[发明专利]一种针对海面波动的机载激光测深数据折射误差改正方法

说明书

一种针对海面波动的机载激光测深数据折射误差改正方法，其特征在于，包括以下步骤：S1基于维度特征的邻域自适应海面法向量计算；S2基于海面波动的激光脉冲折射误差改正模型。本发明提供一种针对海面波动的机载激光测深数据折射误差改正方法，其针对每一束具有海底反射的激光脉冲进行海面波动折射误差改正，有效提高机载激光测深数据的精度。

【技术领域】

本发明涉及一种折射误差改正方法，具体涉及一种针对海面波动的机载激光测深数据折射误差改正方法。

【背景技术】

机载激光测深(Airborne LiDAR bathymetry,ALB)技术以航空平台为载体，搭载激光扫描仪和定位设备等进行水深测量从而有效获取扫描区域的海底地形数据，具有快速、高效、稳定等优点。按照光在海水中的传播特性，其在0.47～0.58μm的蓝绿光波段存在一个能量衰减程度相对较小的透射窗口，为采用激光探测技术进行水深测量提供了条件。

在机载激光测深数据采集过程中，ALB系统所发射的激光脉冲在传播条件与传播路径上与陆地激光扫描相比更为复杂。主要表现在激光传播过程中通常需要穿透大气与海水两种非均匀介质，在水-气界面处由于反射和折射效应其路径发生明显弯折并伴有严重的能量衰减，故水体环境对激光脉冲由空气进入水体中的影响必须予以考虑。Guenther指出，水-气界面处的不确定性使得单波段系统的测深结果通常包含了相应误差，降低了系统的测深精度。

海面的波动性造成测深激光脉冲的海面入射角发生改变，从而使探测所得的海底地形数据出现误差。依据水深和海面波动的程度，海底点的位置偏差可达米级。早期机载激光测深系统的激光发射器使用发散度较大的光束，激光脉冲的轮廓直径到达水面时通常达到数米。这种大脚点的激光点经常覆盖几个波动周期，人们通常假定该种情况下波动的影响是均匀的。当前高分辨率机载激光测深系统主要使用发散度较低的激光脉冲，从而具有更高的激光脉冲发射率。因此，当前对激光脉冲传播路径进行几何建模时不能再忽略海水表面波动对测深位置偏移的影响。该影响主要包括激光脉冲在水中传播速度的减缓以及海面波动对激光脉冲传播路径的影响。比较简单的方法是假设海面是水平的，激光脉冲的传播仅需满足折射定律。但是，海面波动造成的入射角微小偏差会使获取海底点的位置发生偏移。严格意义上讲，需要计算出每一束激光脉冲入水瞬间由局部海面波动引起的海面倾斜度。

海面模型的建立具有两种方式：如果已知精确的海面，可以对每一束激光脉冲进行校正；如果未知精确的海面，通过仿真计算出平均的误差效应，将该平均误差效应作为系统波动的校正因子进行系统误差改正。当前的激光测深系统已可以获取足够的海面点进行海表面波动的模拟。阳凡林等人为改正波浪影响，基于最小二乘和波浪谱理论构建瞬时海面模型，提出一种基于瞬时海面模型和光线追踪的空-水界面折射校正方法，有效提高了测深精度。Westfeld等研究了海洋波模式对激光雷达水深测量的水下三维点坐标精度的影响，对有限直径激光脉冲通过空气/水界面的折射进行了严格的差分模拟。模拟了典型的波型和传感器结构，系统分析了它们对水体底部三维坐标的影响。目前已有较多机载激光测深数据处理相关的专利，但主要是针对激光测深回波信号处理方法(CN110568417A)、激光测深接收波形去噪处理方法(CN110133670A)、回波有效信号初值确定方法(CN110133680A)激光测深信号提取方法(CN110134976A)、激光测深点云滤波方法(CN110796741A)以及激光测深航带拼接方法(CN110375719A)。尚没有专门针对由海面波动引起的海底点坐标位移偏差进行改正的专利。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提供一种针对海面波动的机载激光测深数据折射误差改正方法，其针对每一束具有海底反射的激光脉冲进行海面波动折射误差改正，有效提高机载激光测深数据的精度。

本发明通过以下技术方案实现，提供一种针对海面波动的机载激光测深数据折射误差改正方法，包括以下步骤：

S1基于维度特征的邻域自适应海面法向量计算；

S2基于海面波动的激光脉冲折射误差改正模型。