SOLUTIONS
解决方案
利用机载测深激光雷达进行高空水深测绘
水文测绘工具箱中日益前景广阔的仪器
机载测深激光雷达彻底改变了水下地形测绘以及沿海和内陆水域的监测方式。这项技术利用激光遥感的高精度和穿透水面的能力，为环境管理、基础设施规划和灾害预警提供关键数据。本文探讨了机载测深激光雷达的基本原理、应用及其进步，并重点分析其在水文测绘领域的变革性潜力。
机载测深激光雷达采用脉冲式绿色激光，通常使用532nm波长，以穿透水面并获取水下地形数据。该波长理想地适用于水体探测，因为它在清澈水域中的吸收和散射最小，从而能够精确测量水下特征。该技术基于“飞行时间”（ToF）原理，通过测量激光脉冲往返于目标（如海床或河床）的时间来计算距离。为了确保深度测量的准确性，系统采用基于斯涅尔定律（Snell’s Law）的高级折射校正技术，以补偿激光束在空气-水界面的折射影响。
传感器系统是复杂的多组件配置，主要包括以下关键要素：
1.激光扫描仪：系统的核心是激光扫描仪，他生成并引导激光脉冲，以扫描模式覆盖测量区域。某些扫描仪仅使用绿光波长激光来同时测量水深与地形，其他扫描仪则结合红外线激光，以更精确地捕捉水面数据。双波长系统在测绘水陆交界的复杂环境时特别有用。
2.全球导航卫星系统（GNSS）：GNSS确保传感器平台具备精确的地理定位。高精度差分GNSS的设置，通常配合地面基站使用，可提供实时或后处理校正，使定位精度达到厘米级。此功能对于创建详细地图以及在多次测量任务中对齐数据至关重要。
3.惯性量测单元（IMU）：IMU会持续监测飞行器的姿态，包括滚转（roll）、俯仰（pitch）和偏航（yaw），以补偿因气流扰动或机动飞行引起的运动偏差。这些数据与GNSS输出的数据结合，使激光脉冲能够精确定位并确保所采集点云在三维空间中的准确地理参考。
这些组件共同组合成一个高度集成的系统，可生成高分辨率且具地理精确性的数据集。这使得对水下地形、水生植被和水下结构的详细分析成为可能。
Pielach河数据集由RIEGL VQ-840-G采集（并使用DJI P1的影像进行着色）。
空中测深激光雷达的关键性能指标
1.穿透深度
深激光雷达的穿透深度受到水域清澈度、激光能量输出以及接收器灵敏度的影响。在理想条件下，例如低浊度的清澈水域，其可达深度约为塞基深度（Secchi Depth）的三倍。例如，在清澈的沿海或内陆水域，这可能意味着超过30米的探测深度。然而，悬浮沉积物、藻类或其他颗粒可能会造成激光散射或吸收激光，从而降低其有效探测深度。为应对这些挑战，具备更高的脉冲能量和优化波长设计的先进激光系统，可在各种水域环境中提供更稳定的深度测量结果。
2.准确度
測深激光雷达在地形与水深数据点的测量上具有令人印象深刻的准确度，其垂直精度可达10厘米以内。这种高精度源于激光测距系统内部组件（包括激光扫描仪、GNSS 和 IMU）之间精确的时间同步。此外，先进的处理技术如全波形分析（Full Waveform Analysis）和折射校准（Refraction Corrections），进一步提高了测量精度，能够补偿水面动态变化及水柱内的信号衰减等影响因素。
3.点密度
高密度激光雷达系统可以达到每平方米超过50点的点云密度，这对于创建详细的数字地形模型（DTM）和测深地图至关重要。如此密集的数据覆盖能够捕捉细微的地貌结构、沉水植被以及人工水下物体。要达到这种高点密度取决于多种因素，例如飞行高度、激光脉冲重复频率以及扫描几何。高点密度在栖息地建模、洪泛平原分析和基础设施监测等应用中特别有价值。然而，出于人眼安全考虑，绿色激光不像用于地形测绘的红外线激光那样具备高准直度，因此当绿色激光从无人机或载人飞机操作时，其在水面上的激光光斑直径可达10至50厘米。
