激光扫描技术在海洋环境测绘中的应用

摘 要：激光扫描技术具有测量速度快、覆盖率高、时空分辨率高的特点。将该技术用于对海洋及沿岸环境测绘进行快速精准的大面积测量，具有常规测量技术无法取代的优越性，已被越来越广泛地应用于海底地形勘查和海洋环境监测中。该文阐述了激光扫描技术在海岸带测绘、测深和深海成像、海面大气风场测量及海面油污染检测等方面的实际应用，详细分析了技术原理、优势及其发展前景。

关键词：激光扫描技术 海洋测深 海岸带测绘 环境监测

中图分类号：P229 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0030-02

海洋对于人类的生存和发展有着举足轻重的作用，对海洋及沿海环境进行便捷有效的探测，是开发利用海洋的先决条件。海底地质勘查、海洋资源开发和航道港口建设等科学活动都亟需相关勘测技术的进步，而传统观测手段存在外业工作量大，困难地区难以到达及判读精度不足等局限性，不利于高精度大面积的观测及应用。

激光扫描技术是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，是一种主动式的现代光学遥感仪器。由于所用探测束波长的缩短和定向性的加强，具有高时空分辨率和高探测灵敏度等优点[1-2]，被广泛地应用于海洋、陆地、大气和其他目标的遥感探测中。

1 国内外研究现状

目前国际上已有近10个国家先后研制了激光测绘海底地貌或水下目标探测系统，美国、加拿大、瑞典和俄罗斯等国家先后研制出各种海洋激光探测系统的样机，使激光测绘近海环境进入实用化。美国里弗莫尔实验室科学家研制的激光扫描系统能帮助海军远距离操纵舰船在海洋最深处执行打捞和救援任务。加拿大研究的LUCIE激光水下成像系统采用高功率激光器，在混浊的海水中也能得到较清晰图像[3-4]。

我国从20世纪80年代也积极开展了激光海洋探测系统的研制工作。华中科技大学在“八五”期间成功研制出我国第一套机载激光海洋探测试验系统。中国海洋大学成功开发的多普勒激光雷达系统，可精确实时地获取海面风场和大气能见度信息。地面及机载激光扫描系统在海洋测绘、制图领域也逐渐得到了发展和应用。国家海洋局已引入了激光扫描系统作为日常海洋管理、测绘主要数据来源。但总体上讲，国内在利用激光雷达数据进行海洋和沿海领域的研究还处于起步阶段，需要进一步发展完善。

2 工作原理

激光扫描技术按其观测的对象可分为硬目标探测和软目标探测。硬目标探测包括海底地形地貌、水深和植被观测等，软目标探测包括海表面风场、温压、云和气溶胶探测等。

2.1 硬目标探测基本原理

传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林等障碍物遮挡，直接获取高精度三维地形数据，数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的DEM、等高线图及正射影像图。该技术通过激光扫描对目标进行高精度测量，以获取目标的线、面、体、空间等三维数据[5]。

系统所得到的原始数据主要包括：（1）根据激光传播时间计算得到被扫描点到仪器的距离；（2）根据两个连续转动的反射镜角度值得到的激光束的水平方向值和竖直方向值；（3）扫描点对激光信号的反射强度等。前两种数据用来计算扫描点的三维坐标值（X，Y，Z），扫描点反射强度则用来给反射点匹配颜色，通过测量激光在仪器和目标表面的往返时间，可计算仪器和点间的距离。

2.2 软目标探测原理

激光在海洋大气中传输时，大气分子和气溶胶粒子在激光的照射下将产生多种散射过程。当激光信号在大气中传输时，由于波长较短，海面的气体分子和气溶胶粒子、尘埃、雾、雨等对激光信号的吸收和散射较强，导致激光光信号能量衰减，探测器把光信号转成电信号[6]，信号检测系统将经光电探测器转换后的电信号进行一系列的放大、采样和累加平均处理，使之成为一种反映回波强度随探测距离而变化的激光信号。通过连续进行测量和对回波信号进行适当的反演处理，可获得海面大气要素信息[7]。

