0 引言

机载激光测深技术是一种主动测深技术，以飞机为搭载平台，采用扫描测量方式从空中发射激光来进行水深探测的方法，具有覆盖范围广、作业周期短、测量点云密、点云精度高、低消耗、高机动性等特点[1]。其在50 m以浅的水域，具有无可比拟的优越性，特别是能够高效快速测量浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域，被认为是海洋测绘领域极具潜力的对地观测新技术[2]。

根据以往的研究发现，机载激光测深技术虽然有其特有的优势，但是目前其测深能力有限[3]。制约机载激光测深系统测深能力的外在主要影响因素是水体浑浊度，通常可用漫衰减系数来表示，机载激光测深系统一般将其最大测深深度和漫衰减系数的乘积作为其测深能力的技术指标[4]，故可根据漫衰减系数来估算机载激光测深系统的最大测深深度，从而为机载激光测深系统测深能力的评估和水下地形测绘方案的制定提供参考。目前，现有的机载激光测深性能评估实验及论文中大都使用的是MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)数据，且近海岸浑浊水域的测深性能评估均存在缺失现象[4-5]，但这部分区域反而是沿海大开发战略中最迫切需求的。通过李军 等[6]的研究可以看出在浑浊水域VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)的遥感反射率高于MODIS，可有效解决MODIS数据在近海岸的浑浊水域部分波段没有信号的问题。故此，本文利用VIIRS数据对南黄海区域的激光测深性能进行评估，以CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)系统为例，研究确定了南黄海区域的激光最大测深深度并给出其空间分布，最后根据中国航海图出版社的水深数据确定了江苏沿海海域激光测深系统的适用范围。

1 研究区概况和实验数据

1.1 研究区概况

南黄海位于黄海南部，我国大陆和朝鲜半岛之间，研究区位于31.5°～37.3°N，119.2°～125.4°E，近海岸毗邻我国山东省和江苏省, 并有起源于渤海湾的黄海沿岸流流经，是一个半封闭的陆架浅海，平均水深44 m，最大水深140 m[7]。随着我国沿海地区经济的快速发展，南黄海近海水体出现了严重的富营养化，该部分水体较为浑浊，且底部反射率较低，特别是江苏盐城滨海县至南通启东市沿岸水域，给激光测深技术带来了极大的挑战。

1.2 实测漫衰减系数

实测漫衰减系数主要用于确定漫衰减系数的反演模型。为了保证反演模型的精准，需使实测漫衰减系数尽量均匀分布于测区。鉴于实测漫衰减系数所耗费的人力、物力和财力较高，考虑充分利用已有资料，远海数据采用国家卫星海洋应用中心2003 年春季的远海水体漫衰减系数；近海部分数据是2016年12月1日到4日，采用德国TriOS水下光谱仪采集，波段测量范围为318～950 nm，通过不同深度的下行辐照度进行指数回归求解出测量点490 nm波段和532 nm波段的水体漫衰减系数。最终得到的实测水体漫衰减系数的点位分布如图1所示。其中蓝色圆形点为2016年12月实测，共25个；红色三角形点为2003年春季实测，共11个。

  

图1 研究区位置及实测漫衰减系数站位分布图Fig.1 Location of the study area and distribution diagram of measured diffuse attenuation coefficient stations

1.3 VIIRS数据

VIIRS可见光红外成像辐射仪是美国对地观测卫星NPP上的传感器之一，是高分辨率辐射仪AVHRR和地球观测系列中分辨率成像光谱仪MODIS系列的拓展和改进，由SeaWiFS 前光学仪与全反射修正的 MODIS/THEMIS 后光学仪组合而成，在扫描带边缘空间分辨率优于800 m，在星下点空间分辨率优于400 m。VIIRS提供22个波段，其中0.4～0.9 μm共9个可见光近红外波段，1～4 μm共8个短/中波红外波段，8～12 μm共4个热红外波段，另外还有1个低照度条件下的可见光波段，可形成海洋、陆地、大气、冰层在可见光和红外波段的辐射图像[8]。

