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CZMIL机载激光测深系统及其在骆马湖测深试验评估

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精准绘就_方寸尽显——机载测深激光雷达探测水下奥秘

精准绘就_方寸尽显——机载测深激光雷达探测水下奥秘

28自然资源科普与文化·2023年第3期精准绘就 方寸尽显文图/金鼎坚 吴 芳 高子弘 于 坤 赵 政——机载测深激光雷达探测水下奥秘第一作者简介 金鼎坚，高级工程师，主要从事航空遥感地质技术研究与应用工作。

近年来，随着卫星遥感技术的快速发展和无人机遥感技术的强势崛起，遥感，这一“神秘”的高科技越发明显地呈现出大众化趋势，在土地、矿产、海洋、测绘等自然资源各行业都获得广泛应用，大众熟知的程度也越来越高。

作为一种空间对地观测技术，遥感通常被认为只能获取地球表面信息。

实际上，一些特殊的遥感技术不仅能获取地球表面信息，还能一定程度地穿透植被、水体等，揭示地表覆盖下不为人知的秘密。

机载激光雷达测深（Airborne LidarBathymetriy ）即是这样特殊的遥感技术，专门用于从空中探测浅水水下信息。

机载测深激光雷达：遥感家族中的“隐世高手”机载激光雷达遥感是以机载激光雷达为传感器的一种航空遥感技术，按照功能和应用场景的不同，可分为机载> 航空遥感飞机进行测绘作业> 无人机29自然资源科普与文化·2023年第3期陆地激光雷达和机载测深激光雷达。

机载陆地激光雷达主要应用于陆地测量，目前在地形测绘、地质灾害调查、林业调查、电力巡检、建筑物三维建模等领域广泛使用；机载测深激光雷达则具有一定的水体穿透能力，可以探测水下地形、水体光学特性及水下目标等，主要应用于海岸带、海岛礁，以及内陆河流、湖泊的测量。

机载陆地激光雷达近年来发展迅速，声名鹊起；机载测深激光雷达则显得默默无闻。

实际上，机载激光雷达测深技术的发展比机载陆地激光雷达更早。

1960年，世界上第一台激光器问世，仅隔8年，美国锡拉丘兹大学（Syracuse University ）的科研人员就建造了世界遥感，顾名思义为遥远的感知，是指不直接接触目标物体，而使用传感器接收物体反射或发射的电磁波信号，揭示物体的几何与物理特性及其变化特征。

机载激光雷达海洋测深技术.ppt

机载激光雷达海洋测深技术.ppt

基于声波的回声测深技术
? 机载激光测深
在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大，声波在海 水中衰减小、传播距离长，因此基于声波的回声测深技术是应用最广最为成熟的 水深测量技术。
多波束测深系统是 一 个全覆盖式声纳测深系统，其波束在海底的覆盖宽度是水 深的 3 ～7 倍，个别系统最大可达 10 倍。在深水测区具有很大的优势，但在水 深小于 50m 的浅水区或存在暗礁时，声呐测量技术往往使用受限，测量效率也 急剧下降，且存在着严重的安全隐患。
? 最佳透光窗口：波长为 0. 47 ～ 0. 58μm 之间的蓝绿光表现出了衰减系数 最小的特性。
? 特点：精度高、分辨率高、灵活机动、测点密度高、现了水陆一体 化无缝测量。
? 与多波束测深系统不同的是，机载激光测深系统由于在海底的覆盖宽度仅仅 与飞机的航高有关，而与要测量的水深无关，因此特别适合于沿岸浅水区的 全覆盖水深测量。
2020/4/16
2020/4/16
主动式遥测技术，利用的是光在海水中的 传播特性。
按照波段数量可分为双色激光机载 LiDAＲ 测深系统和单色激光机载 LiDAＲ 测深系 统。
2020/4/16
2020/4/16
2020/4/16
? 随着技术的进一步发展，当前出现了单 色激光机载 LiDAＲ 测深系统。单色激 光机载 LiDAＲ 测深系统仅采用波长为 532nm 的蓝绿激光作为激光器发射光 源，其一部分激光束到达海面后沿原路 径反射，另一部分激光束则穿透海面到 达海底，经海底反射沿原路径返回，并 被激光接收器接收。根据二者到达接收 器的时间差，即可计算出海水的深度。 采用单色激光作为发射源，既简化系统 结构，又不需双色激光同步而提高测深 精度，是机载 LiDAＲ 测深系统的发展 趋势

