Saona 岛地形水深测量 LiDAR：利用激光扫描绘制海滩、海岸线和浅海床

简介

Saona 岛位于多米尼加共和国东南海岸附近，是了解沿海景观与浅海环境如何联系的宝贵环境。 海滩、近岸水域、水下地形和沿海生态系统形成了一个不断变化的物理系统。 研究这些环境需要水面以上和以下的准确海拔信息。

传统的陆地测量和水下深度测量通常使用不同的仪器和方法。 机载地形测深激光雷达提供了另一种方法：它使用激光扫描在同一调查操作中收集沿海土地和合适的浅水环境的高程信息。

对于沿海工程师、海洋研究人员和环境规划人员来说，该技术可以帮助创建沿海地区的互联三维模型。 精心设计的地形测深激光雷达项目可以支持未来对海岸线变化、沿海洪水、海滩形态和索纳岛周围浅水栖息地的研究。

本文解释了该技术的工作原理、它可以收集哪些信息、它在哪里有用以及在将其应用于加勒比岛屿环境之前必须考虑哪些限制。

1. 什么是地形测深激光雷达？

LiDAR 是指光探测和测距。 它是一种遥感技术，通过发射激光脉冲并记录从表面反射的光来测量距离。

地形测深激光雷达结合了两种相关的测量功能：

• 地形激光雷达：测量陆地的海拔和表面特征。
• 测深 激光雷达：使用透水激光在合适的水条件下测量水下地形。

组合系统旨在收集跨陆地-水边界的信息。 其输出可以包括海滩高程、沿海地形、水面返回和水下海底高程。

这在沿海研究中特别有价值，因为陆地和水下调查可能会产生海岸线附近存在间隙或不一致的单独数据集。

NOAA 将地形系统描述为通常使用近红外光，而测深系统则描述为使用能够穿透水的绿光。 组合观测结果可以处理成三维高程产品。 （NOAA：https://oceanservice.noaa.gov/geodesy/lidar.html）

2. 机载地形测深激光雷达如何工作？

典型的测量系统安装在飞机上。 飞机沿着计划的飞行路线飞行，同时扫描仪向下方表面发送激光脉冲。

地形测深系统通常使用两种激光波长：

近红外激光

近红外激光主要用于测量陆地表面。 它可以记录来自海滩、裸露岩石、植被和其他沿海特征的回波。

它还有助于识别水面，因为近红外光在空气-水界面处被强烈反射或吸收，而不是提供有用的海底回波。

绿色激光

绿色激光用于水下组件。 它的部分能量穿过水，向海底传播，反射后返回机载传感器。

仪器记录返回信号的时间和特征。 通过识别水面和海底返回，处理软件可以估计水深和海底高度。

绿色激光在水中传播时会损失能量。 悬浮颗粒、藻类、气泡和其他物质会散射或吸收光线，从而降低海底返回的强度。

加拿大自然资源部解释了近红外和绿光激光观测如何协同工作，包括折射和水透明度的影响。 （参考：联邦机载激光雷达数据采集指南）

3. 激光距离测量背后的科学

LiDAR 利用激光脉冲的传播时间来测量距离。

对于简化的陆地测量，距离可表示为：

R = c × Δt / 2

其中：

• R = 传感器之间的距离 反射面
• c = 光速
• Δt = 测量的往返传播时间

除以二是必要的，因为激光传播到目标，然后返回传感器。

水下测量需要额外的校正。 当光从空气进入水中时，它的速度和方向都会改变。 因此，处理系统必须考虑折射和两种环境的不同光学特性。

准确的计算取决于仪器设计、检测到的波形和处理方法。 可靠的调查不应将水下路径视为激光完全在空气中传播。

4。 为什么水体透明度很重要

水体透明度是影响测深激光雷达性能的最重要因素之一。

绿色激光需要穿过水柱，从底部反射并返回机载接收器。 如果过多的光被散射或吸收，海底返回可能会变弱或无法自信地识别。

多种环境条件会影响结果：

• 水中的悬浮沉积物。
• 藻类和其他生物材料。
• 溶解的有机物。
• 破碎。 波浪和夹带的气泡。
• 深色或低反射率的海底材料。
• 降雨或海岸扰动后浊度发生变化。

