[发明专利]一种机载LiDAR测深海气界面折射改正方法

说明书

本发明公开了一种机载LiDAR测深海气界面折射改正方法，属于海洋测绘技术领域，其包括如下步骤：首先获取机载LiDAR测深数据,从中计算出海面激光点云坐标；然后基于最小二乘和波浪谱理论，利用获取的海面激光点云构建瞬时三维海面模型；再以构建的瞬时三维海面模型作为光线追踪平台，在获得海面斜率的基础上，追踪穿过海气界面的每束激光，计算折射光线单位向量；最后对海底激光点的点位偏差和测深误差进行改正，实现机载LiDAR测深数据的海气界面折射改正。本发明通过这种方法，实现了机载LiDAR测深时海气界面每一激光束的折射改正，有效解决了由于瞬时海面倾斜造成的折射光线路径偏移问题。

技术领域

本发明属于海洋测绘技术领域，具体涉及一种机载LiDAR测深海气界面折射改正方法。

背景技术

机载LiDAR测深系统具有测量精度高、测点密度高，工作效率高、机动性强、测量连续性等特点，特别适合于浅水区、海岛礁附近区域等复杂地形的快速探测，可以实现海岸线水上水下地形的无缝拼接。对于满足海洋、测绘、水利、交通、外交、海军等多方面的迫切需求，具有重要意义。

由于波浪、潮汐等外界因素的影响，海面不断地发生随机起伏，改变了海气界面的几何形状。当机载LiDAR测深系统发射的蓝绿激光穿过海气界面时，瞬时海面倾斜会造成折射光线路径发生偏离，严重影响海底地形测量精度。目前大部分折射改正主要依靠扩大激光脉冲发散角覆盖多个波浪来减小折射影响的方式，该改正方法是基于激光扩束以平滑瞬时海面实现的，然而较大的光斑自身就降低了测深精度，已不适用于当前主流的小光斑机载LiDAR测深系统。

因此，有必要提出一种机载LiDAR测深海气界面折射改正方法，以提高机载LiDAR测深精度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种机载LiDAR测深海气界面折射改正方法，设计合理，解决了瞬时海面倾斜造成的折射光线路径偏移问题，有效提高了机载LiDAR测深精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机载LiDAR测深海气界面折射改正方法，包括以下步骤：

步骤1：计算瞬时海面激光点坐标(x,y,z)；

步骤2：基于最小二乘和波浪谱理论，利用步骤1中计算的瞬时海面激光点坐标，构建瞬时三维海面模型；具体包括如下步骤：

步骤2.1：瞬时三维海面模型函数的确定，其能够看成是连续的傅里叶变换频谱的叠加，且为连续可导曲面；所述瞬时三维海面模型函数为：

其中，(x,y,z)为瞬时海面三维坐标，ζ_i、w_i、t、α_i和ε_i分别代表波浪的振幅、角频率、时间、方向角和初相；g＝9.8m/s²；m为余弦波叠加次数(m＝30)；

步骤2.2：针对步骤2.1中的瞬时三维海面模型函数，确定其初始参数，根据JONSWAP谱，将公式(1)中的角频率ω_i设为从1.1到4.0，且角频率间隔为0.1，i＝1,2,3,...,30；同时，计算出30个相应的初始振幅α_i；30个方向角和30个初相设置为零；

步骤2.3：利用Levenberg-Marquardt算法进行瞬时三维海面拟合，获得瞬时三维海面模型；

步骤3：根据步骤2中构建的瞬时三维海面模型，根据公式(2)计算瞬时海面斜率；通过计算公式(1)的偏微分，得到公式(2)；

其中，和为每束激光在瞬时三维海面模型中x和y方向上的海面斜率，总的海面斜率