[发明专利]一种利用星载单光子激光雷达海面点云反演水深的方法

权利要求书

1.一种利用星载单光子激光雷达海面点云反演水深的方法，其特征在于，包括：

S1.处理和提取星载单光子激光雷达飞越水面时所获取的水面光子点云信号，并拟合水面的波浪轮廓；

S1.1使用点云密度提取算法，提取所述水面光子点云信号；

每个空间网格大小在沿卫星飞行方向长度的间隔为Δl，在高程方向的间隔为Δh，水面光子点云信号沿卫星飞行方向的总长度为l，高程方向总长度为h，沿卫星飞行方向的空间网格数量n_l和在高程方向的空间网格数量n_h分别表示为：n_l＝ceil(l/Δl)，n_h＝ceil(h/Δh)，ceil表示向上取整函数；

将研究区域内的水面光子点云信号进行空间网格划分，在沿卫星飞行方向的第i个且沿高度方向第j个网格的空间坐标范围F(i,j)满足公式(1)；

其中，l_start和l_end分别是研究区域内沿卫星飞行方向的起始坐标和终止坐标，单位为米，h_min和h_max分别是研究区域内光子点云高程方向的记录范围，单位为米；统计每个空间网格坐标范围F(i,j)内的光子点云数量，即单位空间内的光子点云密度，记为N(i,j)，计算所有空间网格点云密度的均值μ和标准差σ，

设定有效信号阈值TH＝μ+e_a×σ，e_a是比例系数，在研究区域内，所有空间网格点云密度N(i,j)大于鉴别阈值TH的空间范围内点云都分类为水面光子点云信号，其余为噪声点云；

S1.2使用水面光子点云信号拟合得到水面高程轮廓H(x)；

选取沿卫星飞行方向总长度为l的水面光子点云信号，沿飞行方向每隔距离Δx，计算每个距离间隔Δx内所有水面信号光子的平均高程H_photonavg(x_n)，即：其中，x_n表示第n个距离间隔Δx，M表示当前第n个距离间隔Δx内包含的水面信号光子个数，h(m)表示该距离间隔内第m个水面光子点云的高程；

对计算得到的平均高程序列H_photonavg(x)再进行Savitzky-Golay中值滤波，得到水面高程轮廓序列H(x)，其中，中值滤波窗宽同样使用Δx，P为距离间隔倍数，取10～15之间；

S2.提取远海深水区的海面波浪波长，利用深水区的水面波浪波长计算波浪周期；

对于海面重力波，依据线性波理论，波浪波长L和周期T在水深D时，频散关系满足公式(2)：其中，g是重力加速度常数，π是圆周率常数，tanh是双曲正切函数；

在深水区域，即当DL/2时，有tanh(2πD/L)≈1，(2)式可以简化为：给出深水区波浪波长L_deep，即可以求取波浪周期T；

对深水处的水面高程轮廓序列H(x₁)进行快速傅里叶变换，得到自变量为波数k的幅度谱分布Y(k)＝FFT(H(x₁))，选取幅度谱Y(k)峰值位置处对应波数k作为深水区域波数k_deep的大小；

根据波数与波长之间的关系，2π＝k×L计算出深水处的波长L_deep，则波浪周期T可以用公式(3)计算得到：

S3.提取近岸浅水区的海面波浪波长，利用浅水区的水面波长反演对应位置的水深；

对浅水处的水面高程轮廓序列H(x₂)进行短时傅里叶变换STFT，STFT窗宽选择为2×L_deep，沿飞行X方向移动步长选择为0.2×L_deep，每个步长对应沿卫星飞行方向的位置为x_p，通过提取出每个窗宽范围内幅度谱峰值位置的波数作为当前位置x_p的波数k_shallw(x_p)，结合S2中计算出的波浪周期T，计算当前位置x_p处的水深结果D(x_p)，满足公式(4)；其中arctanh是反双曲正切函数：