浅谈机载激光测深技术

浅谈机载激光测深技术

浅谈机载激光测深技术
浅谈机载激光测深技术
机载激光测深,是最新发展的海道测量技术之一.它和传统的.水面船艇测深相比,可以不受海浪等气象条件的影响,快速地测量海底地形.目前,在日本等国家已经用于海洋测绘中,并取得较好的效果.随着技术的发展和我国经济实力的增强,机载激光测深技术也会很快的被引进国内,本文主要简单介绍激光测深技术的背景、原理、应用领域等.
作者：张永合 Zhang Yonghe 作者单位：天津海事局海测大队,天津,300220 刊名：气象水文海洋仪器英文刊名：METEOROLOGICAL,HYDROLOGICAL AND MARINE INSTRUMENTS 年，卷(期)： 2009 26(2) 分类号： P716 关键词：机载激光测深海事测绘应用领域。

机载LiDAR点云中静态水体边界提取

机载LiDAR点云中静态水体边界提取

34
（a）按回波强度賦色的点云
（b） （a）黑框内点云的剖面图
2. Feiyan Aerial Remote Sensing and Technology Co. Ltd. , Nanjing 210001 ,CAina) Abstract：The extraction of water boundaries from airborne LiDAR point clouds often relies on image assistance or the assumption that there are few water surface points or weak echoes, and this assumption does not necessarily match the actual situation. This paper proposes a method for extracting static water boundary based on point cloud coordinates only. Firstly,the Delaunay triangulation network is constructed, the hollow boundary is extracted from the network as the initial boundary. Secondly>the water surface elevation range is estimated based on the boundary point elevation distribution. And then,iterative boundary expansion is performed along the search direction. During the expansion process,the water surface elevation estimate is dynamically updated until the boundary no longer changes・ Finally»the boundary is trimmed. Experiments are conducted using data from the Xiaohuangshan area in Changzhou?Jiangsu. 100% of the main water bodies are extracted,and the obtained water body boundaries fit well with the boundaries in DOM. Key words:airborne LiDAR；static water body；boundary extraction；Delaunay triangulation network； water elevation

机载激光海洋测深技术综述

机载激光海洋测深技术综述

大学进行了利用蓝绿光探测水下
目标的可行性论证 ∀ 年 2
和 首次论证了利用蓝绿
激光探测水下目标的机载系统的
可行性 ∀ 随后 于 年美国海军
研制出了一套名为 ° ⁄≥ °∏
⁄ ≥ ∏ 的机载
系统 并在直升飞机上对海洋进行
了实测 这是最早的成型系统和机
载探测试验 ∀ 之后
! 系统
美国
系统 加拿大
• ∞ ⁄≥ 系统 澳 大 利 亚
∗
≥
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Λι µνολ. Οχεανογρ.
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Μαρ. Εχολ.
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Αππλ. Ενϖιρον . ∗
测的先进技术 ∀该技术基于海水中
存在一个类似于大气的透光窗口
即海水对
∗
Λ 之间波
长范围内的蓝绿光的衰减系数最
小 通过从飞机上由激光雷达向
下发射高功率 ! 窄脉冲激光 典型
值∗ • ∗
波长为
Λ 蓝绿光激光和波长为 Λ 红外激光 同时测量水 面反射光 主要是红外激光 与海
底反射光的走时差 并结合蓝绿光 的入射角度 ! 海水的折射率等因素 进行综合计算 获得被测点的水深 值 ∀再与定位信号 !飞行姿态信息 ! 潮汐数据等综合 确定出特定坐标 点的水深 ∀
当然 机载激光测深并不能取 代现代舰船海洋声学探测 因为海 水对激光吸收和散射十分严重 因 此机载激光测深系统的测量深度 有限 但其发挥的作用不可低估 ∀ 因为在全世界的海岸附近 约有

