激光雷达在海洋遥感方面的应用.doc

机载激光雷达在海洋研究方面的应用

0 引 言
机载激光雷达测量技术的发展为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取，提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理朝智能化和自动化方向发展。
机载海洋激光雷达是利用机载的蓝绿激光发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海洋水下目标的一种先进技术。主要解决海洋调查中的如下问题：①水下地形地貌测量；⑦河口、港口泥沙淤积变化；③水下地质灾害；④水下资源勘查；⑤海岸带工程建设。[1]

1 机载海洋激光雷达概述
自1968年第一个激光海水测深系统研制成功以来，国内外近十个国家，先后开展了机载海洋激光雷达的研究工作，研制或生产了十余个机载海洋激光雷达系统。特别是90年代以来，半导体泵浦大功率、高脉冲重复频率Nd：YAG激光器技术的进步和实用化，导致了世界范围内机载海洋激光雷达系统研究的又一个新的高潮，各国争相研制新一代实用化的雷达系统，应用范围也逐渐扩大，同时一些新的国家(包括中国、法国等)也加入到机载海洋激光雷达的研制行列中来，使得这一技术成为了海洋探测研究方面的一大热点。
与声纳技术相比，尽管机载海洋激光雷达的探测距离小，但是其搜索效率和探测电点密度都远远高于声纳，此外，它还具有很强的机动性、运行成本低和易于操作等许多优点。由于具有这些优点，机载海洋激光雷达可以广泛用于海水水文勘测(包括浅海水深、海底地貌测绘、海水光学参数的遥测等)、水下潜艇探测、水雷探测、鱼群探测、海洋环境污染监测等众多领域。目前，声纳在深水探测方面仍然是唯一的主要技术，而在浅水探测方面，机载海洋激光雷达已经显示出比声纳更强的竞争力，是一种极具诱惑力的新技术。[2]

2 机载海洋激光雷达对赤潮监测方面的应用[3]
近年来，赤潮发生规模呈现不断扩大的趋势。1998～2003年，在渤海、东海都发生了面积达到几千平方公里的特大赤潮，这在国际上都非常罕见．由于赤潮形成机理复杂，目前尚无十分有效地方法防治赤潮的发生，只能通过监测和预报的手段来减少赤潮造成的损失．常用的方法是基于船载的水质监测和浮标站定点连续自动监测等方法。船载光学仪器测量方法需要定点采样、化学分析和人工处理，存在测量速度慢、效率很低和成本高等问题，不能满足要求快速获得大面积水域水质参量的场合，同时也严重影响了对灾害预测的反应时间．近年来，监测赤潮的工作平台由传统的船载平台测量，转变为越来越多地利用航空、卫星来进行探测．采用卫星平台测量，需要的设备较复杂、花费较高，同时卫星可见光遥感也有其自身的不足，例如不能全天候、全天时工作，阴雨天气和晚上就无法监测赤潮，此外，由于空间分辨率较低，对小尺度赤潮的监测十分困难
目前，基于机载的航空海洋遥感探测等新技术在赤潮监测和预报领域的应用引起了越来越多国家的重视．我国从1986年起开展赤潮航空巡航监视、应急、跟踪监视工作，以中国海监飞机(Y一12型)为航空工作平台，利用红外光谱区(0．7～0．9um)和紫外光谱区(0．3～0．4um)，实时探测海水温度及其变化，并根据赤潮海区的温度要高于正常海水温度的特点，来对赤潮进行监测和预报。采用机载海洋激光雷达，针对海洋赤潮的消长过程中所呈现出的光学物理现象，引入赤潮藻散射系数的概念，通过检测激光后向散射信号，针对赤潮藻在赤潮消长过程中密度变化的监测，实现对赤潮消长过程的预报和检测，该方法为基于机载的海洋赤潮监测增加了一种方法。
根据赤潮发生期间藻类变化的特点，可将其分为四个阶段：起始阶段、发展阶段、维持阶段和消亡阶段。在这几个阶段中，藻类的密度有正常状态到急剧增加，到最高峰再到大量死亡，使得海水的颜色由正常颜色变成黄褐色、粉红色或褐红色，再逐渐恢复正常。根据海水成分的变化，海水的散射情况也会发生改变，由此可以建立赤潮散射系数的模型，以此进行仿真计算，从而对赤潮进行有效的监测。

