日本机载激光雷达测深进展机载激光雷达测深经验

Posted 2023-03-05 xiaokcehui

日本海岸警卫队海洋情报部（JHOD）拥有14年的机载激光雷达测深(ALB)经验。由于ALB调查高效率和高分辨率，JHOD已将ALB应用于各种用途，如制图、海啸受灾港口的恢复重建、安全监测和火山活动研究。本文简要描述了JHOD激光雷达测深系统的操作和一些典型的应用。

1、介绍日本

海上保安厅(JCG)是日本国土交通省对外机构，负责日本水域的海事安全和安保。JHOD授权出版日本周边的海图，以确保海事航行安全。JHOD提供有关制图测量的各种信息，最大限度地减少地震和海啸等自然灾害以及海上事故造成的溢油等海洋灾害造成的损害。为了获取更为精细的水深数据，浅水区需要有足够探测密度的有效测量技术。机载激光雷达测深技术(ALB)能快速测量大范围包含岩石或珊瑚礁的浅水区。JHOD在2003年引入了ALB作为多波束回声测深的补充手段，在投入实际运行之前的五年多时间里克服了ALB初始应用的各种问题。

2、机载激光雷达系统操作
我们一直在使用Teledyne 公司制造的两个激光雷达系统：2003年购买的SHOALS 1000，2013年购买的CZMIL。

下表列出了SHOALS和CZMIL的主要技术参数。

SHOALS以圆弧模式扫描海底，而CZMIL则以高10倍的测量频率使用圆形模式(Kawai，2015)。CZMIL波束更窄，特别是对于陆地地形和浅水(浅于15-20米)。因此，CZMIL将深水测深点的密度提高了6倍，将浅水测深和陆地地形的点密度提高了51倍。

下图描述了两种系统的激光雷达操作的共同原理。

以下部分给出了JHOD ALB调查的一些示例。以下各节中显示的所有图形都是简单降噪处理后的初步结果。

3、311大地震的灾后重建

2011年3月11日，日本主岛东北部(东北地区)发生了一场被称为“2011年东北太平洋沿岸地震”的巨大逆冲地震。根据美国地质调查局的记录，这是日本观测史上最大的一次，也是自1900年以来世界第四大地震。地震发生后，JHOD立即开展ALB测量，辅助清除受影响港口的障碍物和向灾区运送救援物资。下图显示了由SHOALS获得的宫古湾（Miyako Bay）的部分调查数据。

由于该区域被大约600米高的山脉包围，在以倾斜飞行的正常作业条件下，飞机无法实施足够的测线。为了在勘测飞行中可靠地接收GNSS信号，允许飞机以20°以内的倾斜角转弯，该倾斜角小于飞机转弯性能的限制。虽然这增加了激光雷达系统失效的风险，但我们消除了测量倾斜限制。定位精度后来被证实为小于0.1m，满足水深地形测量要求。在东北地区，由于水中浮游生物丰富，激光穿透通常较浅。此外，浑浊河水的流入会降低海湾内水的透明度。灾难发生后，从被破坏的海岸带入海湾的悬浮物质和溢出的石油也会阻碍激光的穿透。幸运的是，在大部分调查区域，水深测量能达15米，因此我们获得了陆海一体化的地形数据，包括被破坏的防波堤。

原因可能是流入海湾的河水量很小；在调查飞行之前，该地区已经有两周没有下雨了(Ono和Shibata，2012年)。测深和地形数据用于更新海图、受灾港口的重建规划、海啸模拟和海岸侵蚀监控。

4、2016年G7 Ise-Shima峰会会场安保

日本于2016年5月26日和27日在日本中部三重县主办了G7 Ise-Shima峰会。Ise-Shima峰会地区是一个国家公园，以拥有美丽的太平洋Ria Coast 而著称。作为峰会安全措施的一部分，JCG舰队保护了会场周围的水域。我们为海岸警卫队办公室和巡逻船提供地理信息保障，定制了满足水域巡逻需要的专门海图。我们不仅使用ALB进行测量，而且还利用几艘属于JHOD办公室和地区总部的勘测船执行了多波束测深。下图显示了Ago Bay的部分调查结果。

由于该区域的水透明度极好，ALB补充了多波束勘测数据的不足，因为在该区域有许多影响勘测船安全高效测量的小岛、小海湾、暗礁和其他地形。

调查结果被处理成电子导航图，可在平板电脑上查看。该图增强了JCG舰队的巡逻能力，因为其还包括一艘无法携带电子海图显示和信息系统的小船。JHOD还向沿海城市提供调查结果，以帮助他们管理沿海地区。

5、西之岛（Nishinoshima）火山

西之岛（Nishinoshima）是一个火山岛，位于东京以南约1000公里。2013年至2015年间，该岛发生了剧烈的火山活动，熔岩流遍布全岛。JHOD于2016年10月至11月进行了ALB和多波束回声测深调查。调查条件对飞机来说很困难，因为调查区域距离东京的空军基地约1000公里，周围没有可用的机场。

这项调查首次提供了火山周围浅水区的定量地形信息。ALB清晰地捕捉到了1973年至1974年火山爆发前航拍照片中已经出现的固结熔岩流的地形(图中白框，Ono et al., 2017)。

CZMIL获得了完整的测深和陆地数据。尽管西之岛海岸线附近的火山活动一直污染着海水，但是CZMIL探测深度超出了预期。除了CZMIL数据，制图数据还包括一艘勘测船和一条无人船的多波束数据。这些精细无缝的测深和陆地地形数据为西之岛火山的演变提供了重要线索。

经过一年半的休眠，西之岛火山从2017年4月开始再次喷发。火山爆发停止后的后续调查将量化地形变化，这可能揭示正在进行的火山活动的全貌。

6、哈特鲁马岛（Hateruma Island）

本节介绍了我们14年ALB调查的最佳范例之一。下图显示了日本最西南的冲绳县的哈特鲁马岛的测深图。该调查区域的特点是水透明度高，珊瑚礁丛生，这在亚热带地区很常见。由于珊瑚礁的发育，这里点缀着淹没和出露的礁石。在这样的区域，船舶测深有很高的搁浅风险。我们选择ALB来有效地勘测岛屿周围的广阔区域。

CZMIL清晰地捕捉到了广阔区域内复杂的珊瑚地貌。下图显示了哈特鲁马岛西北海域泻湖状的地形。

下图显示了Hateruma渔港附近的区域。

CZMIL测量的水深可达50米，这是该设备的性能极限。除了在阻碍了激光穿透的碎浪区，从陆地到海底的无缝地形再次呈现。ALB数据在该调查区域的广泛覆盖归因于大约30米的高透明度和由珊瑚形成的高反射强度海床。

7、结论

ALB不仅仅用于制作海图。JHOD还用ALB调查完成各种任务，如灾难响应、安全监视和火山研究。

本文的例子利用了ALB在浅水勘测中覆盖范围广、分辨率高和速度快的优点。ALB无缝获取测深和陆地地形数据极为有效；在调查暗礁、极浅区域或潮间带方面没有技术比ALB效率更高。然而，ALB的使用易受海洋和天气条件的影响，如强风、波浪和水的透明度。ALB和船舶多波束测量结合能平衡性能、效率和成本。为了跟上测量技术的进步，我们将致力于更有效地绘制浅水图。