机载激光海洋测深技术综述

机载激光海洋测深技术综述

ｈ ｈ ｅ ｌ ａ ｏ Ｍａ Ｅ ｏ ￣ｔｉ ｎｔ ｉ ｔ ｎ ｄ Ｌ ｃ ｉ ｉ ｆ ｒ ｃｉ
Ｐｒｇ ｏ ．１ ８ ． ７ ６ ～ ７ ９ ７３ ５ ３
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载激光发射和接收设备 ，通过发射 的入射角度、海 水的折射率等因素 来 ．世 界 已有 美 国 、加 拿大 、瑞 澳 俄 法 荷 大 功率脉冲激光，进 行海 洋水底探 进行综 台计算 ．获得被测点的水豫 典 、 大 利 亚 、 国 、 国 、 兰 等 删的先进技术
０十 飞奸姿态信息 、 Ｉ 毖 １ 国家 ， 先 后 开 展 ｒ机 载 藩技 术基 于海水中 值。再 与定位信号 、
存在一 寸娄似 于大 气 的透 光窗 口 潮汐数据等综台，确定出特定坐标 激光 海洋测 深 系统的 研 究和 开发 、 工作。经过不断地试验和改过 ，现 （ 海 水 对 ０４ ～０ ５ 之 阿波 点 的水 深 。 即 ．７ ８ｍ 长 范 围内的蓝 绿光 的衰 减 系数最 由于激 光雷 达测探 系 统借助

运用MODIS遥感数据评测南海北部区域机载激光雷达测深系统参数

运用MODIS遥感数据评测南海北部区域机载激光雷达测深系统参数丁凯;李清泉;朱家松;汪驰升;管明雷;崔扬;杨超;徐天【摘要】In order to study the spatial distribution of maximum coastal zone mapping and imaging LiDAR (CZMIL)detectable depth in the northern South China Sea,we firstly research the existingKd (490) inversion algorithm in the northern South China Sea.The relationship between the diffuse attenuation coefficient Kd(490) and Kd (532) is established based on the optical profile data measured,and the relationship between the diffuse attenuation coefficient Kd (532) and the maximum CZMIL detectable depth is summarized.Then,using the remote measurement data of the Aqua-MODIS,we obtain the spatial distribution of diffuse attenuation coefficient at 532 nm in the northern South China Sea in January,June and October,2014.It shows that June is more suitable for bathymetry operation than in October and January.Finally,we obtain the spatial distribution of maximum CZMIL detectable depth in June in the northern South China Sea.The results show that the CZMIL detectable water depths in the northern South China Sea are about 0～71.18 m.The study provides a reference for the time selection and flight scheme of LiDAR bathymetry operation in the northern South China Sea.%为研究中国南海北部海域在CZMIL海道测量模式下的最大可测水深的空间分布情况,首先探讨了现有的南海北部海域漫衰减系数Kd (490)反演算法,运用南海北部海域水色实测数据建立了漫衰减系数Kd (490)和Kd (532)之间的数值关系,总结了漫衰减系数Kd (532)和CZMIL系统最大可测水深之间的关系.通过2014年Aqua-MODIS遥感光谱数据得到了南海北部海域1月、6月、10月的海水漫衰减系数Kd (532)参数,研究发现6月份时该区域平均漫衰减系数相对较小,于是进一步合成了该月份的CZMIL系统测深能力空间分布图.结果表明.CZMIL系统在南海北部海域的可测水深约为0～71.18 m;6月份比1月、10月更适合激光测深作业.该研究为南海北部海域开展激光测深作业的时间选择和飞行方案的制订提供了参考.【期刊名称】《测绘学报》【年(卷),期】2018(047)002【总页数】8页(P180-187)【关键词】机载激光测深;漫射衰减系数;南海;CZMIL【作者】丁凯;李清泉;朱家松;汪驰升;管明雷;崔扬;杨超;徐天【作者单位】深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,广东深圳518060;深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室,广东深圳518060;深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,广东深圳518060;深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室,广东深圳518060;深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,广东深圳518060;深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室,广东深圳518060;深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,广东深圳518060;深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室,广东深圳518060;深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,广东深圳518060;深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室,广东深圳518060;深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,广东深圳518060;深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室,广东深圳518060;深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,广东深圳518060;深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室,广东深圳518060;广东省国土资源测绘院,广东广州510500【正文语种】中文【中图分类】P229.2中国是海洋大国，海岸线长达18 000多km，水深在50 m以内的近海海域面积达50万km2，而近海岸区域大部分的测深数据还是空白。

