海洋测绘中激光测深的实际应用与精度研究
吴依国
【摘 要】激光测探技术具有测量速度快，覆盖率高，时空分辨率高的优势，因此，该技术在海洋测绘中得到了广泛应用。其可以在短时间内测量很大面积的海域。激光技术可以进行海洋深度的测量，对水下地形进行测绘，对深海进行成像等。论文就这些方面进行了分析，希望给有关人士一些借鉴。
【Abstract】Laser detection technology has the advantages of fast measurement， high coverage and high temporal and spatial resolution. Therefore， it has been widely used in marine surveying and mapping. It can measure a large area of the sea in a short time. Laser technology can measure the depth of the ocean， mapping underwater topography， imaging the deep sea， and so on. The thesis analyzes these aspects and hopes to give some reference to those concerned.
【关键词】海洋测绘；激光测深；测量精度
【Keywords】 marine mapping； laser sounding； measurement accuracy
【中图分类号】P75 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0185-02
1 引言
海洋是人類赖以生存的基础，为了更好地开发海洋，对海洋进行测绘非常重要。对于传统的测绘技术而言，应用中工作人员工作量较大，涉及较多的外业操作，对于自然环境恶劣的地区很难实施策略，即使进行测量也需要测量人员冒很大的风险，而且测量效率和测量精度也会受到影响，针对这一情况就需要应用激光测深技术，下面就对其进行深入分析。
2 海洋测绘中激光测深的工作原理分析
在测绘时使用激光技术，根据测量目标不同可以分为软目标测量和硬目标测量。软目标包括海洋表面的风、温压等，硬目标包括海底地形地貌等。进行硬目标测量过程中，相应的传感器会发射激光脉冲，可以穿透树林间隙和障碍物，得到精度较高的三维地形数据，利用配套的软件进行处理，就可以得到精度很高的等高线图、DEM等，这一测量方法得到的数据主要包括三方面：第一点，可以得到激光束竖向值和水平方向值；第二点根据激光束传播时间，得到被扫描点的仪器距离，上述这两个数据可以计算出扫描点的三维坐标值，其反射强度用于颜色匹配，通过计算激光测量反射回来的时间，就可以计算出仪器和点间的距离。进行软目标测量时，激光可以在海洋大气中传播，在激光的照射之下，会出现很多种散射，由于其波长比较短，海面中的气体分子、气溶胶粒子、尘埃、雾、雨对激光具有很强的吸收能力和散射能力，导致信号较弱，探测器可以把光信号变为电信号，再将其进行放大，进行采样和累加处理，再经过连续测量，对回波信号进行反演处理，就可以得到相关要素[1]。
3 海洋测绘中激光测深的实际应用分析
3.1 分析激光雷达测深技术的应用
在进行海洋测试中经常使用机载激光测深系统，观测平台是飞机，使用的传感器是激光扫描测距系统，可以得到地面三维空间的信息，除此之外，还可以探测一些水下的目标，能够有效监测海洋的污染情况。这一系统构成并不复杂，主要有GPS系统、惯性导航系统，还有动态差分GPS接收机，可以确定激光信号发射参考点位置，还可以对主光轴姿态参数进行测定，对于激光测距仪而言，可以准确测量出参考点和地面激光脚点的距离。对于机载激光探测系统而言，经常在近海水深进行测量，或者进行海底地貌的测量，这一系统优势明显，其测量覆盖率高[2]。
3.2 分析测量海水表面大气的应用
在测量中主要用到主光轴姿态参数，其能够测量气溶胶、云、海表面风场等，在具体应用过程中，测量信号时通过多普勒频移，就可以有效计算激光返回波的信息，通过云形式来展现测量对象的表面特点，在具体测量中，仪器自身会发射激光束，光线直接照射到旋转式的镜头中心，之后镜头会快速连续地旋转，测量目标会被这些激光束扫射，当光线照射到物体上后，激光束就会重新反射到扫描仪上，然后系统内部的计算机对其进行准确的计算，最终得到扫描仪和激光斑之间的距离。除此之外，该技术还可以准确、快速测量海面大气的风切变、大气湍流等，分析其是否会影响航海安全，可以为商业、军事船只进行导航。当前结合实际需要，国外企业已经研制出了小型可移式多普勒激光雷达，在海上复杂的环境中发挥着非常重要的作用。