药品由住院药房统一管理，即药品的申领、调拨、储存、养护工作在住院药房完成。对于药学部内部管理来说，减少了药品占用的空间；取消了PIVAS与药库之间的药品申领工作，由住院药房全权代理，将分散的工作集中处置，提高了效率；取消了PIVAS与住院药房之间的药品调拨工作，保障临床用药及时性；药品的集中摆放，降低了养护的人力成本，提高了药品的养护质量。总之，减少了无技术含量的重复劳动，解放了药师，让药师有更多精力开展更深层次的药学服务。

2 CZMIL系统测深参数

目前，世界上成熟的机载激光测深系统主要有5种，分别是澳大利亚的LADS系统，瑞典的HawkEye系统，美国NASA的EAARL系统，加拿大的SHOALS系统和CZMIL系统[3]。根据文献[9]中这几种测深系统标称的最大测深深度、最小测深深度、测量精度、激光器的重复频率、扫描带宽、测点密度等参数可以看出CZMIL系统的综合性能最佳[3,9]，故本文以CZMIL系统为例对南黄海区域的激光测深性能进行评估。

底部反射率与激光测深系统最大探测深度之间是相互关联的，Kd×Dmax(其中Kd为水的漫衰减系数，Dmax是激光于水中能贯穿的最大深度)是激光系统用来表示测深性能的标准系数，当底部反射率为15%，CZMIL系统的标准系数Kd(532)×Dmax为4.0～4.2；当底部反射率发生变化时，ΔKd×Dmax随底部反射率的改变函数如图2所示[10]。

  

图2 ΔKd×Dmax与底部反射率关系图Fig.2 Relation diagram between ΔKd×Dmax and bottom reflectivity

根据2014年12月江苏省测绘工程院进行的CZMIL测深试验所获取的数据可知[3]，在江苏沿海部分水底反射率约为5%，其标准系数的修正值为-0.55，本文以Kd(532)×Dmax=4-0.55=3.45对南黄海区域的测深能力进行保守估算。

3 实验与分析

3.1 实验步骤

机载激光测深系统测深能力估算是建立在水体漫衰减系数反演的基础上，且CZMIL系统的标准系数所用的漫衰减系数为Kd(532)，故本文的实验步骤分为以下4步，具体流程如图3所示。

南黄海是典型的二类水体区域，国内学者对南黄海区域的漫衰减系数的反演进行了大量研究，主要反演方法有经验算法和半分析法：王晓梅 等[14]根据2003年的水色测量数据建立了490 nm、555 nm和670 nm波段组合与漫衰减系数的经验算法。吴婷婷 等[15]根据南黄海及珠江口的实测水下光谱剖面数据分别建立了490 nm、555 nm和665 nm波段组合与漫衰减系数的经验算法和半分析算法，其中经验算法取得了更好的精度。胡连波 等[16]在2006—2007年实测数据分析的基础上建立了490 nm、550 nm和620 nm波段的组合与漫衰减系数的经验算法。由于VIIRS传感器未提供620 nm波段的数据，故本文采用王晓梅 等[14]和吴婷婷 等[15]两种反演算法通过相关系数R2、平均相对误差MAPE和均方根误差RMSE三个指标评价模型反演精度。

目前漫衰减系数的研究都是针对490 nm波段建立的反演模型Kd(490)，而较为成熟的机载激光测深系统在表达测深能力时均用到532 nm波段的漫衰减系数Kd(532)，故需要建立Kd(490)和Kd(532)之间的对应关系。通过以往的研究发现490 nm和532 nm波段的漫衰减系数存在一个线性关系[4-5,14]。另外，研究区的36个实测Kd(490)与Kd(532)的相关性展点如图5所示，也能明显看出两者的相关性最有可能为线性关系。

(2)分析、比较现有主流的Kd(490)反演模型并确定本文的漫衰减系数的反演方法；

(4)评估南黄海区域的激光测深能力并确定CZMIL系统在江苏沿海的适用范围。

(3)根据实测水色测量数据建立Kd(532)和Kd(490)之间的对应关系；

利用上述获取的研究区490 nm波段漫衰减系数(图4)和Kd(490)与Kd(532)的线性关系即可求出研究区532 nm波段的漫衰减系数Kd(532)。再根据Kd(532)×Dmax=3.45对南黄海区域的测深能力进行保守估算可得研究区最大测深能力的空间分布如图6所示，其测深能力范围为0.5～40 m。

赵元任是民国时期著名的音韵学家和语言学家，他与女医生杨步伟的婚姻生活，充满了小孩子般过家家的天真，却一直被视为民国学人完美婚姻的典范。

  

