王勝平等：星載與機載地形地貌探測技術

【編者序】

本文來自《高解析度海底地形地貌——探測處理理論與技術》（吳自銀等著）一書的第1.1節「星載與機載地形地貌探測技術」。在此，特別感謝作者及《科學出版社》對於平台的支持與信任！本章節由王勝平、陽凡林、朱心科、吳自銀四位學者共同撰寫，編髮時作了部分整理與修改，版權歸作者與出版社共同擁有。

單波束測深、多波束測深和側掃聲吶等船載水下聲吶系統是進行海底地形地貌探測的主要技術手段，但受到測量船速度、儀器掃測範圍和複雜海洋環境的限制，在淺海和複雜海底地形區域，採用船載探測地形效率較低，有時甚至無法獲取數據。衛星測高、SAR遙感成像和機載激光測深等星載與機載探測技術，具有快速、高效和大面積的顯著優點，且不受海洋環境的影響，是傳統船載測深技術的有益補充。為此，本文簡要介紹了這幾種典型的星載與機載地形地貌探測技術。

一、星載海洋監測技術

⒈ 衛星測高技術

衛星測高技術是利用衛星搭載的微波雷達測高儀測定雷達脈衝往返于海表面所經歷的時間來確定衛星至海面星下點的距離，根據已知的衛星軌道高度和各種誤差改正來確定某種穩態意義上或一定時間尺度內平均意義上的海平面相對於一個參考橢球的大地高。其基本觀測量包括信號往返時間、回波信號波形以及回波信號自動增益控制值，如圖1為衛星測高原理圖，海面高度簡單可以表示為：

h＝rs－rp－hait＝hmss＋hs⑴

式中，h是瞬時海面的橢球高，rs是衛星在參考橢球面上法向投影點的地心矩，hait是微波雷達高度計的直接測量值，hmss是平均海面高，由大地水準面高和穩態海面地形組成，hs是動力海面地形。

圖

1衛星測高原理圖

衛星測高在海洋區域可提供高精度和高解析度的大地水準面數據。國際上由衛星測高數據反演海底地形的常用方法主要有解析和統計兩大類演算法。如果將海底地形的變化採用頻域表示，則衛星測高反演海底地形的數據只能反映海底地形中的低、中頻部分，對海底起伏的劇烈變化無能為力。衛星測高在海洋或島嶼附近受地形地物影響較大，觀測精度明顯下降，因此，利用衛星測高反演海洋深度，一般只有在深水海區才有望獲得比較滿意的計算結果。目前該手段一般難以滿足大比例尺測圖需要。

⒉ 海洋遙感探測技術

星載遙感探測技術是海洋探測技術體系中重要的組成部分。它伴隨著衛星技術、電子技術、光電技術、微波技術等高新技術的發展而發展。1972年以來，相繼發射了許多攜有空間探測器的衛星，其中以Landsat、IKONOS、MOS-l、Pleiades和SPOT最引人注目，可用來全天時、全天候、定量地提供全球海洋信息。發回地面的數據有：海面風速、風向、波高、波長、波譜、海面溫度、大氣含水量、海冰、海面地形、海洋水準面和高解析度雷達圖像。

目前用于海洋觀測的衛星感測器，均根據電磁輻射原理獲取海洋信息。遙感技術採用的電磁波涉及可見光、紅外和微波等波段。感測器按工作方式分為主動式和被動式。主動式感測器如微波高度計、散射計、合成孔徑雷達（SAR）等；被動式感測器如可見紅外掃描輻射計、微波輻射計等。圖2為星載SAR遙感成像示意圖，目前用于海洋研究的感測器和主要測量的參數見表1。

圖2 星載SAR遙感成像示意圖

表1衛星感測器及其可以測量的海洋參數

星載海洋探測技術給傳統探測技術以極大的衝擊，它給人類帶來更加寬廣的視野。為開展多種海洋研究提供了宏觀背景和依據。現行各種感測器性能及分辨力的提高，意味著星載技術在評價海圖完整性和準確性、海圖更新與修測、發布一般通告、證實可疑危險物並確定其位置和鑒定水深資料的現勢可靠性、輔助確定優先測量的區域、開展海洋大地水準面、海面地形、海洋洋流等眾多方面具有廣闊的應用前景。

