“数智领航”系列|激光雷达测深技术带你探索水下神秘世界

一、水深测量的重要性

地球,我们的家园,其海洋占地球总面积的70%,如果加上内陆的湖泊和河流,那么地球被水覆盖的区域超过70%,因此地球也可以称之为“水球”。人类的活动离不开水,特别是大海和河流。四大文明都建立在河流范围内,因为河流不仅能够带来饮用水,而且对于运输货物,灌溉农作物,提供水产品等都有至关重要的作用。而海洋则有更加重要的作用:国际贸易、海洋资源开发(海上石油、天然气、海洋水产品、食盐、用作核裂变的“铀”储量为40亿吨、海上风力发电、围海造地)。水下地形测绘,与陆上的地形图测绘的重要性是一致的,利用海洋、河流、湖泊资源进行开发与保护,这是必然要进行的一项基础测绘。

二、传统的水深测量技术

2.1单波束

传统设备价格(几万元不等)、重量轻、测深精度较高、测程远(可达上千米)、数据处理简单;缺点是剖面似测量,对水下地形的反映不是很精细。

单波束一般挂载在船舶进行作业,但是随着近几年无人船的发展,单波束也可以挂载在无人船上,实现了无人化和自动化的测深作业,尤其是针对内陆湖泊和河流等船舶无法到达的水域(浅水区域),无人船可以进行测深作业。

2.2多波束

多波束,即为多个波束,可以发射和接受多个波束,因此水下地形反映的很精细,测程可达几百米;缺点是设备重、价格昂贵(几百万不等),安装和使用复杂。

多波束一般挂载在船舶进行作业。

三、激光雷达测深技术

3.1激光测深原理

上文提到的传统测深技术都是基于声学的探测技术,而激光雷达测深技术则利用的是光学。

为了能够达到发射激光就能测量的目的,通过科学家们的发现,波长在520~535nm范围的蓝绿激光(称作为海洋光学窗口)在海水中传播的能量衰减程度相对较低,在这个波长范围的光可以用作激光雷达水深测量。为了同时测量陆地地形,有些设备还配备了近红外激光(波长一般为1064nm)。

激光雷达测深的原理很复杂,可以简单的描述如下图所示:

激光先到达水面时会反射一部分回波(蓝色所示),到达水下时又会反射回波(绿色所示),通过测量两次激光回波的时间差(t2-t1)=△t,乘速度得到传播的距离S。

假设激光入射角为θ,折射角为φ,海水折射率定义为n,海水深度为D。

那么可得到海水深度D:

当然我们仅仅获得一个深度是不够的,我们还需要获得被测物体的三维坐标,因此由GNSS、IMU测得飞机的三维坐标,加上深度值D就可以获取我们水底的三维坐标了。

最后在水深测量时,还需要考虑海浪和潮汐影响因素。

3.2

 激光水深的误差源

从上个公式以及考虑海浪和潮汐等影响来看,主要的误差有:回波时间测量误差、折射率误差、入射角测量误差、海浪测量误差、潮汐测量误差。

回波时间测量误差:与激光雷达的全波形处理有关,并且由于海底情况复杂,比如:海底水质浑浊、海底情况复杂、海浪等的影响,会发生散射、折射、反射等现象,造成这个时间差无法很精确的确定,这是误差的主要来源。

折射率误差:折射率一般要求的是一个定值,但是海水不同深度的折射率不一样,因此需要精确的估算折射率。

入射角误差:与飞机的飞行姿态和扫描角有关,也需要精确的测定。

海浪与潮汐测量误差:所有水深测量都需要考虑的。

3.3 主流的测深设备

目前比较知名的有CZMIL SUPER NOVA、LEICA HawkEye 4X、RIEGL VQ-880GH、RIEGL VQ-840G、RIEGL BDF-1、FURGO LADS HD。

3.4 kd慢衰减系数和赛克盘深度

决定最大测深的参数:kd慢衰减系数和赛克盘深度。

(1)慢衰减系数

kd慢衰减系数是海洋水色遥感和环境监测中的重要参数,简单理解是特定波长的光被水吸收的系数,越清澈的水,这个值越小,反之则越大,下图是全球的kd(532nm)的计算系数。

(2)赛克盘深度

赛克盘深度:采用具有黑白分割的直径大于30cm的靶标沉入到水中,直到肉眼无法分辨的距离。水越浑浊,分辨的距离就越小,反之则越大。

一般的激光测深系统的最大测深为1-3 赛克盘深度(海底反射率大于15%)。

上述两个指标影响着最大测深,因此在作业前需要大致计算能够测得的最大深度。

3.5 激光测深的优点与缺点

激光测深最大的优点就是不同于传统的单波束和多波束测量需要驾驶船舶对水下地形进行测绘,激光测深可以使用有人机或者无人机进行,凭借着飞机的效率,势必会提高水下地形测绘的效率。

根据多波束和机载激光雷达的价格来看,一般的激光测深的价格较昂贵。对于海洋测绘痛点区域的潮间带而言,机载激光雷达在退潮时进行测量,可以弥补数据空缺。因此价格合适的设备才能够是国内推广的关键之一。

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