测绘论坛▏机载激光雷达测深技术研究与进展
一、引言
伴随着国民经济发展及国防建设需要，我国对内河、水库及海域的水上、水下地形测量任务需求不断增加，尤其是十八大提出的海洋强国战略，重点发展海洋经济提高海洋资源开发能力以及维护国家主权、安全和发展利益，都将水域或海洋测绘领域研究提升到了战略性高度。目前常规的水域地形测量方法主要通过水上光学成像、水下声学探测的方法，例如利用航空航天遥感手段获取水域或海岸带、岛礁的影像以获取水上地形数据，采用水面移动平台搭载单波束或多波束测深系统进行水下水深测量。光学遥感成像法具有数据获取效率高、光谱成像等特点，但利用立体定位技术方法无法直接获取水下地形，对于缺少特征点的区域如水岸带等测绘难度也较大。水下声学探测技术能够直接获取水深及水下高精度地形，但浅水区域例如潮间带容易受海洋潮汐影响，且作业环境复杂，只能利用人工方式进行数据采集，效率低、难度大且有一定危险性，因此长期以来此类区域存在大量的测绘空白。
激光雷达（LiDAR）是一种集激光测距技术、定位定姿技术于一体的主动式遥感观测技术，可以直接获取地物目标表面高精度的三维坐标、强度等数据，目前已在城市三维建模、森林调查、管道与电力线维护、工业自动化测量等陆上领域得到了广泛应用。LiDAR中选用的激光波段通常有绿、近红外、红外波段等，对于不同波段水体具有不同的吸收、反射和透射特性。区别于被动式光学遥感成像，绿激光能够穿透水体进而实现水下地形测量，目前已有较为成熟的国外商业机载平台激光雷达测深系统能够成功实现激光水下测量，如OPTECH公司的CZMIL、RIEGL公司的VQ-880-G、LEICA公司的HawkEye等，这些系统已在河流海岸带水深测量、水底分类及制图、珊瑚礁的监测、水下考古、水面油污的监测和水下鱼群的监测等多个领域展开了应用。以航空平台为载体的激光水深测量能够有效解决传统测深方式存在的周期长、机动性差、效率低、测区范围有限等缺点，取得了较好的应用效果，但此类系统通常设备沉重且价格高昂，例如CZMIL系统重360kg，售价3000万人民币以上，一定程度上限定了此类机载系统的应用普及。国内目前开展激光雷达测深系统研究的单位主要有中国科学院上海光机所、山东科技大学、国家自然资源部第一海洋研究所、深圳大学、武汉海达数云公司等，但研究成果停留在试验验证阶段，离实用化尚有距离。
机载激光雷达测深技术是一种主动式遥感观测技术，利用激光在水中的反射、透射传播特性进行水深测量。以目前常见的双色激光海水测深为例，由于0.47～0.58μm波段光波在海水中受到的吸收、散射等能量衰减作用相对其他波段影响较低，故采用该波段的绿激光（532nm）进行穿透海水量测；水对近红外波段吸收强，但水面具有相对较高的反射率，因此也可与绿激光相结合提高水深测量精度。目前常采用的激光扫描方式有圆、椭圆和直线三种方式，以RIEGL VQ-880-G为例，绿色激光（532nm）采用圆形循环扫描方式对陆地或穿透水面进行测量，近红外激光（1064nm）采用线型扫描方式对陆地或水体表面进行测量。
二、激光测深关键技术
典型的机载激光雷达测深系统是由激光测量装置、POS、同步控制系统等集成而成，激光测深的能力与测量精度与各系统性能直接相关。此外，激光测深直接受水体的复杂传输特性影响，加上如大气环境、波浪潮汐等外在条件的变化，均会对测深结果产生影响。综合分析各因素，并采用合理的手段处理或降低各类因素影响，是提升激光测深能力与性能的关键。
当前主流的机载激光测深系统均采用全波形分析手段作为波形处理的主要方法，其目的是实现水底目标物的特征提取及目标精确定位。根据激光测深原理，激光器发射一束具有较小发散角的激光，到达水面或水底后会形成一个光斑，例如RIEGL VQ-880-G在1000m高度的水面光斑直径约1m，光斑范围内的水体或地形变化会影响激光回波信号的形状。理论上接收器的接收方向与水面垂直时接收到的水底反射回波的峰值形状最为准确合理，但是当光斑内的水面或水底不平时，首先接收到距离最近的水底反射信息，然后再接收距离较远的回波信息，因此将会在激光回波信号的形状上产生拉伸进而降低波峰值。同时，由于受到激光测距装置、波浪、水体浑浊度、水底地形等多因素影响，回波信号也会存在其他系统误差或噪声，因此在进行波形分析之前还需要对回波信号进行校正及噪声滤除以提高波峰搜索精度。
确定水面激光回波反射波峰与水底回波波峰之间的时间差，即可实现水深的精确量测，其关键是实现回波信号的高精度波峰搜索。截止目前，尚未出现一个能够适应所有水体环境的回波数据处理算法。已有的方法根据不同原理可分为3类：波峰探测法、反卷积法和数学模拟法。