3.3 分析在水下应用的激光成像技术
对于水下机器人、潜艇而言，在水下观察十分有必要，在使用激光技术进行探测的过程中，主要利用激光的一些特点，将其和一些具有特殊功能的光电器件进行结合，在最大程度上抑制海水对光线的吸收和散射作用，这样就可以得到最好的水下图像，而且测量精度高。实际使用过程中，能够有效对水下机器人进行控制，调整其在水下的移动路线，使用平面激光扫描相应的目标，利用CCD摄像机就可以得到全面的激光平面，利用激光器发射出激光束，在不同距离发射后，激光到达探测器的时间也不同。具体实践应用时，探测器成像时，要先进行快门选通，保持一定距离的反射光，就可以被探测器接收到，在此基础上，构建各个坐标系之间的转换关系，可以确定亮条纹上各个点的三维坐标值，进而得到目标深度图，其可以提供灰度图像不能提供的三维信息，可以进行海底局部数字地图的绘制[3]。
3.4 分析使用激光技术绘制海岸带
我国的海岸线环境非常复杂，实际勘察时条件也比较困难，将会影响勘察效果，当前的陆地测量仪器、船载测量仪器不能有效发挥其作用，实际操作时很多工作都要在野外进行，具有很高的危险性，针对这一情况，在这一领域应用了移动激光扫描测量系统，这种设备外形比较轻巧，而且扫描频率很高，具有很远的扫描距离，针对海岸线比较复杂，测量环境比较困难的区域可以有效进行测量，得到准确的数据信息，除此之外，其能够解决传统海岸线测绘中经常出现的岸线难以分辨的问题，保证测绘的精度。通过实际应用得知，这一激光扫描技术可以有效解决测绘人员登岛困难的问题，可以对没有明显地物特点的区域进行测量，因此受到广大技术人员的青睐。
3.5 分析在监测海面油污的应用情况
进行油污监测时需要使用油污监测系统，该技术具有准确性、实时性、高效性和主动性的特点，在测量过程中，油污中的化合物受到激光激发之后，系统可以甄别荧光数据，进而得到油污的具体数据，包括油污的面积、体量、类型等，及时进行油污预警，这样在出现海洋油污之初，就可以及时通知相关治理部门，提升了工作效率，降低了海洋油污的发生。
4 海洋测绘中激光测深精度研究
具体测量过程中，通过高速数字化仪就可以对水中的激光回波信号进行采样，之后结合波形情况准确判断海底、水表的时间位置，计算水深时利用二者的时间差就可以得到，由此可见，计算水中斜距情况时，也由海底到海面时间差的精度决定。通常情况下，水中斜距的测量误差和使用实际算法有直接关系，一般当确定飞行时间间隔Δt后，还需要确定海底和海表中的某一点是否为峰值。因此为了保证测量精度，要先确定海表的时间，海表波形具有最小的上升时间，所以测量精度较高，但是对于海底回波脉冲宽度而言，主要由激光脉冲在水中展开的情况决定，对于激光脉冲而言，其展宽和接收视场角、扫描天顶角、海水参数有直接的关系。结合相关测量人员的估计在扫描天顶角15°到 20°范围中，散射深度小于6时，在传播过程中导致深度偏差在5 cm以下，因此技术人员清楚这些原理之后，就可以有效进行纠正。除此之外，海水折射率估计出现偏差，也会导致测量精度偏差问题，因此要做好海面波高的斜率譜分布的分析，例如当海面风速在10m/s到12m/s时，技术人员没有进行波浪校准，在海浪斜率的影响下，就会导致测量深度出现误差，一般深度误差是水深的1%～2%，但是纠正海浪之后，所存在的误差就非常小，几乎可以忽略不计。
5 结语
通过以上对海洋测绘中激光测深的实际应用与精度分析，发现激光测绘在海洋方面的应用具有先天优势，其测量速度快，测量面积广，而且测深精度高，可以进行海底地形图的绘制，还可以进行海岸线的测绘。为了保证测量的精度，必须考虑相关影响因素，在测量中有效约束变量，避免其对测量深度造成影响。在以后的发展中，该技术还会进一步提升，优化测量中存在的不足，进一步减小系统的体积、重量以及能源耗费。
【参考文献】
【1】胡志强. 激光测深在海洋测绘中应用及精度分析[J]. 工程技术（引文版），2016（5）：00276-00276.
【2】翟国君， 黄谟涛， 欧阳永忠，等. 机载激光测深系统研制中的关键技术[J].海洋测绘， 2014， 34（3）：73-76.