这些指标突显了机载测深激光雷达可在各种水域与陆地环境中捕捉精细且准确数据的多功能性。
机载测深激光雷达的应用
1.沿海及河流测绘
机载测深激光雷达广泛应用于绘制水下及潮间带地形，提供高分辨率的数据集，对于沿海地区管理、洪泛平原分析及航行安全至关重要。该技术有助于识别水下障碍物、沙洲及易受侵蚀的区域，支持海事活动与基础设施规划。
示例：RIEGL VQ-840-G已在奥地利成功应用于高精度河床地形绘制，实现精确的河流形态建模，并有助于水文评估（Mandlburger et al., 2023）。
2.水动力学和侵蚀研究
透过测深激光雷达生成精确的DTM，对于研究水动力过程与沉积物运输至关重要。该技术能够详细捕捉河道形态及沉积或侵蚀模式，有助于理解河流系统并维持水道稳定性。形态动力学研究也可利用这些数据记录并预测洪水或基础设施工程所引发的变化。
示例：洪水后的河流环境侵蚀分析突显了激光雷达在追踪沉积物位移与量化体积变化方面的能力（Mandlburger et al., 2015）。
3.环境监测
测深激光雷达在环境管理中发挥关键作用，可提供了有关水生植被分布、栖息地结构与生态系统健康的见解。其捕捉水面与水柱特性的能力也有助于水质评估。此外，该技术还能帮助侦测水下废弃物或污染物，从而协助保育与生态修复工作。
示例：来自绿色激光系统详细的水下地形数据已被用于监测沿海与河流生态系统中的植被栖地（Islam et al., 2022; Janowski et al., 2022）。
4.灾害管理
在灾害情境中，测深激光雷达是一项关键工具，可用于建模与减灾。高分辨率的地形数据能够支持风暴潮、海啸及河川洪水的模拟，从而协助建立预测模型，以评估风险并规划疏散措施。灾害发生后，激光雷达亦可用于量化损害，如风暴潮引发的侵蚀或洪水过后河道形态的变化。
示例：使用激光雷达衍生的DTM强化了沿海洪水仿真模型，有助于预测海平面上升和风暴事件的影响（Awadallah et al., 2022; Choné et al., 2021）。
这些应用展示了测深激光雷达在环境与基础设施管理以及灾害风险减少中的多功能性，且能有效应对关键挑战。
测深激光雷达技术的进步
测深激光雷达技术的发展经历了在传感器设计、数据处理和操作平台方面的重大创新。这些进步提升了该技术的精度、适应性和经济性，扩展了其在各个领域的应用潜力。主要的技术突破包括：
RIEGL VQ-840-G在配备测深光达传感器组件的无人机上运行的示例。
测深激光雷达的挑战与局限性
尽管测深激光雷达在水下测绘方面提供了显著的能力，但该技术也存在一些局限性。这些挑战可能会影响其操作效率和数据准确性：
尽管面临这些挑战，测深激光雷达技术仍在不断发展。持续的研究和技术进步正在努力解决这些局限性，并扩展其在更广泛环境中的应用性。
测深激光雷达的未来前景
测深激光雷达的未来前景非常光明，硬件和软件技术的持续进步将有助于克服目前的局限性并开启新的机会：
1. 与人工智能集成
结论
机载测深激光雷达位于现代地理空间技术的最前沿，代表着我们在测绘和分析水下环境方面的一次重大飞跃。通过结合精度、效率和多功能性，这项技术已成为水文学、环境科学、基础设施发展和城市规划等领域的必要工具。他能够捕捉来自沉没区域和陆地表面的高分辨率数据，支持沿海管理、灾害预防和栖息地保护等重要计划。尽管面临水体浑浊度和运营成本等挑战，但随着传感器技术、数据处理和平台集成方面的不断创新，持续提升其能力和可及性。
随着我们面对日益严峻的环境挑战和技术进步，测深激光雷达在支持持续性的发展和灾难韧性方面的角色将变得更加重要。透过促进明智的决策并加深对水域和海岸系统的理解，这项技术正在为与地球水资源的更具韧性和持续性的互动铺平道路。