机载激光雷达测深根据水面及水底的回波信息实现水深量测，但测量结果仅针对观测瞬间的水体表面，当水体环境发生动态变化时例如海域测量时受波浪与潮汐影响，就需要对测量结果进行相应改正，以解决瞬时平均水面或深度基准面的数据转换问题。目前国外成熟的机载激光雷达测深系统自带的数据处理软件中均具备相关处理能力，但算法并未公开。
与国外研究相比，国内相关研究相对较少。代表性的有：基于对不同风浪条件下扫描方式的回波信号接收概率与变化规律研究，对扫描方式与测深系统参数的最优方案确定进行研究；基于不同水域波浪与潮汐的空间几何结构特征，提出针对性的波浪改正方法，得到适用特定环境与水域特征的改正方案；基于机载激光雷达水深测量系统的工作原理，对深度反演进行深入分析，构建水面模拟数学模型，利用实测水面激光点进行水面模型拟合等。
由于大气与水体的密度不同，光线在介质传输过程中存在折射现象。对于激光测深来说，影响最大的是大气与水体之间光线的折射传播，而水体内由于密度不均匀引起的光线折射影响相对较小。简单的处理方法是针对特定波长的激光在特定水域内指定一个常数折射率进行折射改正，例如波长532nm的绿激光在海水中的常数折射率定义为1.341，水深计算过程中将水体视为具有相同密度的介质。此方法可以简化激光测深中的折射改正处理过程，但实际上随着海水深度及盐度和浑浊度变化，海水折射率也随之发生变化，定义常数折射率必然会导致测量误差，例如在深度50m的海水中将会导致20cm左右的测量误差。
在折射改正处理过程中，除了分析折射率变化因素之外，水面波浪产生的激光入射面法向量变化也会对测量结果产生影响，需要结合激光入射角度进行精确计算。例如利用构建的海面模型，采用光线追踪法进行大气水界面的折射改正处理。
为了实现大范围水域的全区域测量，机载激光雷达测深系统在作业过程中需要按航线排列的方式进行覆盖观测，为了实现相邻航带之间的数据拼接，需要不同航带间具备一定的重合度。但是，由于水域测量缺乏如陆地测量中的明显标志物，航带拼接的难度较大。目前有学者尝试将单波束测深数据作为控制，用于机载激光测深数据的处理，实现了相邻航带之间的数据拼接，利用平差的手段实现声学测量与机载激光测量的数据融合，对系统偏差进行精度补偿，取得了较好的效果。
测深数据的航带拼接处理，其实质可视为曲面匹配问题，可利用航带同名点计算相邻航带间的转换参数和标准差，目前常用的方法有三维正态分布法（3D-NDT法）、迭代最近点法（ICP法）、非线性最小二乘的蒙特卡罗匹配迭代计算法等。3D-NDT法利用三维空间中的正态分布变换，建立相邻航带间的空间变换6参数模型（3个平移参数、3个旋转参数）；ICP法利用最小二乘法迭代求解出最优的旋转和平移参数，但对相邻航带点云的间距过大容易产生“局部收敛”问题，因此一般采用“粗配准”到“精配准”的两步法；非线性最小二乘的蒙特卡罗匹配迭代方法能够计算转换七参数，算法的鲁棒性较强。
三、测深误差影响分析
综合分析机载激光雷达测深系统的系统组成、观测过程及数据处理方法，测深误差影响主要体现在以下几个方面：
激光测深观测数据包括波形数据、激光发射装置的位置和发射指向的姿态数据。位置和姿态信息分别由GNSS和IMU两个独立模块提供，两模块自身的观测误差如定位误差、激光指向误差将会传递到测深结果数据中。除此之外，机载激光雷达测深系统由多个系统集成而成，包括激光发射与接收装置、POS系统等，系统安装后需要进行集成标定与时间同步匹配，同样也会存在安置误差及时间同步误差，影响最终测深结果的精度。
根据激光从发射端到接收端的传播过程，测深结果受到激光入射方向、大气、水体、噪声等多方面影响，具体表现的测深过程误差有光速测量误差、传播时间误差、大气传输误差、激光折射率误差、入射角测定误差、水体散射误差等。其中光速测量误差的影响较小，一般可忽略不计；传播时间误差主要受水体表面波浪、水中悬浮物散射、激光脉冲宽度，水底不规则地形等因素影响，造成激光回波波形处理时波峰解译困难；大气传输误差对测距精度影响较小，主要表现为大气传输能量损耗造成的测深能力损失；激光折射率分为由大气和水体密度不同引起的水面折射误差以及由水体密度不均匀引起的水体传播折射误差；激光与水体表面的入射角和真实水深二者决定了激光在水体中的传输距离，因此入射角测定误差直接影响测深精度；水体散射误差主要包括激光在水体传输中发生的后向、前向散射以及路径延迟偏差。
为了精确计算水体深度，必须考虑激光入射瞬间由于波浪和潮汐引起的水位变化对测深精度的影响。分析激光在大气和水体中的传输路径，水深计算与大气传输距离、水体传输距离相关，而波浪或潮汐作用使得大气与水界面发生动态变化，水面的随机起伏造成激光折射路径偏移。目前有效的手段是基于水面波浪和潮汐模型进行统计分析，或是选择风速较低、波浪较小的天气进行测量，又或是采用大光斑激光设备进行测量以削弱水面随机变化对测量精度的影响。
