遥感测深方法综述遥感测深方兴未艾

Posted 2023-01-26 xiaokcehui

众所周知，当前世界上许多沿海近岸区域的海图数据更新滞后，甚至直接空白，大约有50%的沿海国家不具备国家级海图制图能力，特别是发展中国家常缺乏足够的水深数据或海图，总体上的浅海测深和制图能力处于从“贫乏”到“具备”的中间阶段。

船载声呐测深方法在深远海测绘中占据统治地位，重要位置（如关键航道、科考区块）的水深数据基本上都采用船载声学多波束系统进行精细测量，大片的非重要区域由卫星重力反演结果水深加以补充。不同于深水测量，船载系统在浅水区域有许多缺点：首先，船体吃水深度限制了该方法在浅水区的测量范围，极浅区船只无法到达，容易搁浅；其次，船载测量在浅水区测量效率低下，水深越浅，扫描波束带宽越窄，效率越低；最后，由于海况条件和姿态测量误差，实际测深精度有时难以保障。

我国有300多万平方公里的辽阔海域，大陆岸线1.8万公里，岛屿岸线1.4万公里，海岛1.1万余个，其中距离大陆超过10公里的占海岛总数的43%，部分远海无人岛礁缺乏有效的常态化监管手段。以我国实施的908海洋调查专项为例，该项目历时8年采集了我国近岸水深信息，出动测量船近100艘，测量的面积不及我国管辖海域的八分之一，不及全球海域的千分之一，见下图。

1971 年，美国针对激光在水下的传输特性开展了为期三年的研究，并建造了世界上首个 ALB （（Airborne LiDAR Bathymetry,机载激光测深 ）实验系统 PLADS，宣告了 ALB 技术从理论走向了实践。在之后的十几年中，美国、澳大利亚、加拿大和瑞典等国相继进行了实验探索并研制了一些实验系统。随着卫星定位技术（GNSS）、惯性测量技术（IMU）、计算机技术、固态激光器、光电探测器和光学传感器的发展，ALB 系统的测深能力也在不断提高，逐步接近实用标准。

1986年加拿大地球物理-地质研究所研制出一种航空机载激光雷达测深仪（LARSEN-500），能有效地调查沿岸浅水地带及陆地江河湖泊区的地形。它的工作原理是，该仪器的红宝石激光器从飞机上向水面发射出红外光和绿光两组激光脉冲，利用激光对水体的穿透能力不同，红外光很弱，绿光很强，当它们分别从水面及水底反射回来之后，飞机上的检波器即可根据反射时间差计算出水体的厚度。据1985年加拿大水文局的实践，与回声测深系统进行比较表明，其效率相当于20条船的回声测深作业。

1994 年，加拿大Optech公司在已研发的三台实验系统基础上推出 SHOALS 系统，该系统经多次实验改进在 2003年达到了国际海道测量组织（IHO）所规定的一级标准，用户覆盖美国、日本、阿联酋等多个国家，标志着 ALB 系统的实用化和商业化。

美国陆军工程兵团利用SHOALS执行美国国家海岸带测绘项目，测量美国大陆沙质海岸线测绘，但是，单就测深能力而言，SHOALS的表现并不理想，特别是较浑浊水域和浅水的测量。2012年Optech公司专为美国军方生产了SHOALS的升级产品CZMIL，其对浅水和浑浊水域的测深能力相比SHOALS有明显的提高。

2012-2015 年，美国 联合机载激光测深技术中心利用 CZMIL 对美国海岸、韩国和菲律宾等地进行测绘，证明了该系统在不同水质条件和底质反射率下的适用性。我国江苏省也在 2014 年引进了该系统并在骆马湖开展了一次测深试验，试验结果表明 CZMIL 在水质极为浑浊且水底反射率较低的情况下依然能够成功探测到水底信号。同年，日本海上保安厅利用该系统对京都滨港到鹿岛港以北的海域开展了调查，并计划进一步对其东北地区的浅海海域进行测绘。 Optech 在 2011 年推出的轻量级 ALB 系统 Aquarius，虽然相对于 CZMIL 只是一个入门级系统，但具有与 CZMIL 相当的浅水测量能力，可对水深在 10 m 以内的水域实现高精度探测。2012 年，国家海洋局引入该系统在我国三亚某海岛进行试点性应用实验，测量的完整区域最大水深为 6.5 m，最大单点测深为9 m。

2021年6月15日， Teledyne 旗下Optech和CARIS发布了CZMIL SuperNova。CZMIL SuperNova拥有其同类中最好的测深性能和最高的绿色激光点密度。CZMIL SuperNova采用SmartSpacing技术，实现均匀高效的点间距，具有实时处理能力，减少后处理时间，可配置模式以最大限度地提高不同水环境中的性能，CZMIL SuperNova为气候变化建模提供了广泛的输入数据，是内陆水环境、海岸带和海岸线基础测绘的理想选择。

2022年2月3日，Dewberry购买了北美第一台CZMIL SuperNova，用它测量州和联邦海岸带，调查湿地、湖泊和河流系统，检测水下栖息地和可再生能源治理。下图是CZMIL SuperNova在马里兰州的波托马克河采集的地形图。

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参考文献：

海岸带激光雷达测深仪_朱来东

机载激光测深回波信号探测技术研究_王丹菂

遥感测深数据处理方法研究_曹彬才

https://geo-matching.com/uploads/default/s/u/supernova-productsheet-specifications-01-27-2021.pdf

https://gisuser.com/2022/02/dewberry-first-to-purchase-advanced-czmil-supernova-lidar-bathymeter-in-north-america/