，而机载LIDAR价格昂贵，并受飞机机种限制、对飞行高度要求苛刻、对潮位时机把握严格、机动灵活性等方面的局限性，采用超低空无人机进行滩涂及岛礁地形测量成为上述手段的有效补充。

无人机航空摄影测量是指利用轻型无人机搭载高分辨率数字彩色航摄相机获取测区影像数据和测量状态等参数，通过数据传输储存技术将以上参数传送到地面控制系统中，在数字摄影测量工作站上进行图像处理分析。获得无人机的GPS/POS数据以及相机参数后，就可以通过几何关系提取立体像对中地物点的高程信息，速度比传统方法大大提高。采用基于最小二乘理论的滩涂测绘系统检校技术，借助高精度空三加密，采集精度相对较高的高程信息，利用二次内定向方法进行平差，得到满足海洋滩涂变化势态监测分析使用的DEM。该手段可以获取滩涂及岛礁1:2000的地形图，但水深反演能力较差。目前在条件较为良好的情况下，无人机滩涂及岛礁测量精度可以满足1:1000测图精度需要。

无人机具有空域申请手续简单、机动性强、维护操作简便、可在云层下实施航拍、风险小以及低空高分辨率等优点，是获取小范围大比例尺数据的有效手段，目前被广泛应用于海况应急监测、不可达海域地图数据获取、大比例测图与地图数据获取、海域地图局部更新以及小范围三维模型建立等诸多领域。如图4为油污泄露无人机探测。

图4  无人机油污泄露探测

三、小结

卫星测高及海洋遥感探测技术主要应用于海面地形和大地水准面探测，以及大面积海底地形的快速探测与反演。机载激光测深的精度较高，但对水体环境有很高的要求，且激光传感器体积庞大，需搭载有人驾驶固定翼飞机，导致其测量与运维成本很高。基于无人机光学遥感的地形地貌探测技术主要应用于岛礁与滩涂等船载测量难点区，具有很高的陆地地形测量精度，但水深探测与反演精度较低。船载、星载与机载地形地貌探测技术共同组成了较为完备的海底地形地貌探测技术体系。

【作者简介】第一作者王胜平，男，山西新绛人，1983.10月出生，2011年获武汉大学大地测量学与测量工程博士。现为东华理工大学测绘工程学院副教授、硕士生导师，中国测绘学会海洋测绘专业委员会委员；研究方向为水下地形地貌测量、水下地磁匹配导航；在国内外核心刊物发表论文30余篇（其中EI检索20篇）；出版著作1部，参编2部；主持海洋测绘领域国家自然科学基金，江西省自然科学基金等纵横向项目多项。《高分辨率海底地形地貌》（吴自银等著）一书由吴自银、阳凡林、罗孝文、李守军、王胜平、丁维凤、曹振轶、许雪峰、赵荻能、朱心科、应剑云、霍冠英、金绍华、尚继宏、章伟艳、高金耀、李怀明、杨克红、李小虎、梁裕扬、马维林、周洁琼、熊明宽23位学者共同撰写，全套书共两册：探测处理理论与技术，可视计算与科学应用。本文发表征得了作者的同意，并且对部分内容进行了修改与整理，其他平台如要转载务请标注出处，并征得作者与出版单位认可。

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