图3 实验流程图Fig.3 Experiment flow chart

3.2 生成遥感反射率数据

假设Kd(532)和Kd(490)存在线性关系式，利用研究区36组实测漫衰减系数，按照最小二乘理论求解斜率k和斜距b，通过去除残差大于0.18的数据不断修正模型(此处0.18是以提升两者相关性的同时尽可能最大地保留数据为原则经实验得出的数字)，最终确定了以下线性关系，其相关系数达到了0.999 7：

从Ocean Color网站下载VIIRS L1A数据后，在SeaDAS软件中利用定标系数(Reprocessing 2014.1)进行替代定标得到L1B；进而利用短波红外的大气校正算法进行处理[11-12]，去除瑞利散射和气溶胶散射后得到遥感反射率数据；同时，在SeaDAS的大气校正过程中，做了云掩膜的处理，将rhos(去除臭氧水汽吸收和瑞利散射的反射率)大于0.018的部分判定为云[13]，从而将云的区域去除；然后再根据周围的遥感反射率进行内插得到最终研究区的遥感反射率数据。

3.3 确定漫衰减系数反演模型

大家听说过哪吒吗？喜欢看动画片和神话传说的朋友对哪吒肯定不陌生。脚踏风火轮，手持红缨枪，三头六臂是哪吒的经典形象。他顽皮好动、嫉恶如仇，为救百姓，对抗强敌龙王，甘愿舍弃自身性命而保护家人和百姓。

经过计算后得出王晓梅 等[14]算法得到的R2为0.851，平均相对误差为39.1%，均方根误差为1.178 m-1。吴婷婷 等[15]算法得到R2数为0.695，平均相对误差为39.5%，均方根误差为1.439 m-1。故本文选用王晓梅 等[14]提出的反演模型，其反演结果如图4所示，研究区490 nm波段漫衰减系数范围为0.1～8.2 m-1，具体反演公式如下：

lg[Kd(490)]= s0+s1×(Rrs(555)+Rrs(670))

+s2×(Rrs(490)/Rrs(555))

(1)

式中：s0=-0.497 995，s1=19.492 2，s2=-0.429 807。

3.4 建立Kd(490)和Kd(532)的关系

(1)对VIIRS数据进行大气校正和去云处理，生成最终的遥感反射率数据；

  

图4 研究区490 nm波段漫衰减系数Fig.4 Diffuse attenuation coefficient of 490 nm band in the study area

  

图5 实测Kd(490)与Kd(532)相关性图Fig.5 Correlation graph between measured Kd(490) and Kd(532)

生成的遥感反射率数据主要用于确定漫衰减系数反演模型和根据反演模型计算研究区的漫衰减系数。本文选用2016年11月15日的VIIRS数据计算研究区的漫衰减系数。

Kd(532)=0.844 0×Kd(490)+0.002 1

(2)

3.5 CZMIL系统测深能力评估

此外，激素性骨坏死组MSCs活性氧水平升高，线粒体膜电位水平显著低于正常对照组，10 μmol/L GSK126能在一定程度上恢复细胞内线粒体膜电位及活性氧水平。这表明GSK126能恢复细胞内的氧化应激损伤状态促进细胞增殖。有证据表明，氧化应激参与了骨坏死的病理过程，在激素作用后不久，骨坏死发生前骨组织内氧化应激损伤就已经发生［10，11］。结合以上数据，作者认为GSK126通过降低MSCs细胞内H3K27me3蛋白含量，恢复与氧化应激有关基因的甲基化状态，从而降低细胞内氧化应激水平，促进其增殖。

“秀花，从咱俩认识到现在将近三年了，这么长的时间，我是个什么样的人，你大概也心里有个数了。你觉得大哥对你够意思吗？”

  

图6 南黄海海域CZMIL系统的测深能力Fig.6 Sounding ability of CZMIL system in the South Yellow Sea region

通过中国航海图出版社发行的江苏沿海水深数据(深度基准为理论最低潮面)与图6所示的激光测深系统的最大测深深度进行比较即可确定江苏沿海海域CZMIL系统的适用范围，其位置如图7中红色范围所示，理论最低潮面时面积约为4 700 km2。

  

图7 江苏沿海海域CZMIL系统的适用范围Fig.7 The applicable range of CZMIL system in the coastal area of Jiangsu Province