清水比浑水具有更大的穿透力，但每个仪器或位置的最大可达到深度并不是固定值。

NOAA 指出，测深激光雷达在浅海沿海地区非常有用，深度性能取决于水的透明度 和系统能力。 其沿海地形测深数据描述还确定了无法自信地检测到底部返回的间隙。

对于绍纳岛调查，应在飞行计划之前评估水体透明度。 单个调查日期可能无法代表全年的情况。

5. 地形水深测量 LiDAR 测量会产生什么？

第一个主要输出是点云：单个三维测量的集合。

每个点可以包含空间坐标和附加属性，例如回波强度、分类或回波数，具体取决于系统和处理工作流程。

经过质量控制后，点云可用于生成多种测绘产品。

数字高程模型

数字高程 模型表示定义区域上表面的高程。 沿海模型可能包括暴露的土地和合适的水下地形。

数字地形模型

数字地形模型试图表示底层地面或海床，而不是植被、建筑物或其他物体。

沿海横截面

横截面显示从内陆区域穿过海滩到浅水区的海拔变化。 工程师可以使用它们来检查海滩剖面和海岸坡度。

等高线图

等高线连接具有相同海拔的位置。 它们可以帮助解释海滩梯度、水下地形和沿海地貌。

三维可视化

3D 模型可以帮助规划者和研究人员检查陆地表面与水下特征的连接方式。

这些产品应始终包含描述测量日期、坐标系、垂直参考、点密度、处理方法和已知限制的元数据。

6. 如何计划地形水深测量 LiDAR 测量？

可靠的海岸测量在飞机起飞前开始。

第 1 步：定义测量目标

项目团队应确定数据的用途。 海岸线监测、洪水建模、栖息地测绘和工程设计可能需要不同的覆盖范围和质量规范。

步骤 2：评估环境条件

团队应检查水体透明度、波浪状况、浊度、天气、植被和预期的海底反射率。

对于浅水工作，即使陆地测量成功，能见度差也会导致海底回波丢失。

步骤 3：设计飞行 航线

飞行规划确定测量区域、飞行高度、线距、重叠和预期点密度。

规划应覆盖沿海陆地区域，并向海延伸足够远，以捕获预期的浅水区域，具体取决于传感器的能力。

步骤 4：建立定位和方向

机载激光雷达系统使用卫星定位和惯性测量单元来确定飞机的位置和方向。 方向。

这些测量结果与扫描仪观测结果和校准信息相结合，计算每次激光回波的位置。

第 5 步：收集数据

飞机按照计划航线飞行，记录激光回波以及导航和系统信息。

第 6 步：处理和验证

测量团队处理观测结果，识别陆地和水回波，校正水下测量结果并评估数据质量。

独立 在将数据用于关键工程决策之前，地面或水基检查非常重要。

7. GNSS 和惯性测量系统的重要性

激光扫描仪测量距离，但仅靠距离测量不足以确定地球表面上某个点的确切位置。

系统还需要知道：

• 飞机的位置。
• 飞机的横滚、俯仰和滚转 航向。
• 扫描仪的方向。
• 激光束的角度。
• 计时和校准参数。

全球导航卫星系统 (GNSS) 观测有助于确定飞机位置。 惯性测量单元 (IMU) 记录飞机的运动和方向。

