最新消息

News

空載透水光達測深

法國地中海沿岸的低空測量

2021.05.26

RIEGL在法國地中海沿岸的過渡帶環境中測試了其用於測量水下地形的透水光達之性能。最初計劃使用無人機測量,但受限於新型冠狀病毒疫情,最後使用固定翼飛機進行了測試,結果令人振奮。下一步將是在更具挑戰性的海況下進行無人機操作。

空載透水光達(ALB, Airborne Laser Bathymetry)以其在無縫地測量混合地景中的效率而著稱。因此,它被用於這些過渡地帶的水文製圖和海洋製圖,並具有在一次任務中獲取陸域地形和水域測深數據的優勢。這些過渡地帶通常包含多種多樣的自然棲息地、人工構造物、沈積物或基礎設施,很難只透過使用船載方式或陸上測量來完全覆蓋。
由於海域和陸域的地形變化,它們具有很高的固有風險。這些變化必須嚴格監控。此類測量任務繁多,例如在洪水氾濫、土地萎縮或沿海侵蝕的地區之棲息地的保護。此外還用於基礎設施維護和確保沿海航行安全。作為一種非侵入式測量方法,空載透水光達支持所有這些任務,而不會影響環境,也不會使測量人員面臨風險。

光達於測深學Lidar in Bathymetr

測深學的特定要求和透水光達的局限性必需予以考量。畢竟,我們談論的是光和水,為求兩者在相互作用時得到所有好處,這意味著光達技術中的損益比要達到精心的平衡。透水光達系統通常在載人飛機上使用,對地飛行高度超過1500英尺(457m)。他們使用綠色波長雷射,出於對眼睛安全的考慮,光束發散角通常大於1mrad,比純地形光達系統中使用的近紅外(IR)雷射要寬。最終在地面上產生的雷射足跡直徑約為50cm。因而數據的平面解析度受到限制。

濁度進一步限制了透水光達的可用性。濁度的粗略度量指標是採用沙奇深度,它是將白色或黑白相間圓盤,沈入水中量測其可見距離。透過使用能量強的雷射以及大型靈敏的接收器,有可能獲取數倍沙奇盤深度(Secchi depth)的數據。但是,在渾濁的水中,這仍然意味著穿透性不佳。

當雷射光束與水相互作用時,它不僅由於被水吸收而散射和衰減,而且由於折射,其在空氣與水界面處的傳播方向和速度也發生了變化。欲校正折射影響需準確了解雷射光束撞擊水面的位置,這可以經由對水面點進行分類並生成水面模型來確定。這些額外的處理步驟可能很耗時,並且需要有處理經驗的團隊。


點密度的比較:紅色點(右半圖)是陸地和海底的LITTO3D數據(未顯示水面數據),多色點是RIEGL VQ-840-G採集的數據(水面和海底)。

 

低空透水光達

在過去的十年中,將無人機(微型或中型)作為相機和各種測量設備的載台的做法已經確立,並革命性地改變了測量領域。UAS(無人飛行系統)和高品質的微型感測器二者的使用, 在視角、靈活性和細節程度方面實現了新的測量維度。基於這一經驗,最近的研究和產業發展已開始將重點放在同樣適用於水文學的感測器系統上。

毫無疑問地,使透水光達航高接近水面會限制掃描航帶寬度,且受限的空速會進一步降低區域覆蓋方面的整體效率,但這種規模的縮小會使得在空間解析度和測深度性能方面的數據品質顯著提高。人們對於複雜、小面積的河流地貌詳細製圖應用之期望尤其高,而高空透水光達卻無法滿足這些要求。

RIEGL在2016年推出了首款用於UAS集成的透水光達斷面儀RIEGL BDF-1,隨後在2018年推出了首款商用小型透水光達系統RIEGL VQ-840-G。該系統的核心部分是完全集成的緊湊型空載雷射掃描儀,同時用於地形和水深測量。該儀器可以搭配經過出廠率定的IMU / GNSS系統和整合完成的工業相機。它小巧輕便、重量僅為12kg,可以安裝在各種平台上, 包括無人機。

雷射掃描儀包括一部倍頻紅外雷射,以532nm的波長和50-200kHz的脈衝頻率(PRR, Pulse Repetition Rate)發射具有大約1.5ns脈衝時間的脈衝。在接收器端,傳入的回波訊號被轉換為電子訊號,以接近每秒2G樣本的數位化速率進行放大和數位化。VQ-840-G具有特殊的參數化功能,可以適應當前的測量情況。

一種選擇是在1mrad和6mrad之間選擇光束發散度,以在地面上保持恆定的能量密度,從而在人眼安全的操作與空間解析度之間取得平衡。同樣地,可以在3mrad和18mrad之間選擇接收器的iFOV(瞬時視場)。對於地形測量和非常清澈或淺水的情況,較低的設置是合適的,而對於混濁的水,最好增加接收器的iFOV,以收集水體散射的大量光。

來自LITTO3D(紅色點)和VQ-840-G(灰色為地形,藍色為水面,綠色為海床)的光達數據疊加的剖面。我們觀察到兩種點雲的完美匹配。(陡峭的坡度)差異可能表明兩次採集運動之間的地形或植被發生了變化。廣域透水光達(LITTO3D)在覆蓋範圍和深度穿透能力方面勝出,近水面透水光達(VQ-840-G)在複雜度和細節方面表現出色。

