利用水深激光雷达测绘水下地形
个案研究
作者：雷卡·瓦西
为航海目的测量水深可以追溯到古代文明。随着技术经过几个世纪的发展，除了基于船舶的回声探测外，通过机载系统进行的激光雷达水深测量，对水体的远程监测和测绘变得更加可用。
水深测量允许专业人员测量水深，绘制水下地形图，对水下植被和栖息地进行分类，以及研究海洋生态、水质、污染物泄漏和水动力学。
凭借4X水深测量产品线，徕卡地理系统公司为浅水和海岸测绘引入了创新的高分辨率技术，与以前的机载系统版本相比，点密度增加了四倍。这个徕卡翼手目4X，水深和地形激光雷达系统，捕获每秒14万点覆盖浅海地区，直至25米深. 这种高效的海岸测量激光雷达传感器旨在为环境监测、研究和测量提供更精确的数据，即使在浑浊的水中也能如此，它展示了其绘制加拿大约翰角半岛和太平洋汤加群岛地图的效率。
改进浅水探测
新斯科舍社区学院应用地理信息学研究小组（AGRG）的研究科学家蒂姆·韦伯斯特博士是首批使用新型翼手目4X对加拿大约翰角半岛海岸带进行调查的人之一。
由于水的清澈度和不可预见的天气条件，使用传统航空摄影或船载回声测深仪方法绘制浅水和沿海地区地图可能成本高昂、耗时且具有挑战性。为了克服这些挑战，提高生产率和数据准确性，韦伯斯特决定在他的地理信息学研究中使用翼手目4X测深和地形激光雷达。
地理信息学研究的目的是双重的。首先，团队绘制了地图底栖生境以及海湾现有的水产养殖，包括贝类基础设施和浮标的测绘，以估算生物量的增长。
研究的第二个目标是建立一个水动力模型帮助租赁新的牡蛎养殖场，并在不损害敏感区域的情况下，建议海湾周围的适当位置佐斯特拉码头酒店或者所谓的鳗草。鳗草床对于沉积物沉积和许多鱼类和贝类物种的苗圃非常重要，因此加拿大渔业和海洋部（DFO）将其用作生态系统健康指标。
2014年，韦伯斯特在加拿大海洋地区开展了类似的研究，研究如何利用徕卡翼手目II优化浅水地形测深激光雷达测量的数据收集和后处理。这一次，教授和他的团队有机会部署新的翼手目4X，并将捕获的数据与2014年的结果进行比较。到量化点云密度和目标识别的改进在新型翼手目4X中，研究小组比较了三种测量仪器的捕获数据：
- 翼手目II
- 翼手目4X
- 多波束回声测深仪。
这项地理信息学实验涉及在不同水深对四个1立方米立方体进行目标测量，以确定三个不同传感器提供的详细程度和数据。
研究小组驾驶翼手目4X在海湾上空飞行，收集了有关测量目标的信息，并将2014年捕获的地形和海床数据与2018年进行的本次实验数据进行了比较。研究人员使用三种不同的调查方法捕获的四个立方体和其他平面目标进行比较：
- 点云密度
- 正射影像马赛克
- 数字高程模型
- 激光雷达振幅。
使用从中的波形数据导出的离散点完成捕获数据的分析徕卡激光雷达测量工作室用于点云生成和原始激光雷达数据清理的后处理软件。
“这个特殊的实验是为了量化翼手目4X的精确性和细节水平，我们对结果非常满意。”韦伯斯特报道。“结果表明，与其他设备相比，点密度显著增加，目标细节、探测极限和更直接的海底点分类潜力都有所改善。”
利用翼手目4X的近红外激光进行地形数据采集，结合绿色激光进行水深数据采集，研究团队精确捕捉水下特征，并生成虚拟现实高程模型，以研究底栖栖息地。此外，研究人员还提出了在不破坏鳗草栖息地的情况下进行牡蛎养殖的可持续地点。
“翼手目4X的这一进步是一个巨大的进步在点密度方面取得重大突破它提高了我们海岸带地图的分辨率。”韦伯斯特说。“在任何目标检测很重要的应用中，我都会看到翼手目4X在水文和考古等行业的好处。”
安全可靠地通过太平洋水域
太平洋是一个文化多样性极强的地区，1000多种语言的使用证明了这一点，然而，连接它们的是水。长期以来，海洋和沿海一直是太平洋生活方式的组成部分。共享太平洋水域的人的经济、运输和文化是建立在该海域提供的海军和海洋基础设施和生态系统的基础上的。尽管海上航行在该群岛起着关键作用，但南太平洋的海图不够清晰.
浅水深度范围数据对于安全海上航行以及在沿海地区或浅海地区建造港口、管道和任何其他基础设施至关重要。如果没有关于水深的准确信息以及水下地貌和海底峡谷的准确位置，经济和可持续发展就会受到负面影响。
iXBlue与项目合作伙伴Geomatics Data Solutions（现为Woolpert，Inc.）和EOMAP Australia一起被要求绘制汤加群岛及其周围地区的地图，以提供3D水深信息并改进该地区的海图。
该项目是太平洋区域航行倡议（PRNI）的一部分，该倡议是一项总体方案，旨在安全可靠地通过太平洋，同时保护环境，使太平洋岛屿经济得以发展。该项目由新西兰外交和贸易部（MFAT）与新西兰土地信息局（LINZ）合作赞助。
汤加王国，波利尼西亚群岛，包括169个岛屿，横跨约800公里在南太平洋，汤加的农业、渔业和林业提供了大部分就业机会，因此，关于陆地和浅水特征的详细数据可以支持该岛屿群的可持续发展。
考虑到相对较大的区域需要高分辨率的测量和制图，林茨需要一个智能解决方案来最大限度地利用紧张的预算。iXBlue与EOMAP Australia和Geomatics数据解决方案一起应用了收集地形和水深数据的多传感器方法，包括：
- 卫星测深（SDB）
- 机载激光测深（ABL）
- 多波束回声测深仪（MBES）
- 潮汐计安装和基准计算。
SDB调查是绘制大面积可见水深图的非常有效的工具，但是捕获陆地和水下的高分辨率数据使用翼手目4X ALB。
翼手目4X被安装在塞斯纳441中，以获取汤加和纽埃的数据，包括贝弗里奇礁，覆盖大约一个区域633平方公里面积. Geomatics数据解决方案专家收集了陆地和海上的高分辨率测深和地形数据，并将翼手目4X与SDB的结果进行了比较。
“与Chiroptera II相比，Chiroptera 4X具有额外的密度，使我们能够运行空间算法，同时降低意外从数据集中移除海底物体的风险。换句话说，它提高了我们的目标识别概率。”地理信息数据解决方案的卡罗尔·洛克哈特说。
除了海底等深线数据外，使用翼手目4X获得的地理信息学数据解决方案的一个意想不到的好处是提高了密集的激光等深线数据在陆地上的穿透能力，即使在地形激光未穿透的茂密植被上也能提供全覆盖。
“当地利益相关者将收到完整的图像和topo bathy数据集，因此他们还可以从新翼手目4X提供的高分辨率数据中获益，并可以将这些数据用于改进海图之外的其他目的。”洛克哈特解释道。
这个不同测量设备的组合方法提供所有知识的完整知识重要导航特征和附加地形信息岛屿的一部分。多亏了新发布的翼手目的4倍技术，专家们以比以前可能高出四倍的探测密度进行了调查.