将这些测量值与激光范围和扫描角度信息相结合，生成地理参考点云。

此定位工作流程对于比较不同日期收集的调查至关重要。 它还可以将机载 LiDAR 与其他沿海测绘数据集相结合。

8. 绍纳岛周围的应用

地形测深激光雷达可以支持绍纳岛周围多种类型的沿海研究，前提是进行适当的调查并验证结果。

海滩形态和海岸线研究

连接的陆地和水域高程模型可以帮助研究人员研究海滩剖面、沿海坡度和近岸地形的变化。

重复调查可能有助于确定海拔升高或降低的地方。 然而，有意义的变化检测需要可比较的调查方法、参考系统和不确定性评估。

沿海洪水评估

洪水模型需要有关水可能经过的地形的信息。

连续的沿海高程模型可以改善内陆地形、海滩和浅海区域之间过渡的表示。

仅靠激光雷达数据并不能预测洪水。 它们是模型的一项输入，该模型还需要水位、波浪、边界条件和其他相关信息。

浅海床和栖息地测绘

海底形状对于了解海洋栖息地的物理环境很有用。

地形测深激光雷达可以帮助绘制浅水淹没地形图，其中水的透明度和底部反射率可以提供可靠的返回结果。

仍然需要进行额外的生态调查来识别和确认栖息地类型。 高程数据不应被视为特定物种或生态系统的直接证据。

沿海基础设施规划

工程师在评估拟议结构、通道、排水系统和海岸线保护概念时可以使用详细的沿海高程信息。

任何工程设计都应基于适当的测量精度、现场调查和适用的技术标准。

海岸变化监测

重复高程调查可以提供帮助 量化海滩和海底表面的变化。

研究人员可以比较不同日期的数字高程模型来估计侵蚀或沉积，前提是数据质量、参考水平和不确定性得到严格控制。

9. 地形测深激光雷达与其他测量方法的比较

没有一种测量技术适合所有沿海环境。

地形激光雷达可用于陆地高程和表面测绘，但传统的近红外测量无法提供水下海底高程。

测深声纳使用声波来测量水下深度。 它可以在光学激光雷达可能遇到困难的水条件下工作，尽管它通常需要船只或其他水基平台。

卫星测深使用光学卫星图像来估计浅水深度。 其性能取决于水体清晰度、海底条件、图像质量和校准。

航空摄影测量使用重叠图像来重建可见表面。 它对于暴露的海滩和沿海特征很有用，但普通的可见光图像不能直接测量通过不透明或光学复杂的水的水下地形。

实用的沿海测绘程序可以结合这些方法。 NOAA 的激光雷达工作流程指南指出，地形测深 LiDAR 可以帮助填补地形 LiDAR 和测深声纳覆盖范围之间的过渡。

10. 准确性、验证和数据质量

具有视觉吸引力的 3D 模型并不一定是准确的测量。

项目团队必须评估水平和垂直精度，以及水下返回的可靠性。

重要的质量检查包括：

• 将陆地海拔与独立测量进行比较 控制。
• 根据适当的参考测量结果检查水下深度。
• 检查重叠航线之间的差异。
• 检查点密度和缺失数据区域。
• 评估水况的影响。
• 检查校准和定位记录。
• 报告不确定性和数据限制。