3.6 实验结果分析

(1)CZMIL系统在南黄海区域的最大测深能力范围为0.5～40 m，其中远海水域可测深度较大，越靠近内陆区域可测深度越小，主要是由于近海水域靠近陆地，水体较为浑浊，频繁的人类活动加剧了水质的恶化，更有一些入海河流处化学物质的排放对水质造成了严重污染。

“一带一路”视域下我国运输服务贸易的发展思路………………………………………………………林晨萍 邱诗璇（6.81）

(2)CZMIL系统在江苏沿海的适用范围主要集中在海陆边界和滩涂区域，理论最低潮面时，其适用范围约为4 700 km2，除了滩涂部分，该区域的水下测深深度基本在1 m左右。滩涂区域可测范围呈零散分布主要是由于该区域潮沟众多，从露滩-浅水-深水全覆盖，且该区域含沙量较高，水质较浑浊，激光测深系统难以对该区域做到全覆盖探测，需辅以其他测量技术。

(3)影响机载激光测深系统测深能力的主要因素有激光发射强度、水体漫衰减系数、水底反射率、大气影响和测深系统器件参数等，针对南黄海区域，水底反射率和大气影响也会影响到激光测深系统的探测能力。南黄海区域，特别是江苏沿海区域底部泥沙较多，且部分水底被很多黑色淤泥覆盖，会吸收部分激光能量，降低激光的探测能力；另外，江苏沿海位于中国经济社会活动较活跃的区域，大气悬浮颗粒受到人类活动的影响会出现增大、增多的现象，当激光穿过大气时会因遮挡、散射等原因造成激光能量的损失，从而降低了该区域激光测深系统的穿透能力。

若带点粒子的初速度不为零，因初速度方向与电场线平行，即带电粒子所受合外力方向和速度方向相同，那么带电粒子将做匀加速直线运动或匀减速直线运动，同样可根据动能定理得出：

4 结论

针对机载激光测深系统优势明显但又测深能力有限的现状，为解决其适用范围问题，本文以CZMIL系统为例，采用VIIRS数据评估了激光测深技术在南黄海的测深性能，给出了其最大测深能力的空间分布，并确定了其在江苏沿海海域的适用范围。研究结果表明：CZMIL系统在南黄海区域的最大测深能力范围约0.5～40 m；理论最低潮面时，江苏沿海海域的适用范围约为4 700 km2。该研究成果可为其他水域的激光测深性能评估提供技术参考，亦可为南黄海水下地形动态变化监测和地形测绘方案的制定提供决策支持。

参考文献（References）：

[1] SHI Zhen-wei, YANG Fan-lin, LIU Xiang, et al. Application of airborne laser depth sounding system and its application in seabed sediment classification[J]. China Water Transport, 2013, 13(10): 292-295.

时振伟, 阳凡林, 刘翔, 等. 用简述机载激光测深系统及其在海底底质分类中的应用[J]. 中国水运, 2013, 13(10): 292-295.

[2] QIN Hai-ming, WANG Cheng, XI Xiao-huan, et al. Development of airborne laser bathymetric technology and applications[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2016, 31(4): 617-624.

秦海明, 王成, 习晓环, 等. 机载激光雷达测深技术与应用研究进展[J]. 遥感技术与应用, 2016, 31(4): 617-624.

[3] WANG Zong-wei, ZHU Shi-cai, LU Gang, et al. CZMIL airborne laser sounding system and its testing evaluation in Luoma Lake[J]. Journal of Marine Sciences, 2007, 35(3): 20-26.

王宗伟, 朱士才, 卢刚, 等. CZMIL机载激光测深系统及其在骆马湖测深试验评估[J] . 海洋学研究, 2017, 35(3): 20-26.

[4] LI Kai, TONG Xiao-chong, ZHANG Yong-sheng, et al. Inversion of diffuse attenuation coefficient spectral in the Yellow Sea /East China Sea and evaluation of laser bathymetric performance[J]. Journal of Remote Sensing, 2015, 19(5): 761-768.

李凯, 童晓冲, 张永生, 等. 黄海、东海区域漫衰减系数光谱遥感反演及激光测深性能评估[J]. 遥感学报, 2015, 19(5): 761-768.