机载GPS／激光测深系统的设计与测深精度理论分析

２ ｎ
， １ 、
…
式 中：
： ：
海水深度 ： 绿 色 激 光 在 海 水 中 的 往 返 传 播 时
间：
光在 真空中的传播速度 ； 海 水 的 光 波 折 射 率 ， 当 Ａ＝ ５ ３ ２ ｎ Ｓ 时 ，” ＝ １ ． ３ ４ １ ： （ ） ： 取 决 于 绿 色 激 光 入 射 海 水 角 度 的光 径 因 子 。 机 载 激 光 测 深 系 统 的 海 水 最 大 测 量 深
一
取 样 点均 处 于 脉 宽 中心 点 ，但 在 后 续 的测 深 点Ｐ 时 ， 回 波 取 样 点 发 生 偏 移 。 例 如 ， 处 于 脉 冲 前沿 或 处 于 脉 冲 后 沿 ， 其 差 值 ，在 极 端 情 况 下 ， 大 达 一 个 脉 宽 的 测 时 误 差 。若 脉 宽 为５ ｎ ｓ ，则取样测深误差为０ ． ７ ５ ｍ 。若脉宽为 ６ ｎ ｓ ，取样测深误差便是０ ． ９ ０ ｍ 。 由此 可 见 ， 机 载 激 光 测 深 系 统 采 用 较 窄 的 激 光 脉 冲 ，有 益 于 在 回 波 幅 度 强 烈 涨 落 的情 况 下 ，获 取 较 高 的测 深 精 度 。 在 脉 冲 式 激 光 测 深 的 模 式 下 ， 脉 冲 宽 度 所 引起 的 测 深 误 差 为 ：
： ：
度 一 为 ：
Ｉ ｎ 墨
一
＝
（ ２ ）
式中： ｒ ：海水对激 光的有效衰减系数 ； 只 ：海 面 背 景 所 产 生 的噪 声 功 率 ； ： 机 载 激 光 测 深 系 统 的 有 效 接 收 功
率。且知 ：
：
！ ！
ｚＨ ２
ｒ 、
式中： ： 绿 色激 光脉 冲 的峰 值功 率 ； ： 大气／ 海 水 界 面 的反 射 率 ； ４： 机 载 激 光 测 深 系 统 的光 学 有 效 接 收 面积 ； ｒ ／ ， ： 机 载 激 光 测 深 系 统 的 光 学 接 收 效 率； ： 机 载Ｇ Ｐ Ｓ ／ 激 光 测 深 系 统 测 得 的 飞 机 点Ａ 至 海 洋 面 的距 离 。 从式 （ ２ ） 和式 （ ３ ） 可 见 ，机 载 激 光 测 深 系 统 的 海 水 最 大 测 量 深 度 ， 既取 决 于 光 学 收 发 系 统 的 自 身特 性 ，又 取 决 于 所 探 海 域 的 自 然 条 件 和 海 水 特 性 ， 以致 夜 间 的 测 深 能 力 强 于 白天 。 备 以 机 载 Ｇ Ｐ Ｓ 动 态 载 波 相 位 测 量 的 精 确 导 航 ，可 以 准 确 地 在 指 定 海 域 实 施 夜 间 探 潜 作 业 。 同 时 ， 机 载 激 光 测 深 的 海 水 深 度 与 飞 机 的 飞 行 高 度 平 方 成 反 比 。 亦 即 ，在 同 等 激 光 功 率 的情 况 下 ，飞 行 高度 较 低 ，则 所 测 深 度 较 大 。但 飞 行 高 度 较 低 时 ， 又 不 能 获 得 较 大 的 扫 描 面 积 。因 此 ， 需 要 综 合 考 虑 飞 行 高 度 的 设 置 问题 。

激光测深


xs y s zs
扫描
GPS
机载激光测深系统研制的难点
难点一 难点二 难点三 难点四
大功率 高重复 频率激 光器的 研制
激光回 波信号 的识别 与水深 提取
姿态与 波浪改 正
系统误 差补偿 与条带 拼接
小结
机载激光测深技术是一种新型的测深方法, 相对于传统的测深技术有很多优越性，其理 论和技术仍就处于探索阶段，有很多难题需 要去解决。本文推导了直线扫描形式下,深水 点的空间位置计算公式,其中介绍了机载激光 测深中常用的几种坐标系，同时分析了这些 坐标系的转换关系。最终实现了水下点位的 精确定位。
机载激光测深
姓名： 班级： 学号：
本文主要内容
1
2 3
机载激光测深基本原理
机载激光测深的优缺点 机载激光测深中的坐标转换问题 机载激光测深发展的难点
4
机载激光测深基本原理
在飞机上安装陀螺稳定平台, 其上装有激光器及其相配套的扫 描设备。激光器按照一定的频率, 通过激光扫描装置,呈一定的角度, 同时向海面发射两种波长的激光, 红外光和蓝绿光。同时飞机上 GPS接受机测定激光发射点的空 间坐标和飞机的姿态。红外光垂 直向下;而蓝绿光则呈一定的角度 投射到海水中。这样,通过两束光 的往返时间差,并进行必要的折射 改正,就可确定水深点的空间位置。
0 xM y 1 c IR tg t i M 2 n空 z M 扫描 1 c IR 2 n 空 t i i