水面运动、波浪、折射校正、海底 反射率和飞机定位都会影响最终产品。

对于海岸工程，应该清楚地报告不确定性，而不是隐藏在单个精度数字后面。 适当的质量要求取决于数据的预期用途。

11. 在加勒比地区使用地形测深激光雷达面临的挑战

热带岛屿环境提出了几个实际考虑因素。

水体透明度变化

降雨、径流、沉积物再悬浮和生物活动可能会影响水下能见度。 勘测时间应考虑这些变化。

碎波

泡沫和气泡会散射绿色激光并干扰海底探测。 冲浪区的水下点云中可能包含间隙。

茂密的沿海植被

植被会使裸露地形的提取变得复杂。 多个激光返回和分类算法可能会有所帮助，但密集的覆盖仍然会限制地面探测。

复杂的海岸几何形状

岩石边缘、小水湾、浅礁和不断变化的海滩轮廓可能需要仔细的飞行计划和补充调查。

数据差距

成功的调查并不能保证完全覆盖每个水下区域。 应识别并记录缺失的海底回波，而不是以测量地形的形式呈现。

12. 拟议的索纳岛地形水深测量激光雷达研究框架

未来的研究项目可分为五个阶段。

第 1 阶段 – 初步评估：审查可用的海岸地图、卫星图像、水域状况和预期研究目标。

第 2 阶段 – 调查设计：选择合适的机载传感器，定义陆地和浅水覆盖范围，建立定位要求并独立规划 验证。

第 3 阶段 - 数据采集：在合适的天气和水质清晰度条件下收集机载 LiDAR 观测结果。

第 4 阶段 - 处理和质量控制：生成分类点云、数字地形模型、海岸横截面和不确定性信息。

第 5 阶段 - 海岸分析：使用经过验证的数据集进行海岸线研究、海滩形态、浅海床分析或 合适的洪水建模应用。

项目应确定 LiDAR 无法获得可靠底部回报的区域，并在必要时使用补充方法。

这是一个拟议的研究框架，而不是声明 Saona 岛周围已经存在地形水深 LiDAR 调查或永久监测计划。

13. 为什么这项技术对海岸工程很重要

海岸工程需要了解陆地和水如何相互作用。

仅通过测量海滩的裸露表面无法完全研究海滩。 同样，海岸线附近的水下地形也会影响波浪变换、沉积物运动和海岸过程。

地形测深激光雷达提供了一种在大部分过渡区域收集互联高程信息的方法。

对于土木工程专业的学生来说，这也是测量、遥感、大地测量、GIS 和海岸工程如何协同工作的有用示例。 该技术表明，现代海岸测绘并不局限于传统的地面测量或基于船只的深度测量。

常见问题

1. 什么是地形测深激光雷达？

它是一种机载激光测量方法，旨在测量合适的浅水环境中的陆地高程和水下地形。

2. 激光雷达如何测量水下深度？

绿色激光穿过水中并从海底反射。 该系统在应用必要的光学和几何校正后识别水面和海底返回并计算深度。

3. 为什么地形测深激光雷达使用绿光？

绿光波长比陆地测绘常用的近红外波长更有效地穿透水。 实际穿透力取决于水体透明度、传感器和海底条件。

4. 激光雷达可以绘制珊瑚礁区域地图吗？

它可以绘制与珊瑚礁相关的浅海海底表面，其中水足够清澈并且可以检测到底部返回。 生态识别和珊瑚礁状况评估需要额外的证据。

5． 它可以取代声纳勘测吗？

不能。 激光雷达和声纳有不同的优势。 激光雷达可用于快速机载覆盖合适的浅水区域，而声纳对于更深或光学困难的水下区域非常重要。

6. 绍纳岛已经可以使用地形测深激光雷达了吗？

本文并未证实绍纳岛周围已经完成了特定的地形测深激光雷达调查。 本地覆盖范围和数据可用性应通过权威地图存储库和调查提供商进行验证。

7. 测深激光雷达的主要限制是什么？

水体透明度是一个主要限制，因为悬浮物质、气泡和其他光学障碍物会削弱或妨碍可靠的海底返回。

8. 工程师可以利用地形测深激光雷达数据做什么？

他们可以使用经过验证的合适数据进行沿海地形建模、海岸线研究、洪水评估、海滩形态研究和初步基础设施规划。

结论

地形测深激光雷达通过机载激光技术将陆地和浅水测量结合在一起。 通过将近红外和绿光激光测量与精确的定位和定向数据相结合，它可以在合适的沿海环境中产生详细的三维信息。

对于绍纳岛来说，这项技术为未来研究海滩形态、海岸线变化、浅海海底地形和沿海洪水建模提供了一种有前途的方法。 其有用性取决于水体透明度、调查设计、仪器功能、数据处理和独立验证。

最有效的沿海测绘策略不一定依赖于一种仪器。 将地形测深激光雷达与声纳、GNSS 调查、航空图像和实地观测相结合，可以更全面地了解沿海环境。

海滩和海底的连接视图可以帮助研究人员将海岸理解为一个连续的景观。