3 激光扫描技术应用

3.1 激光扫描海岸带测绘

由于我国海岸带地区的环境复杂、勘测条件困难，现有的陆地和船载测量仪器难以有效使用，需做大量的野外工作，危险性高，不易于大面积探测和应用推广[8]。

移动激光扫描测量系统外形轻巧，扫描频率高，扫描距离远，对不易施测的海岸带进行扫描，可解决传统海岸线测绘中常出现的岸线难以分辨或者难以到达的问题，从而提高测绘的精确度和完整度。国家海洋局已有测绘部门利用激光扫描技术对海岸带进行了有效勘测，可解决困难地区测绘人员登岛困难、无明显地物特征点、判读困难等问题，使海岸线测绘工作在精度和完整度上得到大大提高。

3.2 水下激光成像技术

对于潜艇和水下机器人来说，进行水下观测是至关重要的，水下激光探测的最终目的就是：利用激光的某些特性，将其和一些具有特殊功能的光电器件相结合，最大限度地抑制海水对光线的吸收和散射作用，以期获得质量更佳的水下图像或是较精确的目标外形特征描述。

在具体应用中可以通过控制水下机器人的运动轨迹，用平面激光对目标进行扫描，CCD摄像机直接获得激光平面与目标表而相交出的激光亮条纹图像，通过激光器发出激光束，不同距离发射回来的激光到达探测器的时间不同，对探测器的成像进行快门选通，仅保证一定距离的反射光能被探测器接收，并建立各坐标系问转换关系，可确定亮条纹上各点三维坐标值，得到目标深度图，它提供了一般灰度图像所不能提供的三维信息，对水下目标数字化有特殊意义，可用于海洋勘探及绘制海底局部数字地形图。

3.3 激光雷达测量海表大气

多普勒大气观测激光雷达是20世纪90年代发展起来的一种高新技术，利用多普勒激光雷达扫描系统可进行海表面风场、云及气溶胶等要素的观测。系统通过测量信号的多普勒频移，对激光的返回波信息进行计算，反演出风速、风向及大气能见度要素信息[9]，可快速、准确探测海面大气湍流、风切变等严重影响航海安全的大气结构，为军事、商业活动导航提供安全保障。目前，美国NASA的GLOW车载激光扫描测风系统，德法合作开发的机载多普勒激光雷达等针对业务化应用设计的小型可移式多普勒激光雷达在环境监测中都发挥了积极的作用。国内的中国海洋大学等也在先后成功研发了多普勒非相干测风激光雷达系统等[10]。

3.4 机载激光雷达测深

机载激光测深系统是以飞机作为观测平台，以激光扫描测距系统作为传感器，可以实时获取地面三维空间信息。可用来进行水下目标的探测、海洋污染的监测以及海浪特征测量等众多领域的研究[11]。系统主要组成部分包括：动态差分GPS接收机用于确定激光信号发射参考点的空间位置；惯性导航系统或GPS系统用于测定激光扫描装置的主光轴姿态参数；激光测距仪用以测定激光信号发射参考点与地面激光脚点之间的距离；成相系统用于记录地面实况[12]。作为浅水海底地形测量技术的一种补充手段，机载激光探测系统用于近海水深测量或海底地貌测绘只是一个应用方面，系统的高覆盖率决定了它的广泛应用前景，我国在未来将更加重视航空遥感测量技术在海洋测量领域的应用和发展。

3.5 激光遥感海洋油污监测系统

近年来，中国海域发生的多起恶性溢油事故使资源和环境受到极大损害，使得建立一种及时准确的油污监测和应急系统刻不容缓。激光遥感海洋油污监测系统属于一种前沿的遥感测量技术，它的主动性、高效性、实时性、准确性等特点。系统将油污中化合物受激光激发后的荧光数据进行分析甄别后，对油污的种类和溢油事件发出预警，具有全天候、体积小、适用各种环境气候等特点，可满足不同的监测需求。激光遥感海洋油污监测系统可广泛应用于海洋事业中的海水、海岸的溢油监测和预警，海洋石油开发，海洋运输事业等多个领域。

4 结论

激光扫描技术具有快速大面积测量的优点，被广泛应用于近海或海洋地形测量之中，其发展的潜力不可低估。利用该技术对人员难以到达的海岸或深海地区进行非接触扫描，不仅可以得到符合要求的高精度的三维空间信息，而且可明显提高作业效率与测量精度，是海洋信息探测方面一个极为重要的研究方向，具有广阔的发展前景。未来系统的发展将以提高效率、提高精度和实时成像显示为方向，进一步减小系统的体积、重量和能源耗费，提高整个系统的机动性，并完善自动导航仪与系统接口，使系统操作简单化、实用化。

参考文献

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