激光掃描技術在海洋環境測繪中的應用

郭永亮++李杰++孫楠楠

摘 要：激光掃描技術具有測量速度快、覆蓋率高、時空分辨率高的特點。將該技術用于對海洋及沿岸環境測繪進行快速精準的大面積測量，具有常規測量技術無法取代的優越性，已被越來越廣泛地應用于海底地形勘查和海洋環境監測中。該文闡述了激光掃描技術在海岸帶測繪、測深和深海成像、海面大氣風場測量及海面油污染檢測等方面的實際應用，詳細分析了技術原理、優勢及其發展前景。

關鍵詞：激光掃描技術 海洋測深 海岸帶測繪 環境監測

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0030-02

海洋對于人類的生存和發展有著舉足輕重的作用，對海洋及沿海環境進行便捷有效的探測，是開發利用海洋的先決條件。海底地質勘查、海洋資源開發和航道港口建設等科學活動都亟需相關勘測技術的進步，而傳統觀測手段存在外業工作量大，困難地區難以到達及判讀精度不足等局限性，不利于高精度大面積的觀測及應用。

激光掃描技術是現代激光技術與傳統雷達技術相結合的產物，是一種主動式的現代光學遙感儀器。由于所用探測束波長的縮短和定向性的加強，具有高時空分辨率和高探測靈敏度等優點[1-2]，被廣泛地應用于海洋、陸地、大氣和其他目標的遙感探測中。

1 國內外研究現狀

目前國際上已有近10個國家先后研制了激光測繪海底地貌或水下目標探測系統，美國、加拿大、瑞典和俄羅斯等國家先后研制出各種海洋激光探測系統的樣機，使激光測繪近海環境進入實用化。美國里弗莫爾實驗室科學家研制的激光掃描系統能幫助海軍遠距離操縱艦船在海洋最深處執行打撈和救援任務。加拿大研究的LUCIE激光水下成像系統采用高功率激光器，在混濁的海水中也能得到較清晰圖像[3-4]。

我國從20世紀80年代也積極開展了激光海洋探測系統的研制工作。華中科技大學在“八五”期間成功研制出我國第一套機載激光海洋探測試驗系統。中國海洋大學成功開發的多普勒激光雷達系統，可精確實時地獲取海面風場和大氣能見度信息。地面及機載激光掃描系統在海洋測繪、制圖領域也逐漸得到了發展和應用。國家海洋局已引入了激光掃描系統作為日常海洋管理、測繪主要數據來源。但總體上講，國內在利用激光雷達數據進行海洋和沿海領域的研究還處于起步階段，需要進一步發展完善。

2 工作原理

激光掃描技術按其觀測的對象可分為硬目標探測和軟目標探測。硬目標探測包括海底地形地貌、水深和植被觀測等，軟目標探測包括海表面風場、溫壓、云和氣溶膠探測等。

2.1 硬目標探測基本原理

傳感器發射的激光脈沖能部分地穿透樹林等障礙物遮擋，直接獲取高精度三維地形數據，數據經過相關軟件數據處理后，可以生成高精度的DEM、等高線圖及正射影像圖。該技術通過激光掃描對目標進行高精度測量，以獲取目標的線、面、體、空間等三維數據[5]。

系統所得到的原始數據主要包括：（1）根據激光傳播時間計算得到被掃描點到儀器的距離；（2）根據兩個連續轉動的反射鏡角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值；（3）掃描點對激光信號的反射強度等。前兩種數據用來計算掃描點的三維坐標值（X，Y，Z），掃描點反射強度則用來給反射點匹配顏色，通過測量激光在儀器和目標表面的往返時間，可計算儀器和點間的距離。

2.2 軟目標探測原理

激光在海洋大氣中傳輸時，大氣分子和氣溶膠粒子在激光的照射下將產生多種散射過程。當激光信號在大氣中傳輸時，由于波長較短，海面的氣體分子和氣溶膠粒子、塵埃、霧、雨等對激光信號的吸收和散射較強，導致激光光信號能量衰減，探測器把光信號轉成電信號[6]，信號檢測系統將經光電探測器轉換后的電信號進行一系列的放大、采樣和累加平均處理，使之成為一種反映回波強度隨探測距離而變化的激光信號。通過連續進行測量和對回波信號進行適當的反演處理，可獲得海面大氣要素信息[7]。

