遥感测深方法综述（三）机载雷达测深系统关键参数

news2024/11/25 10:47:45

下面两张图分别是CZMIL Nova和SuperNova的技术参数，从图中可以看出，与最大探测深度有关的参数是Kd ，且标称的最大深度4.X/Kd要求底质反射率大于15%。

1、海底底质对测量的影响

在进行激光测深的时候，海底底质的反射率对测量结果将产生很大的影响。不同区域的底质特征会有很大的差异，这会造成底部反射光强度的不同，给运用激光遥感技术测量水深的精度造成很大的影响。下图（a）为Optech 公司提供的底部反射率与ΔKdDmax的关系，可以看出，在底部反射率降到10% 以后，KdDmax将下降0.2; 在底部反射率为15% 时，对KdDmax无影响，指向“0”( 图中红点处) ，所以CZMIL 系统标称的最大测深计算公式，是在底部反射率达到15% 时才有效。从3 种不同类型土壤的反射波谱曲线( 下图( b) ) 看出，在波长为532 nm 的光谱内，砂( 粗砂) 的反射率大约为15% ; 腐泥( 淤泥) 的反射率约为5% ; 粉砂( 细砂) 的反射率约为30%。因此，当海底为较亮的砂子时，按照公式计算Dmax会比预测较大，若海底为污泥时，Dmax会比预测值小。

不过，相对海底底质而言，海水清澈度对仪器最大测深的影响要重要的多。

2、Kd与最大测深深度

推算最大测深深度有2种方法：

1) 塞克盘深度(( secchi disc depth， SDD) 。塞克盘是指直径30 cm 的白色圆盘。塞克盘深度指在海水中塞克盘恰好不能被人眼辨别时的深度。典型机载激光雷达测深系统中，最大探测深度为圆盘透明度的2~3 倍。

2) 利用水体532 nm 波段的漫衰减系数( Kd( 532) ) 和水体底部反射率来表征，经验计算公式为:

Dmax = n /Kd( 532)

式中: Dmax为最大探测深度; n 为最大测深系数，当海底反射率达到15%的情况下，一般在2~4 之间。

Kd( 532) 越大，激光测深系统的可探测深度越小; 水底反射率越高，激光测深系统的可探测深度越大。根据CZMIL 官方标称:

Dmax = 3.5 /Kd( 532)( 白天) ;

Dmax = 5.0 /Kd( 532) ( 夜间) ，

代入经验公式，计算得到系统在不同清澈度水体白天和黑夜的最大探测深度，见下表，预估设备在测区最大深测能力时可参考。

水体漫衰减系数Kd是水体表观光学量和固有光学量随深度变化的反映。漫衰减系数与水体中的悬浮物、叶绿素、黄色物质含量和成分密切相关，漫衰减系数Kd可用于估算机载激光雷达对水体穿透能力。

中等空间分辨率成像光谱仪( moderate -resolution imaging spectroradiometer，MODIS) 是美国地球观测系统( EOS) 研发的第3 代海洋水色传感器，有36 个探测波段，从可见光覆盖至热红外。从MODIS 官网可获取AquaMODIS 2014 年10 月平均Kd ( 490 nm) 示意图，如下图所示。从图中可以看出，主要的大型内陆湖泊、沿岸的海域Kd值较大，随向远海过渡Kd ( 490 nm)值逐渐减小。中国海域，沿海污染较重，整体趋势以长江口为界，北方比南方Kd ( 490 nm) 更大。由于影响水体漫衰减系数的固体悬浮物、叶绿素等物质容易受到洋流、季节变化、降雨及海浪等因素影响，Kd( 490 nm) 在不同时间的变化较大。

如果将MODIS的kd（490nm）数据与GEBCO 水深数据作对比分析，推算最大理论测深超过GEBCO( general bathymetric chart of the oceans) 水深数据的区域为潜在可测区，则适合机载激光雷达水深测量开展海陆一体地形测绘的近海区域，主要为海南岛文昌—东方段、北海及雷州半岛东西岸、山东半岛日照—青岛段、辽东湾银州—绥中段。

如果有黄海和东海的多光谱实测数据（400nm~700nm），将其与MODIS的kd（490nm）全年数据进行对比分析，获取东海和黄海不同季节Kd（532nm）的最大探测深度，评估CZMIL的作业能力，见下图。结论如下：对于黄海和东海区域，宜在夏季开展激光雷达测深作业，CZMIL 测深在10~75 m 间。其中黄海区域测深10 ～ 50 m，而黄海区域平均水深50m，可以初步判断CZMIL 在夏季对黄海区域进行测量是可行的。东海区域最大测深可达75 m 左右，而东海水深较深，平均水深为350 m，其中大陆架以内的部分平均水深72 m。因此，可以考虑使用CZMIL 对东海大陆架以内的近海区域进行测量。