[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

说明书

本发明涉及利用星载单光子激光雷达海面点云反演水深的方法，属于激光遥感技术领域。对星载单光子激光雷达获取的原始光子点云进行海面光子信号提取，通过数据平滑算法拟合海面高程轮廓，提取出海面沿卫星飞行方向不同位置的波浪波长参数。基于线性波理论建立海面波浪波长、周期与水深的关系，利用深水区域波浪波长计算出波浪周期信息；利用波浪周期在深水、浅水区域不变的原理，利用单光子激光雷达计算的浅水波浪波长、波浪周期信息，计算浅水区域的水深结果。本发明通过星载单光子激光雷达获取的光子点云数据，快速准确地计算当地水深；利用所观测的海面波浪信息计算水深结果，对于填补使用激光雷达测量浑浊水体区域的水深具有重要的作用。

技术领域

本发明属于激光遥感技术领域，尤其涉及一种利用单光子激光雷达海面点云信号反演水深的方法。

背景技术

近岸水深数据是当地水文研究，海岸工程建设规划和其它海岸带应用的基础数据集。传统的船载单波束测深仪、多波束测深仪和机载激光测深雷达可以提供高精度的水深结果，但是其测量成本较大，探测效率较低，很难大面积覆盖实施。星载被动光学遥感图像可以通过建立光谱图像与水深的经验模型或物理模型，进而反演水深结果，可以提供大范围的全球清澈水体的浅水测深数据。

最近发射的美国星载单光子激光雷达ICESat-2(Ice,Cloud,and Land ElevationSatellite-2)利用其装备的超高灵敏度单光子探测器，通过接收和处理水底反射的微弱激光信号获取水深结果，在清澈水域实现了高达40m的测深能力，也可以提供大范围的清澈水域浅水测深数据。

然而，在海岸带、港口附近的浑浊水体区域，由于较强的吸收和散射作用，光线几乎无法透过浑浊水体，无论是基于太阳光辐射的被动光学遥感的方法，还是主动的激光雷达遥感方法，都无法完成海岸带附近浑浊水域水深的探测和获取。星载单光子激光雷达ICESat-2同时提供了沿卫星飞行方向高精度、高密度的海洋表面三维点云，基于海面点云能够计算海面波浪参数，进而利用描述海面波浪与水下地形的线性波理论，通过ICESat-2观测到的海面波浪估计出水下地形，获取水深结果。

具体而言，海浪的周期、波长与水深之间的关系在近岸非河口区域可以用线性波理论描述。当海面重力波从远海传播到近岸时，海浪波长会随着水深减小而变短，而在水下地形坡度较缓的区域波浪周期不变。在深水区域(水深大于波长的一半)，波长只与波浪周期相关，且波长趋于稳定，ICESat-2可以直观观测到海面的波浪波长(及其变化)，在远海区域可以计算波浪周期；当波浪由深水区域向浅水区域传播时，ICESat-2可以直观观测海面波浪波长的变化，且波浪周期不变，可以通过海面上波长变化从而估计出当地水深结果。由于海面观测不受水体浑浊度影响，因此该发明方法不受水质参数影响，在清澈水域、浑浊水域都可以适用，可以为不易船只、飞机等载具无法到达区域提供水深数据结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用星载单光子激光雷达的海面点云信号反演当地水深的方法，以解决现有技术中，机载、星载激光雷达技术不具备浑浊水体的水深探测能力的问题。

一种利用星载单光子激光雷达海面点云反演水深的方法，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)；