VQ-840-G使用Palmer掃描儀在地面上生成橢圓形掃描圖案。因此,雷射光束以低入射角發射到水表面。

掃描時的距離測量是基於對數位化回波訊號進行即時波形處理的飛行時間(TOF)。即時偵測演算法可識別數位化波形資料流中的潛在目標,並將相應的採樣值饋送到訊號處理單元,該訊號處理單元能夠以每秒高達250萬個目標的速度即時執行系統響應擬合(SRF)。這些目標由距離、振幅、反射率和脈衝形狀偏差的基本屬性表示,並保存到儲存設備中。除了用於目標偵測和即時波形處理之外,數位化的回波波形還可以儲存起來,以用於後續的全波形分析。

在法國地中海沿岸測試系統

RIEGL將VQ-840-G安裝在有人駕駛直升機和兩種不同型號的電動多旋翼無人機上, 對各種內陸水域進行了一系列成功的測試計畫之後,於2021年3月在法國地中海沿岸,使用有人固定翼飛機進行了試驗。

當前疫情狀況影響了載台的選擇。最初,該測試計畫預定使用無人機機測量,但是整個計畫必須推遲到2020年後。由於人員旅行繼續受到限制,我們發現我們的機組人員在空中狀況更好。畢竟,這是一個很好的機會,可以在有人駕駛飛機上操作時評估系統的性能。此次使用塞斯納T206H, OE-KRI進行任務,任務飛行高度為150m AGL,飛行速度為110kts,採用 50kHz發射頻率,點密度約為每平方米6-8點,以實現最佳性能。

當然,有人駕駛的固定翼飛機的飛行動力學與無人機的機動敏捷性有很大不同。與典型的無人機飛行參數(例如75m AGL、 20-30kts航速)相比,點密度和性能有所降低,但這被有人機的靈活性和在短時間內掃描較大面積的可能性所抵消。


VQ-840-G高解析度點雲:Les DeuxFrères岩層和海底地形的視圖,最大深度達到17.5m。

2021年3月2日,塞斯納T206從亞維農-普羅旺斯機場(Avignon-Provence)起飛,在馬賽以西的Camargue地區進行首次勘測,早晨的空氣涼爽而平靜。但是在西南更遠的蒙彼利埃已經開始下雨,因此在飛行中必須取消另一個計劃中的項目。OE-KRI機組人員決定繼續在Cap Sicié的岩石地區進行試驗前於亞維農加油,然後向法義邊界前進以獲取更多數據,並及時返回奧地利的本國飛機場。為了最大程度地減少機組人員Covid相關的風險,嚴格限制了地面作業。

10:00後不久到達CapSicié,此時東風4級, 海象微弱。浪高達1至1.3m,東南方向有微弱長浪。

Cap Sicié是位於法國普羅旺斯地區的Toulon和La Seyne sur Mer海灣的懸崖。Cap Sicié之所以出名是因為與有遮擋的海灣地區相比,密陀風〔Mistral,法國南岸乾冷北風〕和利凡風 (Levant, 地中海上強烈東風)特別強。其最高點為352m,可以欣賞到土倫灣(Toulon Bay)的全景,並且當空氣特別清晰時,它可以晀望遠至蔚藍海岸群島(Côte d’Azur)。在東邊,一個引人注目的孿生岩層“ Les DeuxFrères”成為我們數據採集的重點。


 CessnaT206 OE-KRI飛行於Cap Sicié
 

位於海角下方的Amphitria是一個廢水處理廠,這是一個驚人的建築結構,平滑地嵌入陡峭的海灣中。該建築物暴露於水陸兩種危險之中,因此要採取持續的安全措施,以確保為現場人員提供安全的工作空間。由於地形特徵和對自然棲息地的保護,需要考慮減少接觸性,此測試是非接觸式但接近地面的測量方法的潛在用途之範例。

將結果與參考數據進行比較

測試區域(約1152公頃)共飛行12個重疊航帶,得到60,864,774個點。對於點密度檢查,僅考慮來自單個航帶的數據。對光達數據的首次分析顯示: 地形部分提供了可靠的多回波覆蓋,因此可以很好地穿透植被得到地形。測量區域中的海底由沙子組成,由於其顏色而提供良好的反射率,但在受到干擾時會造成水渾濁。

為了參考和驗證結果,將數據與法國海軍水文和海洋學局(SHOM)現有,可公開獲得的透水光達數據進行了比較。在法國國家Litto3D計劃中,已經生成了法國海岸沿海區離岸6海里範圍內的10m等深線之數字測高參考模型。


海洋面積圖。(資料來源:SHOM

將獲取的數據疊加到Litto3D數據上以獲得兩個數據集的視覺印象。我們很高興能在地面和海底找到極佳的點雲匹配。當Litto3D數據擴展到更大的深度時,VQ-840-G的數據由於其更高的空間解析度而提供了更詳細的視圖。Litto3D數據點密度要求在海底為0.04 pts / m2,在地面上為1 pt / m2。我們調查的區域中,得到的結果比兩者要求的點密度甚至更高。VQ-840-G在水面上方和下方提供的解析度為7 pts / m2。因此,這些結果因此或可完美地補充廣域調查數據中特別感興趣的區域。

短暫的法國海岸實地考察提供了對VQ-840-G在海上環境、安裝在有人駕駛飛機時操作性能的了解。此次獲得的成果是接受下一個挑戰的動力,那就是要在無人駕駛飛機和較高的海況下操作。目前已計劃進行一系列測試,以進一步針對不同的測量應用微調系統。

致謝

RIEGL非常感謝當地的空中交通管制服務部門,在德佩勒維斯特海軍基地海軍基地的飛行協調工作以及土倫地中海基地的建議。


從濱海拉塞恩(La Seyne sur Mer)的馬爾維沃(Mar Vivo)海岸看的Les DeuxFrères。

原文出處作者: Ursula Riegl, Beatriz López García, Martin Pfennigbauer

更多產品知識點此