3 激光掃描技術應用

3.1 激光掃描海岸帶測繪

由于我國海岸帶地區的環境復雜、勘測條件困難，現有的陸地和船載測量儀器難以有效使用，需做大量的野外工作，危險性高，不易于大面積探測和應用推廣[8]。

移動激光掃描測量系統外形輕巧，掃描頻率高，掃描距離遠，對不易施測的海岸帶進行掃描，可解決傳統海岸線測繪中常出現的岸線難以分辨或者難以到達的問題，從而提高測繪的精確度和完整度。國家海洋局已有測繪部門利用激光掃描技術對海岸帶進行了有效勘測，可解決困難地區測繪人員登島困難、無明顯地物特征點、判讀困難等問題，使海岸線測繪工作在精度和完整度上得到大大提高。

3.2 水下激光成像技術

對于潛艇和水下機器人來說，進行水下觀測是至關重要的，水下激光探測的最終目的就是：利用激光的某些特性，將其和一些具有特殊功能的光電器件相結合，最大限度地抑制海水對光線的吸收和散射作用，以期獲得質量更佳的水下圖像或是較精確的目標外形特征描述。

在具體應用中可以通過控制水下機器人的運動軌跡，用平面激光對目標進行掃描，CCD攝像機直接獲得激光平面與目標表而相交出的激光亮條紋圖像，通過激光器發出激光束，不同距離發射回來的激光到達探測器的時間不同，對探測器的成像進行快門選通，僅保證一定距離的反射光能被探測器接收，并建立各坐標系問轉換關系，可確定亮條紋上各點三維坐標值，得到目標深度圖，它提供了一般灰度圖像所不能提供的三維信息，對水下目標數字化有特殊意義，可用于海洋勘探及繪制海底局部數字地形圖。

3.3 激光雷達測量海表大氣

多普勒大氣觀測激光雷達是20世紀90年代發展起來的一種高新技術，利用多普勒激光雷達掃描系統可進行海表面風場、云及氣溶膠等要素的觀測。系統通過測量信號的多普勒頻移，對激光的返回波信息進行計算，反演出風速、風向及大氣能見度要素信息[9]，可快速、準確探測海面大氣湍流、風切變等嚴重影響航海安全的大氣結構，為軍事、商業活動導航提供安全保障。目前，美國NASA的GLOW車載激光掃描測風系統，德法合作開發的機載多普勒激光雷達等針對業務化應用設計的小型可移式多普勒激光雷達在環境監測中都發揮了積極的作用。國內的中國海洋大學等也在先后成功研發了多普勒非相干測風激光雷達系統等[10]。endprint

3.4 機載激光雷達測深

機載激光測深系統是以飛機作為觀測平臺，以激光掃描測距系統作為傳感器，可以實時獲取地面三維空間信息。可用來進行水下目標的探測、海洋污染的監測以及海浪特征測量等眾多領域的研究[11]。系統主要組成部分包括：動態差分GPS接收機用于確定激光信號發射參考點的空間位置；慣性導航系統或GPS系統用于測定激光掃描裝置的主光軸姿態參數；激光測距儀用以測定激光信號發射參考點與地面激光腳點之間的距離；成相系統用于記錄地面實況[12]。作為淺水海底地形測量技術的一種補充手段，機載激光探測系統用于近海水深測量或海底地貌測繪只是一個應用方面，系統的高覆蓋率決定了它的廣泛應用前景，我國在未來將更加重視航空遙感測量技術在海洋測量領域的應用和發展。

3.5 激光遙感海洋油污監測系統

近年來，中國海域發生的多起惡性溢油事故使資源和環境受到極大損害，使得建立一種及時準確的油污監測和應急系統刻不容緩。激光遙感海洋油污監測系統屬于一種前沿的遙感測量技術，它的主動性、高效性、實時性、準確性等特點。系統將油污中化合物受激光激發后的熒光數據進行分析甄別后，對油污的種類和溢油事件發出預警，具有全天候、體積小、適用各種環境氣候等特點，可滿足不同的監測需求。激光遙感海洋油污監測系統可廣泛應用于海洋事業中的海水、海岸的溢油監測和預警，海洋石油開發，海洋運輸事業等多個領域。

4 結論

激光掃描技術具有快速大面積測量的優點，被廣泛應用于近海或海洋地形測量之中，其發展的潛力不可低估。利用該技術對人員難以到達的海岸或深海地區進行非接觸掃描，不僅可以得到符合要求的高精度的三維空間信息，而且可明顯提高作業效率與測量精度，是海洋信息探測方面一個極為重要的研究方向，具有廣闊的發展前景。未來系統的發展將以提高效率、提高精度和實時成像顯示為方向，進一步減小系統的體積、重量和能源耗費，提高整個系統的機動性，并完善自動導航儀與系統接口，使系統操作簡單化、實用化。

參考文獻

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