[发明专利]一种机载LiDAR测深数据的漫衰减系数提取方法

摘要

本发明公开了一种机载LiDAR测深数据的漫衰减系数提取方法，属于海洋测绘技术领域，其首先获取机载LiDAR测深原始波形数据，对其进行去噪；然后利用分层异构模型对去噪后的波形数据进行拟合，分解得到水体散射回波信号；再通过水体散射回波信号分别计算得到双段指数所对应的初始漫衰减系数；最后根据双段指数的采样时间确定相应权重，对初始漫衰减系数取加权平均，得到该激光测深点最终的漫衰减系数值。本发明通过这种方法，实现了机载LiDAR测深数据每一束激光的漫衰减系数提取，有效解决了目前漫衰减系数提取精度低、分辨率低的问题。

主权项

1.一种机载LiDAR测深数据的漫衰减系数提取方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获取机载LiDAR测深原始数据，读取测深数据中的全波形数据，对机载LiDAR测深原始波形数据进行去噪，得到去噪后的波形数据；步骤2：通过分层异构模型的机载LiDAR波形拟合算法，利用步骤1中去噪后的波形数据，分解得到水体散射回波信号；具体包括如下步骤：步骤2.1：采用极大值检测法对去噪后的波形数据进行峰值探测，确定包括水面和水底反射回波的初始峰值及其位置在内的初始参数；极大值检测法检测的极大值点位置如公式(1)所示：k＝find(diff(sign(diff(w)))<0+1)     (1)；其中，w为去噪后的波形数据；diff表示差分运算；sign表示符号函数；find指查找满足条件的数据编号；步骤2.2：针对步骤2.1中峰值探测所确定的初始参数，根据水面反射回波和水底反射回波的相应特性，采用高斯函数对水面反射回波和水底反射回波进行拟合，利用Levenberg‑Marquardt算法进行参数优化，分解得到水面和水底反射回波信号；高斯函数如公式(2)所示：其中，i＝s,b表示水面或水底反射回波的拟合结果；A、μ和σ分别为水面或水底高斯拟合函数的波峰值、波峰位置和半幅波宽；步骤2.3：使用去噪后的波形数据剔除步骤2.2中的水面和水底反射回波信号，获得初始水体散射回波信号；步骤2.4：根据步骤2.3中确定的初始水体散射回波信号，综合光在水体中的衰减特性和拟合效率问题，采用双指数函数对初始水体散射回波信号进行拟合，利用Levenberg‑Marquardt算法进行参数优化，得到水体散射回波信号；双指数函数如公式(3)所示：其中，a_x、b_x、c_x、d_x分别表示双指数函数4个顶点A、B、C、D的位置；b_y、c_y、d_y分别为B、C、D的振幅值；步骤3：根据步骤2中获得的水体散射回波信号，分别计算得到双段指数对应的初始漫衰减系数；具体包括如下步骤：步骤3.1：利用水体散射回波信号反演水体的漫衰减系数，确定机载LiDAR测深系统在深度为D_i处的水体散射回波强度方程；水体散射回波强度方程如公式(4)所示：其中，D_i表示水层深度；P_c(D_i)表示深度D_i时的水体散射回波强度；P_e表示激光发射强度；表示大气双程损失因子；A_R表示激光接收器的视场面积；η_e和η_R分别表示激光发射器的光学效率和激光接收器的光学效率；F表示接收视场角损失因子；L_S是通过表面传输的损失，即表面反照率；β(Φ)表示体散射函数；θ表示激光传入水体时的入射角，即天底角；θ_w表示射入水体后的折射角；n_w表示水体折射率；H表示飞机航高；K_d表示532nm波段处的漫衰减系数K_d；c表示激光在真空的传播速度；t_i表示水层深度D_i处的时刻；t_s表示水面反射回波的峰值位置；步骤3.2：根据步骤3.1中所述水体散射回波强度方程，将公式(5)代入公式(4)，并简化公式(4)，得到简化后的水体散射回波强度方程如公式(6)所示：其中，步骤3.3：将步骤2.4中所得双指数函数与步骤3.2中简化后的水体散射回波强度方程描述为指数函数的形式，如公式(7)所示：y(t)＝m·e^nt     (7)；其中，y(t)为指数函数，m、n分别为指数函数的系数；步骤3.4：根据步骤2.4中所得双指数函数，当b_x≤t<c_x时，f_c(t)＝P_c(t)，由公式(7)可知，公式(3)与公式(6)中的指数函数系数n是对应相等的，推导得到公式(8)：步骤3.5：对步骤3.4中公式(8)做方程变换，得到该段指数所对应的初始漫衰减系数K_d1，同理，计算得到另一段指数所对应的初始漫衰减系数K_d2，如公式(9)和公式(10)所示：步骤4：根据步骤2中获得的水体散射回波信号，通过双段指数的采样时间确定相应权重，根据公式(13)，对步骤3中双段指数所对应的初始漫衰减系数K_d1与K_d2取加权平均，得到K_d1与K_d2的加权平均值，将此加权平均值作为该激光测深点最终的漫衰减系数值：双段指数的采样时间如公式(11)和公式(12)所示：Δt₁＝c_x‑b_x       (11)；Δt₂＝d_x‑c_x       (12)；初始漫衰减系数K_d1与K_d2的加权平均值如公式(13)所示：