[发明专利]一种改进的全波形LiDAR数据贝叶斯分解算法

说明书

本发明公开了一种改进的全波形LiDAR数据贝叶斯分解算法。它包括步骤1：基于传统阈值法构建新的一阶可导阈值函数，开发一种适用于双频激光雷达系统降噪的自适应阈值方法，为后续的波形分解进行有效去噪。步骤2：基于MCMC抽样的全波形LiDAR数据贝叶斯分解算法优化。步骤3：基于MCMC算法的全波形LiDAR数据贝叶斯分解模型构建。其中，该改进方法基于贝叶斯推断理论，通过MCMC算法给出所有未知参数的估计值，可以量化评估LiDAR数据中普遍存在的不确定性。同时，对MCMC算法中的收敛条件进行优化，并建立延迟拒绝的条件。

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，特别涉及机载激光雷达波形分解算法。

背景技术

目前，激光雷达系统(Light Detected And Ranging，简称LiDAR，)主要由脉冲发射和接收装置、信号处理部分组成，而机载激光雷达系统包括激光雷达系统、全球定位系统、惯性导航系统还有数码相机等光谱成像设备等，简称ALB(Airborne LiDARBathymetry)。机载激光雷达系统的历史始于Hickman和Hogg在1969年首次测试激光脉冲在近岸水深测量中的能力。机载激光雷达技术成本低廉、高效，备受如林业、城市三维建模，水利电网建设等领域所喜爱，是研究者对大面积地表进行研究的理想工具，在陆地上的运用已十分广泛。机载激光雷达系统通常采用1064nm的红外激光系统进行测量，但随着450nm～580nm“海洋窗口”的发现及海洋开发的需求，其中532nm的蓝绿激光波段能很好的穿透水体，一些系统便开始使用该波段。如此，能同时满足水深和陆地测量需要的双频机载激光雷达系统应时而生，如VQ和CZMIL系列。专业的激光雷达系统软件包括REALM和TerraScan等，它们在水深小于50米的浅水区具有很大的优势，可以在近海岸、暗礁、岩礁或是测量船无法行驶的水域完成高效而快速的测量工作。在我国，水深50米以内的海域面积有近50万平方公里，如此宽广的海域面积都适合采用双频机载激光雷达系统进行测量，其中蕴含着巨大的经济价值。同时，双频机载激光雷达系统可以在陆地和水域的测量中无缝衔接，是一种极具诱惑力的新技术。1976年，Nabrit等人的实验表明，对同样大小的海底地形进行测量，传统船载声呐系统所需费用是机载激光雷达系统的五倍。但是激光雷达在水深测量和水下目标探测等方面的应用目前还处在起步阶段，双频激光雷达回波数据处理的研究较为缺乏，相关的研究主要集中在欧美等早期就开始研究激光雷达的发达国家。

早前，机载激光雷达系统只能记录离散的回波信号，通常为两次，并且用户不能使用回波的强度信息。RIEGL公司在2004年率先发布了一台全波形激光雷达系统，该系统一经发布便能投入到商业化使用。全波形激光雷达系统的物理原理与传统的激光雷达系统类似，但全波形激光雷达系统能够通过数字采样，记录不同时间分辨率(如1/2/4纳秒)被照射物体散射的全部回波。因此，这些波形不仅包括地面的响应，而且还包括沿激光线被照射表面的多次散射响应。更为重要的是系统记录了激光回波波形的特征信息，它不仅仅包含了反射地物的空间位置，还包含了一些特征值如波形的振幅、脉宽等信息。通过分析这些特征信息可以计算出目标的空间分布或者几何关系如波宽越大反映着树木越高，树木冠层可以根据距离进行计算，还可以用于分析地物地貌的形状、反射率及相互关联关系等，为激光雷达分割或分类算法提供目标的特征信息。在海洋测量中，全波形数据处理后能获取水深数值，还能获取脉冲传输中的各种媒介信息。这些信息可以服务于海洋环境的保护、海浪潮汐的检测、海岸线监测等相关海洋研究领域。