（1）
（1）
获取深水点在扫描坐标系中的坐标
2.海底点坐标的计算 由光学知识知，根据入射角θi和海水折射率 n sin arcsin n sin n水，可求出折射角θi’ ,即 n sin 则 n 深水点空间位置可表示为：

无人机载LiDAR在水利工程测量中的应用探究

② 作业方式。LiDAR技术飞行计划相对复杂,理 论上可全天候作业,相比航测飞行高度范围窄,一般 有效范围在100~4400mo
③ 数据处理。航测技术相对成熟，在DEM、DOM、 DLG生产技术上已经成熟，效率可控。而LiDAR技术 在数据处理方面技术尚不成熟，但是自动化程度高， 效率高。
④ 精度。航测成果平面精度高，可满足大比例尺 成图要求，但是高程精度低,需要大量地面控制。Li­ DAR 技术高程精度大于平面精度，但存在二次误差, 且处理技术不够成熟,不如航测容易控制质量。
作为传统摄影测量技术的代表，航空摄影测量的 技术与应用已经十分成熟，作为新兴技术,LiDAR技 术在目前还无法挑战航测的地位,但由于其突出的优 点，目前已经成为航空遥感的重要技术之一，具备在 未来取代航测的潜力。
① 基本原理不同。LiDAR技术是主动式扫描测 量，逐点采集，直接获取地面三维坐标，而航测是被动 式，间接获取。
2机载LiDAR在水利工程测量中的应 用
随着国家对水利事业的重视和大力投入,各领域
水利建设也迎来了发展的春天o同时随着水利信息化 建设的推进，对获取准确、可靠空间三维数据的要求
也越来越高。目前，水利工程的测量重要是用航空摄
影测量、无人机航拍摄影测量等技术辅助传统的野外
RTK和全站仪人工测量。但是，在南方山区等密林覆 盖地区仍存在很多困难，如航测面临外业控制困难、
作者简介：耿志盼(1992-)，男，江苏沐阳人，毕业于河海大学测绘工程
专业，本科，学士学位,助理工程师。专业方向：工程测量。
92
趋势之一。
1 LiDAR技术介绍
LIDAR (Light Detection and Ranging)即激光雷达 扫描技术,是二十一世纪以来摄影测量及遥感领域最 具创新性的技术之一oLiDAR系统由高精度激光测距 仪、高精度惯性测量装置(IMU)、动态差分技术的GPS 装置(DGPS)和高分辨率成像装置(主要是数码相机) 组成。激光测距仪通过发射和接收脉冲信号得到高密 度和高精度的点云数据，与此同时，动态GPS系统确 定传感器的空间位置(经纬度),【MU测量飞机的实时 姿态数据，即滚动、仰俯和航偏角。数码相机得到清晰 的地面影像，然后将点云数据和影像进行集合处理得 到DEM和DOM等产品。
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CZMIL机载激光测深系统及其在骆马湖测深试验评估王宗伟;朱士才;卢刚;彭树标【摘要】机载LiDAR测深技术被认为是海洋测绘领域极具潜力的对地观测新技术,国内对LiDAR测深的试验大都是针对南海这类水质较清的区域.本研究首次在国内引入先进的CZM IL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)系统,选取较为浑浊的江苏省骆马湖作为试验测区,进行了测深试验.试验结果表明,在测区有着低底部反射率、高漫衰减系数的情况下,CZM IL系统仍能够成功探测到湖底数据,成果精度达到了CZM IL系统标称的测深精度指标,具有较好测深探测能力和精度.%Airborne LiDAR sounding technology is considered to be a promising new technique for earth observation .In China ,most of the LiDAR sounding experiments were conducted in areas with relatively clear waterquality ,such as the South China Sea .This is the first time to introduce the advanced CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR) system in China .The Luoma Lake in Jiangsu Province was selected for experimental area .T he test results show that although the survey area has low bottom reflectivity and high bottom reflection diffuse attenuationcoefficient ,CZMIL system can successfully detect the bottom data .The accuracy of result can meet the accuracy requirement of CZMIL system . The CZMIL system has better detection ability and precision .【期刊名称】《海洋学研究》【年(卷),期】2017(035)003【总页数】7页(P20-26)【关键词】机载LiDAR;CZMIL;骆马湖;点云去噪;漫衰减系数【作者】王宗伟;朱士才;卢刚;彭树标【作者单位】江苏省测绘工程院 ,江苏南京210013;卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室 ,江苏南京210013;江苏省测绘工程院 ,江苏南京210013;江苏省测绘工程院 ,江苏南京210013;卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室 ,江苏南京210013;江苏省测绘工程院 ,江苏南京210013;卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室 ,江苏南京210013【正文语种】中文【中图分类】P715.7机载激光测深技术属于主动测深系统，采用扫描测量方式从空中发射激光来探测水深，具有覆盖范围广、作业周期短、测量点云密、点云精度高、低消耗、高机动性等特点[1]。