利用微波遙感技術可以進行水下地形探測與反演。水下地形SAR遙感成像過程由三部分組成（見圖3）：

圖3

SAR淺海水下地形成像機理

⑴水下地形和潮流相互作用引起海表流速調製，形成表面輻聚輻散；

⑵海表面流場調製引起風致海浪短波譜的變化，進而引起海表面粗糙度的變化；

⑶海表面粗糙度變化在雷達圖像上表現為強度調製。水下地形SAR成像模型主要由納維-斯托克斯方程、波作用量譜平衡方程、雷達後向散射模式等三個傳遞方程組成。

二、機載海洋探測技術

⒈ 機載LIDAR測深技術

機載激光測深的基本原理是在飛機上發射兩種激光束，分別測量飛機到海面和海底的高度，由此得到水的深度。一般可測深30m～50m，精度在± 0.1～0.2m左右。適用於大面積淺水（特別是海底能見度較好的水域）水深測量。機載激光感測器受其質量體積等要求需搭載有人駕駛固定翼飛機，測量成本較高。目前的主流型號主要包括：加拿大的Larse500以及澳大利亞的LADS等（表2）。

表2幾種機載LIDAR儀器及參數

⒉ 無人機航空攝影測量技術

鑒於星載衛星測高及遙感手段精度較差，而機載LIDAR價格昂貴，並受飛機機種限制、對飛行高度要求苛刻、對潮位時機把握嚴格、機動靈活性等方面的局限性，採用超低空無人機進行灘涂及島礁地形測量成為上述手段的有效補充。

無人機航空攝影測量是指利用輕型無人機搭載高解析度數字彩色航攝相機獲取測區影像數據和測量狀態等參數，通過數據傳輸儲存技術將以上參數傳送到地面控制系統中，在數字攝影測量工作站上進行圖像處理分析。獲得無人機的GPS/POS數據以及相機參數後，就可以通過幾何關係提取立體像對中地物點的高程信息，速度比傳統方法大大提高。採用基於最小二乘理論的灘涂測繪系統檢校技術，藉助高精度空三加密，採集精度相對較高的高程信息，利用二次內定向方法進行平差，得到滿足海洋灘涂變化勢態監測分析使用的DEM。該手段可以獲取灘涂及島礁1:2000的地形圖，但水深反演能力較差。目前在條件較為良好的情況下，無人機灘涂及島礁測量精度可以滿足1:1000測圖精度需要。

無人機具有空域申請手續簡單、機動性強、維護操作簡便、可在雲層下實施航拍、風險小以及低空高解析度等優點，是獲取小範圍大比例尺數據的有效手段，目前被廣泛應用于海況應急監測、不可達海域地圖數據獲取、大比例測圖與地圖數據獲取、海域地圖局部更新以及小範圍三維模型建立等諸多領域。如圖4為油污泄露無人機探測。

圖4

無人機油污泄露探測

三、小結

衛星測高及海洋遙感探測技術主要應用于海面地形和大地水準面探測，以及大面積海底地形的快速探測與反演。機載激光測深的精度較高，但對水體環境有很高的要求，且激光感測器體積龐大，需搭載有人駕駛固定翼飛機，導致其測量與運維成本很高。基於無人機光學遙感的地形地貌探測技術主要應用於島礁與灘涂等船載測量難點區，具有很高的陸地地形測量精度，但水深探測與反演精度較低。船載、星載與機載地形地貌探測技術共同組成了較為完備的海底地形地貌探測技術體系。

【作者簡介】第一作者王勝平，男，山西新絳人，1983.10月出生，2011年獲武漢大學大地測量學與測量工程博士。現為東華理工大學測繪工程學院副教授、碩士生導師，中國測繪學會海洋測繪專業委員會委員；研究方向為水下地形地貌測量、水下地磁匹配導航；在國內外核心刊物發表論文30餘篇（其中EI檢索20篇）；出版著作1部，參編2部；主持海洋測繪領域國家自然科學基金，江西省自然科學基金等縱橫向項目多項。《高解析度海底地形地貌》（吳自銀等著）一書由吳自銀、陽凡林、羅孝文、李守軍、王勝平、丁維鳳、曹振軼、許雪峰、趙荻能、朱心科、應劍雲、霍冠英、金紹華、尚繼宏、章偉艷、高金耀、李懷明、楊克紅、李小虎、梁裕揚、馬維林、周潔瓊、熊明寬23位學者共同撰寫，全套書共兩冊：探測處理理論與技術，可視計算與科學應用。本文發表徵得了作者的同意，並且對部分內容進行了修改與整理，其他平台如要轉載務請標註出處，並徵得作者與出版單位認可。

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