Reda河河口进入Puck湾的测深扫描，其个别点根据其高度值进行上色，并结合正射影像地图呈现地形。
文章出处：https://www.hydro-international.com/content/article/charting-depths-from-above-with-人工智能rborne-bathymetric-激光雷达 1.穿透深度
深激光雷达的穿透深度受到水域清澈度、激光能量输出以及接收器灵敏度的影响。在理想条件下，例如低浊度的清澈水域，其可达深度约为塞基深度（Secchi Depth）的三倍。例如，在清澈的沿海或内陆水域，这可能意味着超过30米的探测深度。然而，悬浮沉积物、藻类或其他颗粒可能会造成激光散射或吸收激光，从而降低其有效探测深度。为应对这些挑战，具备更高的脉冲能量和优化波长设计的先进激光系统，可在各种水域环境中提供更稳定的深度测量结果。
2.准确度
測深激光雷达在地形与水深数据点的测量上具有令人印象深刻的准确度，其垂直精度可达10厘米以内。这种高精度源于激光测距系统内部组件（包括激光扫描仪、GNSS 和 IMU）之间精确的时间同步。此外，先进的处理技术如全波形分析（Full Waveform Analysis）和折射校准（Refraction Corrections），进一步提高了测量精度，能够补偿水面动态变化及水柱内的信号衰减等影响因素。
3.点密度
高密度激光雷达系统可以达到每平方米超过50点的点云密度，这对于创建详细的数字地形模型（DTM）和测深地图至关重要。如此密集的数据覆盖能够捕捉细微的地貌结构、沉水植被以及人工水下物体。要达到这种高点密度取决于多种因素，例如飞行高度、激光脉冲重复频率以及扫描几何。高点密度在栖息地建模、洪泛平原分析和基础设施监测等应用中特别有价值。然而，出于人眼安全考虑，绿色激光不像用于地形测绘的红外线激光那样具备高准直度，因此当绿色激光从无人机或载人飞机操作时，其在水面上的激光光斑直径可达10至50厘米。
这些指标突显了机载测深激光雷达可在各种水域与陆地环境中捕捉精细且准确数据的多功能性。
机载测深激光雷达的应用
1.沿海及河流测绘
机载测深激光雷达广泛应用于绘制水下及潮间带地形，提供高分辨率的数据集，对于沿海地区管理、洪泛平原分析及航行安全至关重要。该技术有助于识别水下障碍物、沙洲及易受侵蚀的区域，支持海事活动与基础设施规划。
示例：RIEGL VQ-840-G已在奥地利成功应用于高精度河床地形绘制，实现精确的河流形态建模，并有助于水文评估（Mandlburger et al., 2023）。
2.水动力学和侵蚀研究
透过测深激光雷达生成精确的DTM，对于研究水动力过程与沉积物运输至关重要。该技术能够详细捕捉河道形态及沉积或侵蚀模式，有助于理解河流系统并维持水道稳定性。形态动力学研究也可利用这些数据记录并预测洪水或基础设施工程所引发的变化。
示例：洪水后的河流环境侵蚀分析突显了激光雷达在追踪沉积物位移与量化体积变化方面的能力（Mandlburger et al., 2015）。
3.环境监测
测深激光雷达在环境管理中发挥关键作用，可提供了有关水生植被分布、栖息地结构与生态系统健康的见解。其捕捉水面与水柱特性的能力也有助于水质评估。此外，该技术还能帮助侦测水下废弃物或污染物，从而协助保育与生态修复工作。
示例：来自绿色激光系统详细的水下地形数据已被用于监测沿海与河流生态系统中的植被栖地（Islam et al., 2022; Janowski et al., 2022）。
4.灾害管理