3 机载海洋激光雷达在海洋测深方面的应用[4]
自本世纪30年代以来，船载声学方法一直是占统治地位的海洋测深手段．回声测声仪是断面测量方法，遗漏了许多海底地形、地貌信息，特别是微地貌不能真实描述出来．为解决这一问题，人们发展了多波速测深系统及侧扫声纳系统。但测量速率低、成本高的问题仍然得不到解决．后来发展的立体摄影测量方法，仅适用于较浅水域的测深，其最大探测深度只有10m左右。近年来随着遥感技术的发展，由多光谱成像得到的数据可推算出海洋水深，但是人们希望海洋水深是直接测量得到的，而不是推算出来的．多光谱成像测深手段存在的主要问题是：由于是被动式方法，因此受环境影响比较大；深度测量需要标定；探测深度有限；测深误差较大。70年代发展起来的机载蓝绿激光海洋测深方法弥补了船载声学、立体摄影测量及多光谱成像测深手段的不足，是一种主动式、大覆盖面积、高速率、低成本的海洋测深手段。
如果机载激光测深系统使用重复频率200Hz的的调Q倍频Nd：YAG激光器，飞机飞行高度500m。飞行速度70m／s，很容易达到50km2／h的覆盖速度．美国海军的研究表明，一架飞机一年飞200小时完成的测量任务，一艘常规测量船需用13年才能完成，而机载与测量船的费用之比是1：5(包括数据处理的费用)。
国际海道测量协会要求30m以内水深测深误差不超过0．3m，大于30m水深相对误差不超过1％，机载激光测深方法可以满足这一要求。机载蓝绿激光海洋测深并不取代传统的声学及多光谱成像方法，在深海区域仍要使用声纳技术；多光谱成像技术则作为普查方法使用．但是机载蓝绿激光无疑是大陆架最有效的测深手段。
70年代以来世界各海洋大国投入大量人力、物力发展机载激光海洋测深方法，澳大利亚、美国、加拿大、瑞典等国代表了世界先进水平。

4 海洋激光雷达在海岸带三维景观仿真模拟方面的应用[5]
海岸带是海洋系统与陆地系统相连接、复合和交叉的地弹单元，既是地球表而最为活跃的自然区域，也是资源环境条件最为优越的人文活动区域，与人类生存和发展的关系最为密切。另外，海岸带又是对全球变化最为敏感的地带，受到强烈的海陆作用，成为海陆过渡的生脆弱带和环境变化敏感区。；近年来随着海洋经济的发展，对海岸带进行的各种各样的开发活动也越来越多，使得海岸带面临的压力越来越大，资源和环境发生了前所未有的变化，出现了许多有碍可持续发展的问题。对海岸带地区进行综合管理和监测是实现海洋经济和海洋生态环境可持续发展非常关键的一环，已经引起了国家的高度重视和关注。
“数宁海洋”中明确提出，在高性能计算机和先进的可视化设备支持下，利用科学视算、3s(遥感、地理信息系统、全球定位系统3种技术的统称)、三维可视化、虚拟现实、仿真、互操作等技术，基于“数字海洋”空间数据框架、功能强大的模型支持和三维可视化信息表达，实现全信息化的海底、水体、海而及海岸的数字再现和预测，建立包括自然景观、人文要素、自然环境、海上设施等的三维数字海面、海岸景观模型，建立反映海洋资源与环境要素变化过程的可视化表达模型，实现海洋动态变化的可视化。采用传统航空摄影技术进行海岸带三维可视化时，外业控制点的测量和DEM(digital elevation model)编辑加工耗时大、成本高、工期长；利用卫星遥感的立体像对获取DEM并结合影像也可生成三维景观，但又会受到光学传感器的诸多限制，精度也不高。利用激光雷达(1ight detection and ranging，简称Lidar)技术进行空中激光扫捕，可以快速获取目标高密度、高精度的三维点坐标。在软件支持下对点云数据进行模型构建、纹理映射和正射纠正，可以方便地建讧大面积的三维模型。目前，航空摄影测量和机载Lidar已成为地表三维数据获取的主要手段之一。改进激光点云的滤波方法，提高激光点云与影像、地物模型的融合效果是Lidar可视化领域研究的热点和难点。通过对海洋及海岸带激光雷达数据的处理，实现三维景观的重构，可以较好地展示海岸带各类地物的空间分布，为海洋及海岸带的综合管理及其开发活动的动态监测提供技术支持。

5 机载激光雷达发展趋势展望[2]
（1）进一步提高水下目标的定位精度和测深精度；
（2）提高系统的测深能力，特别是在晴朗的白天系统的测深能力；
（3）提高水下目标识别能力；
（4）进一步减小系统的体积、重量和功耗，完善自动导航仪与系统的接口，提供简便的任务航线编制软件界面，改善系统的操作性能，使系统真正实用化。

参考文献
[1]李志忠.机载激光雷达系统及其在海洋调查中的应用前景[J].地质前缘（中国地质大学,北京）.1998
[2]陈文革，黄铁侠，卢益民.机载海洋激光雷达发展综述[J].激光技术.1998
[3]马泳，林宏，冀航等.基于机载激光雷达监测海洋赤潮模型研究[J].光子学报.2007
[4]李庆辉，陈良益，陈烽等.机载蓝绿激光海洋测深[J].光子学报.1996
[5]张晓皓，娄全胜，张春雨.基于机载激光雷达的海岸带三维景观仿真模拟[J].热带海洋学报.2010