[5] SHEN Er-hua, ZHANG Yong-sheng, LI Kai, et al. Estimation of the Yellow Sea and East China Sea hydrographic parameters based on MODIS data[J]. Journal of Image and Graphics, 2016, 21(4):451-455.

申二华, 张永生, 李凯, 等. 利用 MODIS 数据估计中国南黄海区域测深参数[J]. 中国图象图形学报, 2016, 21(4): 451-455.

[6] LI Jun, ZHU Jian-hua, HAN Bing, et al. Validation of the VIIRS radiometric products with MODIS and in-situ data in the Bohai sea[J]. Journal of Ocean Technology, 2016, 35(2): 27-33.

李军, 朱建华, 韩冰, 等. VIIRS在中国渤海的遥感反射率产品验证[J]. 海洋技术学报, 2016, 35(2): 27-33.

[7] ZHANG Xiao-dong, JI Yang, YANG Zuo-sheng, et al. End member inversion of surface sediment grain size in the South Yellow Sea and its implications for dynamic sedimentary environments[J]. Science China: Earth Sciences, 2015, 45(10): 1 515-1 523.

张晓东, 季阳, 杨作升, 等. 南黄海表层沉积物颗粒度端元反演及其对沉积动力环境的指示意义[J]. 中国科学:地球科学, 2015, 45(10): 1 515-1 523.

[8] SU Cheng-lin, SU Lin, CHEN Liang-fu, et al. Retrieval of aerosol optical depth using NPP VIIRS data[J]. Journal of Remote Sensing, 2015, 19(6): 977-989.

苏城林, 苏林, 陈良富, 等. NPP VIIRS 数据反演气溶胶光学厚度[J]. 遥感学报, 2015, 19(6): 977-989.

[9] ZHAI Guo-jun, WU Tai-qi, OU-YANG Yong-zhong, et al. The development of airborne laser bathymetry[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2012, 32(2): 67-71.

翟国君, 吴太旗, 欧阳永忠, 等. 机载激光测深技术研究进展[J].海洋测绘, 2012, 32(2): 67-71.

[10] FEYGELS V, PARK J Y, AITKEN J, et al. Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar (CZMIL): First flights and system validation[C]// SPIE Remote Sensing. International Society for Optics and Photonics, 2012.

[11] WANG M. Remote sensing of the ocean contributions from ultraviolet to near-infrared using the shortwave infrared bands: Simulations[J]. Appl Opt, 2007, 46(9): 1 535-1 547.

[12] WANG Feng, ZHOU Yi, YAN Fu-li, et al. Atmospheric correction algorithm for MODIS imagery over case Ⅱ waters based on swir[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2009, 28(5): 346-349.

王峰, 周艺, 阎福礼, 等. 基于短波红外波段的Ⅱ类水体MODIS影像大气校正算法[J]. 红外与毫米波学报, 2009, 28(5): 346-349.

[13] AURIN D, MANNINO A, FRANZ B. Spatially resolving ocean color and sediment dispersion in river plumes, coastal systems, and continental shelf waters[J]. Remote Sensing of Environment, 2013, 137(4): 212-225.

[14] WANG Xiao-mei, TANG Jun-wu, DING Jing, et al. The retrieval algorithms of diffuse attenuation and transparency for the case Ⅱ waters of the Huanghai Sea and the East China Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2015, 27(5): 38-45.

王晓梅, 唐军武, 丁静, 等. 黄海、东海二类水体漫衰减系数与透明度反演模式研究[J]. 海洋学报, 2015, 27(5): 38-45.

[15] WU Ting-ting, QIU Zhong-feng, HE Yi-jun, et al. Retrieval algorithms of diffuse attenuation coefficient in the Yellow Sea, the East China Sea and the Pearl River estunary[J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(7): 154-162.

吴婷婷, 丘仲锋, 何宜军, 等. 黄东海及珠江口附近海域水体漫衰减系数反演[J]. 光学学报, 2013, 33(7): 154-162.

[16] HU Lian-bo, ZHANG Ting-lu. A method to derive the diffuse attenuation coefficient Kd(490) in the East China Sea[J]. Marine Technology, 2002, 31(4): 60-63.

胡连波, 张亭禄. 一种东中国海水体漫衰减系数 Kd(490)的反演方法[J] . 海洋技术, 2012, 31(4): 60-63.