在灾害情境中，测深激光雷达是一项关键工具，可用于建模与减灾。高分辨率的地形数据能够支持风暴潮、海啸及河川洪水的模拟，从而协助建立预测模型，以评估风险并规划疏散措施。灾害发生后，激光雷达亦可用于量化损害，如风暴潮引发的侵蚀或洪水过后河道形态的变化。
示例：使用激光雷达衍生的DTM强化了沿海洪水仿真模型，有助于预测海平面上升和风暴事件的影响（Awadallah et al., 2022; Choné et al., 2021）。
这些应用展示了测深激光雷达在环境与基础设施管理以及灾害风险减少中的多功能性，且能有效应对关键挑战。
测深激光雷达技术的进步
测深激光雷达技术的发展经历了在传感器设计、数据处理和操作平台方面的重大创新。这些进步提升了该技术的精度、适应性和经济性，扩展了其在各个领域的应用潜力。主要的技术突破包括：
1. 全波型分析
全波形分析是测深激光雷达数据处理中的一项重大进展（Schwarz et al., 2019）。与仅捕捉离散点不同，这种技术记录了整个反射的激光信号，允许对水柱、沉没特征甚至浑浊度进行详细建模。通过分析脉冲幅度、回波宽度和波形形状等属性，全波形分析能够区分植被、沉积物和固体表面，从而丰富生态学研究和沉积学的数据集（Ji et al., 2022）。此外，这一方法透过优化信号处理来增强浑浊水域中衰减回波的深度穿透能力。
2. 双波长系统
2. 双波长系统
通过结合绿色和红外激光，双波长系统解决了在复杂环境中进行测量的挑战（Gangelhoff et al., 2023）。绿色激光在穿透水面和绘制沉没特征方面表现出色，而红外激光则提供水面信息以及陆地表面和植被的地形数据。这一双重功能使得水深和地形测绘可以无缝集成在一次飞行中，使得这项技术非常适合用于沿海区和河岸等水陆交织的区域。
3. 与无人机集成
3. 与无人机集成
激光雷达系统的小型化使其能够与无人机集成在一起（Wang et al., 2022）。像RIEGL VQ-840-G和YellowScan Navigator这样的轻便紧凑的系统被设计为可以搭载于无人机，显著降低了运营成本，并可于偏远或难以到达的地点进行调查。基于无人机的激光雷达可以在较低的高度飞行，从而提高空间分辨率和点密度，使其非常适合进行区域性研究，如栖息地测绘或基础设施检查（Mandlburger et al., 2020）。这些系统还可以进行更频繁的数据采集，支持需要时间分析的应用。
这些进步展示了测深激光雷达技术日益复杂化，允许更准确和全面的数据采集，同时扩展其在新领域和挑战性应用中的使用。未来的创新，如基于人工智能的数据处理和改进的传感器设计，预计将进一步提升这项变革性技术的能力。
RIEGL VQ-840-G在配备测深光达传感器组件的无人机上运行的示例。
尽管测深激光雷达在水下测绘方面提供了显著的能力，但该技术也存在一些局限性。这些挑战可能会影响其操作效率和数据准确性：
1. 水体浑浊度
测深激光雷达的效果在很大程度上取决于水的清澈度（Saputra et al., 2021）。在高沉积物负荷、藻类爆发或其他颗粒物质较多的环境中，激光信号会因为散射和吸收而大幅衰减，这会减少穿透深度，并限制准确捕捉水下特征的能力（Richter et al., 2017）。虽然全波形分析和激光脉冲能量优化等策略有助于减轻这一问题，但在高度混浊的水环境中，这个挑战仍然存在（Maas et al., 2019）。
2. 环境条件
2. 环境条件
外部环境因素，如天气和水面动态，会大大影响数据质量（Tysiac, 2020）。例如，云层会阻挡GNSS信号以至于影响到地理参考的精确性。相似的，水面条件如波浪或太阳反射（闪光效应）也会干扰激光均匀穿透的能力，导致数据不一致。为了最小化这些影响，进行调查时应选择平静的条件并选择适当的时间。