从国外研究情况看，其在50 m以浅的水域，具有无可比拟的优越性，特别是能够高效快速测量浅海岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域。

世界上成熟的机载激光测深系统主要有5种，分别是加拿大的SHOALS系统，瑞典的HawkEye系统，澳大利亚的LADS系统，美国NASA的EAARL以及SHOALS系统的升级产品CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)系统[2]。

根据文献[2]中各种测深设备标称的测深精度、最小探测水深、最大探测水深、激光器的重复频率、测点密度、扫描带宽等参数可以看出CZMIL测深系统的综合性能最佳[1]。

一般情况下，可用水体532 nm波段的漫衰减系数和水底底部反射率来间接反映机载激光测深系统的穿透能力：Kd(532)越大，测深系统的有效测深深度就越小；水底底部反射率越高，测深系统的有效测深深度就越大；反之亦然。

目前国内进行的机载激光测深试验都是针对南海这类水质较清的区域[3]，该类水体532 nm波段的漫衰减系数大都低于0.1 m-1，对目前成熟的机载激光测深系统来说均属于难度较低的测区。

针对浑浊区域[Kd(532)>0.3 m-1][4]尤其是非常浑浊区域[Kd(532)>0.5 m-1]这类有难度的测区目前尚没有相关的论文及试验报道。

故此本研究引入目前国际上较为先进的CZMIL系统，这是国内首次引入该设备，选取较为浑浊的江苏省骆马湖进行LiDAR测深试验，并评估其应用效果。

1.1 系统参数CZMIL系统集成了测深雷达、高光谱成像系统和数码相机，是一种全新的针对浅海海底地形、底栖生物和水柱表征，同时获取高分辨率三维数据和影像的空中海岸测量系统[5]。

CZMIL系统采用20 cm直径旋转的菲涅尔棱镜进行圆形扫描，保证了前后各扫描一次，能产生更高的点云密度，是其他系统的10～15倍，覆盖度为其他系统的3倍。

CZMIL系统拥有1个深水通道和7个浅水通道能够有针对性地获取水下地形信息。

该系统是美国军方2011年向加拿大OPTECH公司定制的，2012年交付美国军方使用，近年来才转为民用。

CZMIL系统主要技术参数见表1[6]。

1.2 测深原理CZMIL系统在进行测量作业时会发射红外光和蓝绿光两种波长的激光脉冲。

其中红外波段不易穿透海水从而探测到水面后就进行回波；而波长处于0.47～0.58 μm之间的蓝绿光穿透海水时的衰减最小，穿透性强且方向性好[7-8]，故蓝绿波段可探测到海底，并被海底反射最终被传感器接收。

系统记录红外光和蓝绿光发射和返回的时间，蓝绿光返回的时间减去红外光返回的时间即蓝绿光在水中的往返时间，再结合蓝绿光的入射角度和海水折射等即可计算出测量点的瞬时水深值。

最后根据飞行姿态及其定位信息和潮汐数据等解算出测量点的位置和基于深度基准面的水深值[1]。

如图1所示，蓝绿光入射角为θi，根据海水对蓝绿光的折射率k水和蓝绿光在空气中的折射率k空气，即可得出折射角：再根据接收红外光与蓝绿光的时间差Δti和光在真空中的传播速度c，求取的水深值D可表达为：本研究的试验方案是采用CZMIL系统对江苏省的骆马湖测区进行LiDAR测深试验，并同步采集野外实测数据，进而进行LiDAR测深数据的精度验证和分析。