结合实测数据，对各类误差的精度影响进行定量分析。以海洋测深为例，对于10m水深的海域，定量分析典型误差的精度影响：激光指向测角误差约为30cm、大气传输误差小于1cm、折射误差在水面约14cm水下约5cm、水体散射误差约6cm、不规则水底地形起伏误差约2cm。按照上述定量分析结果，为满足测深精度要求，在水深10m、IHO S-44特级标准的总体垂直不确定度不超过26cm(IHO，2008)情况下，激光指向测角误差和水面折射误差必须进行改正，如果需要更高测深精度，则按照优先级依次对水体散射误差、水体折射误差、不规则水底地形起伏误差、大气传输误差等进行误差校正处理。
四、载激光雷达测深技术发展展望
随着无人机技术、激光测深技术、多光谱激光雷达技术、单光子激光雷达技术等不断的发展，机载测深激光雷达正朝着高精度、高效率、小型化、复合应用的方向发展。
自1968年美国Syracuse大学研制成功首台激光水深测量系统以来，经过50多年的发展，激光测深技术已走向了实用化，尤其是近年来航空平台的机载激光雷达测深技术飞速发展，形成了一系列成熟的商业化产品系统，测深能力不断提高。目前对于水质良好的海洋测深深度可达3倍赛克盘深度，千米相对航高测深精度达到分米级，低空观测测深精度可达厘米级。
为了提高效率、提升测深装备的适应性，目前机载激光雷达测深系统正朝着紧凑型、小型化、水陆联测方向发展。利用紧凑、坚固耐用、小型化的结构设计，能够适用于多种飞行平台与无人机；可集成光学相机、红外测距仪等，利用532nm绿激光实现水域和陆地地形的一体化测量。例如RIEGL公司研发的VQ-840-G水陆联测无人机载激光雷达测深系统，系统集成重量约15kg，利用全波形分析技术实现水文和地形的同步测量，测深能力最优可实现1.5赛克盘深度，精度可达1.5cm。
多光谱激光雷达是当前激光雷达成像技术新的发展方向，通过集成多波段激光扫描设备实现不同波段地物三维点云的同步获取。例如Optech公司的Titan多光谱激光雷达，可以实现1550nm、1064nm、532nm三个波段的激光测量，适用于浅水区域岸线环境下的水上、水下同步观测，利用532nm波段进行浅水区域水下地形测量，1064nm近红外波段用于水面探测，多波段成像能力实现对地表及植被的高精度分类。
激光雷达作为一种主动遥感探测技术，具有精度高、分辨率高等优点，但已有的激光雷达多采用低重频、高峰值功率的激光器，随着单光子探测技术的应用，高重频、窄脉宽、高光束质量与稳定性的激光测距手段已经出现。单光子激光雷达利用盖革模式下雪崩二极管的超高灵敏度，能够实现远超现有激光雷达设备的探测距离，尽管目前单光子激光雷达受制于日光散射干扰严重等因素的影响，仍处于技术发展阶段，但相关研究具有极大的应用前景。例如目前Leica公司推出的SPL100机载单光子激光雷达系统，利用532nm波段激光能够实现5200m航高、密度不小于5～6点/m2的高精度点云数据获取。由于单光子激光雷达超强的成像能力及超远的观测距离，且绿激光也适应于水体观测，预计在激光测深领域能取得很好的应用，有效提高水域测量的观测深度及作业效率。
五、结论
中国具有广阔的海洋及丰富的内陆水系，这些水体区域是经济和国防领域的重点区域，对其开展水上、水下调查与测绘具有重要意义，机载激光雷达测深技术为水域测量提供了新的技术手段。
本文对当前机载激光雷达测深领域的现状发展及关键技术进行了概括总结。机载激光测深系统作为一种多技术融合而成的复杂集成系统，需要突破硬件、软件等多方面的技术难题，例如高性能、实用化的硬件研发，全波形数据处理为代表的方法研究，多光谱、单光子激光雷达等新技术、新手段的研究等。相信随着现有技术的不断成熟、新技术的不断涌现，我国对水域环境的测量能力和需求将会逐步增加，机载激光雷达测深及相关技术研究必将更加重要也更受关注。
【作者简介】文章作者/王鑫 潘华志 罗胜 杨鑫丽，分别来自信息工程大学、32022部队和武汉海达数云技术有限公司；第一作者王鑫，1974年出生，女，河北定州人，副教授、博士，主要从事遥感影像获取与处理研究；文章来自《海洋测绘》（2019年第5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，编发取得了作者授权，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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