[发明专利]基于激光点云为约束的多波束低掠射角波束归位方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋测绘技术领域，具体涉及一种基于激光点云为约束的多波束低掠射角波束归位方法。

背景技术

远海岛礁、海岸、滩涂等浅水区海底地形及近岸水上地形测量一直是国内外测绘领域的一个热点。为此，国内外相继出现了以船载激光技术和机载雷达技术为代表的海陆一体化测量手段。其中机载雷达技术由于存在研发难度大、价格昂贵，且激光在海水中传播能量损失快等问题，因此在实际的测量工作中难以得到应用。而搭载多波束的船载激光技术则利用激光和声波分别测量水上和水下，同时获取近岸水上地形和浅水区海底地形，与传统的靠单波束和RTK测量方式相比，具有易于集成、测量精度高、效率快等优势。但是一方面由于多波束换能器声波发射具有一定的开角局限性，如R2Sonic2024开角最大为160度，因此水下部分不能够得到完整的测量；另一方面，由于收到波束导向作用的影响，边缘波束脚印分辨率相对较低，使得水下部分地形不能得到精细测量。鉴于此，很多研发单位在安装多波束换能器时偏转一定的角度β，使得水下靠近水面处的部分能够得到精确的测量。但在后期数据处理时，声速改正部分仍旧按照以往换能器正常安装时的方式利用一个或几个声速剖面根据时间就近原则或则距离就近原则进行校正，忽视了声速的时空可变性；声速的变化主要受水中温度、盐度、压强和密度等因素的影响，理想状态下，假设水中密度、温度、压强、盐度等均没有变化，多波束换能器发射的声波的路径应为一条直线，但是，实际情况下这些因素都是存在且变化的，由其是海水表层易受光照、海面风等不可抗拒因素的影响，表层中水平与垂直方向上易形成温度不一、密度不同的水团，从而导致海水表层中的声速复杂多变且无规律可循，利用常规的声速剖面进行声线跟踪不能反映声波的实际传播路径，从而导致水上下同目标坐标存在异常差值，即使存在微小的声速误差，因波束入射角大，也对波束垂直位置产生较大影响，在水上下点云拼接时导致存在较大的缝隙,声速不规则变化导致水上下同目标错位示意图(如图3所示)。

由于声速剖面在时间上和空间上的可变性，采用有限的声速剖面数据必然不能满足水深数据进行声速改正的精度要求，从而引入测深误差。利用经验正交函数(empiricalorthogonalfunction，简称EOF)能够利用海洋中声速剖面数据的时空相关性，通过对具有相同特性的声速剖面群(同一水域内多个声速剖面)进行特征向量提取(模态分解)，进而结合采样数据构建测区内三维声速场。LRLeblanc等的研究表明EOF是描述声速剖面最有效的基函数，近年来的相关研究证明了这种方法的可行性和有效性。此外，因为海水表层声速受到多方因素的影响，声速结构复杂多变，所以可根据NewBrunswick大学的海洋制图组提出的一种经验改正法，对多波束测深横剖面上点叠加统计，用几何旋转的方法实现校正。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于激光点云为约束的多波束低掠射角波束归位方法，设计合理，克服了现有技术的不足，解决了水岸线上下点云无缝拼接问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光点云为约束的多波束低掠射角波束归位方法，采用船载水岸线一体化测量系统，其水上部分包括三维激光扫描仪和组合导航系统，水下部分包括多波束测深仪，多波束测深仪带有具有一定偏转角度的多波速换能器，水上部分与水下部分通过一个平台支架固连；其中的三维激光扫描仪用于测量水面以上地物地貌，多波束测深仪用于测量水下地物地貌，组合导航系统用于为三维激光扫描仪和多波束测深仪提供定位信息、时间信息、姿态信息和航向信息；船载水岸线一体化测量系统还包括表层声速仪和声速剖面仪两个辅助设备；

所述的多波束低掠射角波束归位方法按照如下步骤进行：

步骤1：对船载水岸线一体化测量系统进行标定，确定多波束测深仪、三维激光扫描仪和组合导航系统之间的空间相对位置关系；

步骤2：选取一段具有水上下公共目标的测区，并利用船载水岸线一体化测量系统沿岸匀速进行测量，获取水上下点云同一坐标系下坐标；

步骤3：对存储的多波束数据按时间分区，分区间隔为10秒，分别记为A₁,A₂,A₃...A_t；

步骤4：根据表层声速仪和GPS数据存储的时间标签，获取每一个分区内行船附近的平均表层声速值c(A_ts)和船附近内一点的地理坐标(x_At,y_At)；