2.1 测区概况骆马湖位于江苏省北部，跨徐州与宿迁二市，位于34°00′～34°11′N，118°04′～118°18′E。

湖水面积260 km2，东岸为丘陵山区，北、西、南岸为平原，最大宽度20 km，湖底高程18～21 m，最大水深5.5 m，大小岛屿60多个。

骆马湖水质为地表水III类，已接近富营养化水平[9]。

湖内水质较清，但逐年增加的采沙作业导致水体浑浊度上升，水底存在沙坑等突变地形情况，湖底地质环境受到严重破坏，湖底底部反射率约为5%。

根据2014年12月22日MODIS Aqua数据反演的Kd值可知，试验测区Kd(532)大于0.5 m-1，局部最高可达1.2 m-1，CZMIL 系统视其为极浑浊测区。

2.2 数据获取2014年10月至2014年12月，采用双频测深仪(ODOM MKIII、中海达HD-28T)采集测点至水底深度，基于JSCORS的网络RTK方式采集测点位置的WGS 1984坐标。

骆马湖范围内共采集32 153个均匀分布的有效实测点，分别获取其水下地形数据和水深数据，其测线间距约200 m，同测线点云间距约70 m，实测点的平均大地高为16.4 m，平均水深为4.3 m。

2014年12月30日，以运-12飞机为飞行平台搭载CZMIL系统，在淮安涟水机场起飞，于北京时间15时24分开始，17时09分结束，历时105 min，航线间距约291 m，航高约400 m。

共采集到18条航线的LiDAR测深数据，包括原始激光点云和影像数据、POS数据、GPS数据、航迹文件、检校数据等。

测区LiDAR航迹和实测点分布及其湖底高程(大地高)渲染如图2所示。

采用如图3所示的处理流程，对激光数据、POS数据和基站GPS数据进行处理获取测量点的三维坐标(X,Y,Z)[10]。

本文数据处理工作采用的HydroFusion软件是Optech公司针对CZMIL测深系统研发，可实现航线设计到数据融合等一系列工作流程。

前期预处理工作与传统LiDAR测高工序基本一致，本文不再赘述。

(1)点云分类。

LiDAR测深与传统LiDAR测高的点云分类侧重面不同，LiDAR测深系统采集的点云分类主要是陆地点、水面点和水下点。

由于LiDAR测深系统所用激光波段不止于红外波段，可通过探测波段的属性及其回波信息确定点云类别。

水面点依据红外激光不易穿透水面，探测到水面后的单次回波可明显区分。

陆地点和水下点均有二次回波，水下点可通过首次回波为水面点进行分类。

(2)点云去噪。

点云去噪难度最大的是水下噪声点的判断。

一般情况下，CZMIL测深系统发射一定强度的蓝绿激光，透过水体经底部反射回来的激光强度只有达到一定的强度才被认为是有效水下点回波，否则就是噪声点。

这个强度阈值是根据发射激光的强度、测区水域的漫衰减系数、底部反射率、大气影响和测深系统器件参数确定。

本文试验测区的强度阈值在深水通道约为200，浅水通道约为50。

图4是两种通道情况下试验区LiDAR点云几种典型的波形图。

依据波形去噪后再经基于高程均值离差迭代的方法[11]进一步去噪后，具体噪声点剔除前后点云覆盖面积统计如表2所示，噪声点剔除后的湖底地形模型渲染图如图5所示，并选取左侧局部进行放大。

尽管试验区有着低底部反射率(5%)、高Kd 值[Kd(532)大于0.5 m-1，局部最高可达1.2 m-1]，但仍能够成功探测到水底数据。

针对图5中LiDAR航飞区域中间部分缺少LiDAR点云的情况，经实地勘测发现该区域聚集着采沙船，采沙作业造成的高悬沙的水质环境[Kd(532)最高达1.2 m-1]和湖底沙坑(水深最高达13.71 m，平均为6.33 m)严重影响了CZMIL系统对湖底数据的获取，依据表1可知该区域超出了CZMIL系统的最大探测深度。

4.1 精度验证本文通过陆地精度、LiDAR点云内部检核精度和外部检核精度三方面对LiDAR测深数据处理结果进行精度验证，详细内容如下：(1)陆地精度验证。