【摘 要】激光测探技术具有测量速度快，覆盖率高，时空分辨率高的优势，因此，该技术在海洋测绘中得到了广泛应用。其可以在短时间内测量很大面积的海域。激光技术可以进行海洋深度的测量，对水下地形进行测绘，对深海进行成像等。论文就这些方面进行了分析，希望给有关人士一些借鉴。
【Abstract】Laser detection technology has the advantages of fast measurement， high coverage and high temporal and spatial resolution. Therefore， it has been widely used in marine surveying and mapping. It can measure a large area of the sea in a short time. Laser technology can measure the depth of the ocean， mapping underwater topography， imaging the deep sea， and so on. The thesis analyzes these aspects and hopes to give some reference to those concerned.
【关键词】海洋测绘；激光测深；测量精度
【Keywords】 marine mapping； laser sounding； measurement accuracy
【中图分类号】P75 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0185-02
1 引言
海洋是人類赖以生存的基础，为了更好地开发海洋，对海洋进行测绘非常重要。对于传统的测绘技术而言，应用中工作人员工作量较大，涉及较多的外业操作，对于自然环境恶劣的地区很难实施策略，即使进行测量也需要测量人员冒很大的风险，而且测量效率和测量精度也会受到影响，针对这一情况就需要应用激光测深技术，下面就对其进行深入分析。
2 海洋测绘中激光测深的工作原理分析
在测绘时使用激光技术，根据测量目标不同可以分为软目标测量和硬目标测量。软目标包括海洋表面的风、温压等，硬目标包括海底地形地貌等。进行硬目标测量过程中，相应的传感器会发射激光脉冲，可以穿透树林间隙和障碍物，得到精度较高的三维地形数据，利用配套的软件进行处理，就可以得到精度很高的等高线图、DEM等，这一测量方法得到的数据主要包括三方面：第一点，可以得到激光束竖向值和水平方向值；第二点根据激光束传播时间，得到被扫描点的仪器距离，上述这两个数据可以计算出扫描点的三维坐标值，其反射强度用于颜色匹配，通过计算激光测量反射回来的时间，就可以计算出仪器和点间的距离。进行软目标测量时，激光可以在海洋大气中传播，在激光的照射之下，会出现很多种散射，由于其波长比较短，海面中的气体分子、气溶胶粒子、尘埃、雾、雨对激光具有很强的吸收能力和散射能力，导致信号较弱，探测器可以把光信号变为电信号，再将其进行放大，进行采样和累加处理，再经过连续测量，对回波信号进行反演处理，就可以得到相关要素[1]。
3 海洋测绘中激光测深的实际应用分析
3.1 分析激光雷达测深技术的应用
在进行海洋测试中经常使用机载激光测深系统，观测平台是飞机，使用的传感器是激光扫描测距系统，可以得到地面三维空间的信息，除此之外，还可以探测一些水下的目标，能够有效监测海洋的污染情况。这一系统构成并不复杂，主要有GPS系统、惯性导航系统，还有动态差分GPS接收机，可以确定激光信号发射参考点位置，还可以对主光轴姿态参数进行测定，对于激光测距仪而言，可以准确测量出参考点和地面激光脚点的距离。对于机载激光探测系统而言，经常在近海水深进行测量，或者进行海底地貌的测量，这一系统优势明显，其测量覆盖率高[2]。
3.2 分析测量海水表面大气的应用
在测量中主要用到主光轴姿态参数，其能够测量气溶胶、云、海表面风场等，在具体应用过程中，测量信号时通过多普勒频移，就可以有效计算激光返回波的信息，通过云形式来展现测量对象的表面特点，在具体测量中，仪器自身会发射激光束，光线直接照射到旋转式的镜头中心，之后镜头会快速连续地旋转，测量目标会被这些激光束扫射，当光线照射到物体上后，激光束就会重新反射到扫描仪上，然后系统内部的计算机对其进行准确的计算，最终得到扫描仪和激光斑之间的距离。除此之外，该技术还可以准确、快速测量海面大气的风切变、大气湍流等，分析其是否会影响航海安全，可以为商业、军事船只进行导航。当前结合实际需要，国外企业已经研制出了小型可移式多普勒激光雷达，在海上复杂的环境中发挥着非常重要的作用。