3. 高成本
3. 高成本
先进的测深激光雷达系统伴随着显著的成本，不仅仅是硬件的费用，还包括维护、校准和运营费用（Pricope & Bashit, 2023）。如载人飞机或配备专用传感器的无人机平台（例如Teledyne Optech CZMIL Supernova或RIEGL VQ-880-GII）需要大量的投资。这些费用对于小规模项目或组织来说可能难以负担。然而，传感器小型化和无人机部署的持续创新有助于随着时间的推移降低这些开支。
尽管面临这些挑战，测深激光雷达技术仍在不断发展。持续的研究和技术进步正在努力解决这些局限性，并扩展其在更广泛环境中的应用性。
测深激光雷达的未来前景
测深激光雷达的未来前景非常光明，硬件和软件技术的持续进步将有助于克服目前的局限性并开启新的机会：
1. 与人工智能集成
人工智能驱动的数据处理将彻底改变测深激光雷达的数据集分析。机器学习算法可以加强特征识别、自动化数据分类并提高在复杂环境中的准确性。例如，人工智能可以帮助检测水下植物、沉积层或水下结构，显著减少手动后处理所需的时间和精力。此外，预测性人工智能模型可以根据历史激光雷达数据仿真环境变化，如侵蚀或栖息地变迁（Kogut & Slowik, 2021）。
2. 传感器的小型化
2. 传感器的小型化
向紧凑且轻便的激光雷达传感器发展正在创造新的部署可能性。小型化传感器正逐渐与无人机和小型自动平台集成，使得能在难以到达或敏感的区域进行调查，例如浅水河流、珊瑚礁或灾区。这些系统不仅能降低成本，还可以频繁的进行区域性调查，支持如动态栖息地监测或实时基础设施评估等应用（Szafarczyk & Tos, 2022）。
3. 强化传感器的技术
3. 强化传感器的技术
未来的传感器将提供更高的精度、更大的深度穿透能力和多光谱能力（Guo et al., 2022）。例如，单光子和全波形激光雷达的进展正在扩展水下分辨率和穿透深度的极限，使即使在浑浊水域中也能进行详细研究。结合地形和测深功能的双通道系统将进一步简化在混合环境中的操作。
4. 经济性和可获取性
随着技术进步和市场竞争使生产成本下降，测深激光雷达正越来越受到广大使用者的欢迎（Igbinenikaro et al., 2024）。这种技术的普及将促进其在新兴市场和小规模应用中的采用，如基于社区的沿海监测或环境修复项目。
5. 全球化应用
在气候变迁缓解、灾难恢复力和可持续资源管理等领域的应用扩展，可能会进一步推动测深激光雷达的普及。例如，测深激光雷达将在海平面上升建模、设计抗灾能力强的沿海基础设施和管理水生生态系统方面发挥关键作用。
这些进步共同指向一个未来，测深激光雷达将成为科学研究和实际应用中的标准工具，为水下世界提供无与伦比的洞察力。
结论
机载测深激光雷达位于现代地理空间技术的最前沿，代表着我们在测绘和分析水下环境方面的一次重大飞跃。通过结合精度、效率和多功能性，这项技术已成为水文学、环境科学、基础设施发展和城市规划等领域的必要工具。他能够捕捉来自沉没区域和陆地表面的高分辨率数据，支持沿海管理、灾害预防和栖息地保护等重要计划。尽管面临水体浑浊度和运营成本等挑战，但随着传感器技术、数据处理和平台集成方面的不断创新，持续提升其能力和可及性。
随着我们面对日益严峻的环境挑战和技术进步，测深激光雷达在支持持续性的发展和灾难韧性方面的角色将变得更加重要。透过促进明智的决策并加深对水域和海岸系统的理解，这项技术正在为与地球水资源的更具韧性和持续性的互动铺平道路。
Reda河河口进入Puck湾的测深扫描，其个别点根据其高度值进行上色，并结合正射影像地图呈现地形。