3.3 分析在水下应用的激光成像技术
对于水下机器人、潜艇而言，在水下观察十分有必要，在使用激光技术进行探测的过程中，主要利用激光的一些特点，将其和一些具有特殊功能的光电器件进行结合，在最大程度上抑制海水对光线的吸收和散射作用，这样就可以得到最好的水下图像，而且测量精度高。实际使用过程中，能够有效对水下机器人进行控制，调整其在水下的移动路线，使用平面激光扫描相应的目标，利用CCD摄像机就可以得到全面的激光平面，利用激光器发射出激光束，在不同距离发射后，激光到达探测器的时间也不同。具体实践应用时，探测器成像时，要先进行快门选通，保持一定距离的反射光，就可以被探测器接收到，在此基础上，构建各个坐标系之间的转换关系，可以确定亮条纹上各个点的三维坐标值，进而得到目标深度图，其可以提供灰度图像不能提供的三维信息，可以进行海底局部数字地图的绘制[3]。
3.4 分析使用激光技术绘制海岸带
我国的海岸线环境非常复杂，实际勘察时条件也比较困难，将会影响勘察效果，当前的陆地测量仪器、船载测量仪器不能有效发挥其作用，实际操作时很多工作都要在野外进行，具有很高的危险性，针对这一情况，在这一领域应用了移动激光扫描测量系统，这种设备外形比较轻巧，而且扫描频率很高，具有很远的扫描距离，针对海岸线比较复杂，测量环境比较困难的区域可以有效进行测量，得到准确的数据信息，除此之外，其能够解决传统海岸线测绘中经常出现的岸线难以分辨的问题，保证测绘的精度。通过实际应用得知，这一激光扫描技术可以有效解决测绘人员登岛困难的问题，可以对没有明显地物特点的区域进行测量，因此受到广大技术人员的青睐。
3.5 分析在监测海面油污的应用情况
进行油污监测时需要使用油污监测系统，该技术具有准确性、实时性、高效性和主动性的特点，在测量过程中，油污中的化合物受到激光激发之后，系统可以甄别荧光数据，进而得到油污的具体数据，包括油污的面积、体量、类型等，及时进行油污预警，这样在出现海洋油污之初，就可以及时通知相关治理部门，提升了工作效率，降低了海洋油污的发生。
4 海洋测绘中激光测深精度研究
具体测量过程中，通过高速数字化仪就可以对水中的激光回波信号进行采样，之后结合波形情况准确判断海底、水表的时间位置，计算水深时利用二者的时间差就可以得到，由此可见，计算水中斜距情况时，也由海底到海面时间差的精度决定。通常情况下，水中斜距的测量误差和使用实际算法有直接关系，一般当确定飞行时间间隔Δt后，还需要确定海底和海表中的某一点是否为峰值。因此为了保证测量精度，要先确定海表的时间，海表波形具有最小的上升时间，所以测量精度较高，但是对于海底回波脉冲宽度而言，主要由激光脉冲在水中展开的情况决定，对于激光脉冲而言，其展宽和接收视场角、扫描天顶角、海水参数有直接的关系。结合相关测量人员的估计在扫描天顶角15°到 20°范围中，散射深度小于6时，在传播过程中导致深度偏差在5 cm以下，因此技术人员清楚这些原理之后，就可以有效进行纠正。除此之外，海水折射率估计出现偏差，也会导致测量精度偏差问题，因此要做好海面波高的斜率譜分布的分析，例如当海面风速在10m/s到12m/s时，技术人员没有进行波浪校准，在海浪斜率的影响下，就会导致测量深度出现误差，一般深度误差是水深的1%～2%，但是纠正海浪之后，所存在的误差就非常小，几乎可以忽略不计。
5 结语
通过以上对海洋测绘中激光测深的实际应用与精度分析，发现激光测绘在海洋方面的应用具有先天优势，其测量速度快，测量面积广，而且测深精度高，可以进行海底地形图的绘制，还可以进行海岸线的测绘。为了保证测量的精度，必须考虑相关影响因素，在测量中有效约束变量，避免其对测量深度造成影响。在以后的发展中，该技术还会进一步提升，优化测量中存在的不足，进一步减小系统的体积、重量以及能源耗费。
【参考文献】
【1】胡志强. 激光测深在海洋测绘中应用及精度分析[J]. 工程技术（引文版），2016（5）：00276-00276.
【2】翟国君， 黄谟涛， 欧阳永忠，等. 机载激光测深系统研制中的关键技术[J].海洋测绘， 2014， 34（3）：73-76.
