CN105954732B - 一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统，方法包括：获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson‑Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；对由海底地形坡度引起的Hot‑spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率。本发明充分考虑了海水衰减系数、脉冲展宽、热点效应等多因素对海底回波强度的影响，精确反演出海底底质反射率。

Description

一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统
技术领域
本发明涉及海洋测绘技术领域，尤其涉及一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统。
背景技术
激光雷达测深系统可以快速高效的对浅海、暗礁及船只无法到达的水域进行水深测量，具有精度高，范围广，机动性高，测量密度高，测量周期短等特点，测量深度从0.1米到60米。运用前景十分广阔，可以应用于海图制作，水文勘测，水下目标、水下飞机、潜艇、鱼群探测，海底打捞、搜救等领域。
运用机载激光雷达进行海洋探测是目前海洋测绘领域中最尖端的技术之一，近年来各国争相研制高精度机载激光雷达测深系统，国际上主要有加拿大Optech公司的CMZL系列、瑞典AHAB公司的Hawkeye系列、奥地利Riegl公司VQ-820系列产品，澳大利亚皇家海军的LADS MK-II，美国NASA的EAARL系统。中国对机载海洋激光探测技术的研究起步较晚，而且受到激光器和光电探测器技术发展的限制，导致激光雷达用于水下探测技术相关研究进展缓慢，目前仍然处于理论研究和实验测试阶段。激光雷达测深数据的回波波形中包含了海底探测点的诸多信息，例如海底底部的坡度、几何形状、反射率等。通过激光雷达测深数据反演出海底底质发射率，这项工作有助于海岸带生态环境监测管理和海洋生物研究(如鱼类栖息地、珊瑚礁等)，有利于海底沉积物运移，海水温度估算，高分辨率海底地图绘制等。
但是由于激光束在海水中衰减非常严重，受到海水散射、脉冲展宽、“Hot-spot”效应(即热点效应)等多种影响，对运用回波波形精确反演海底底质反射率提出了更大的挑战。
因此，现有技术还有待改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统，旨在解决现有技术中机载激光雷达发出的激光束在海水中衰减非常严重，受到海水散射、脉冲展宽、hot-spot效应等多种影响，提取海底底质反射率不易的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述方法包括以下步骤：
A、获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；
B、根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；
C、对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述步骤A具体包括：
A1、获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并构建海底回波强度PR的模型；其中，
PR＝PTWρF(θi)G(θi)exp(-2KD)；
PT表示发出激光强度，W表示机载全波形激光雷达测深系统误差系数，ρ表示海底底质反射率，F(θi)表示Hot-spot效应校正函数，G(θi)表示脉冲展宽校正函数，K表示海水衰减系数，D表示海水深度，θi表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
A2、根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法对海底回波波形数据求解，得到海底回波强度PR和海水深度D。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述步骤A2中Richardson-Lucy反卷积迭代算法对应的公式为：
其中，表示第i个目标散射界面估计值，表示发出波形强度，WR(t)表示接受回波强度，设置达到预设阈值时，即停止迭代。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述步骤C具体包括：
C1、根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角θi获取海底底质的坡度；
C2、由PR/(F(θi)*G(θi))得到校正后回波强度P′R，并根据校正后回波强度P′R求解得到海底底质反射率ρ。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述步骤C之后还包括：
D、根据海底底质反射率，及反射率-分布对应关系，确定当前的海底底质反射率对应的海底底质；所述海底底质包括砂质、浓密海草及稀疏海草三类底质。
一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其中，包括：
第一求解模块，用于获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；
第二求解模块，用于根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；
反射率提取模块，用于对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其中，所述第一求解模块具体包括：
模型构建单元，用于获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并构建海底回波强度PR的模型；其中，
PR＝PTWρF(θi)G(θi)exp(-2KD)；
PT表示发出激光强度，W表示机载全波形激光雷达测深系统误差系数，ρ表示海底底质反射率，F(θi)表示Hot-spot效应校正函数，G(θi)表示脉冲展宽校正函数，K表示海水衰减系数，D表示海水深度，θi表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
强度深度获取单元，用于根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法对海底回波波形数据求解，得到海底回波强度PR和海水深度D。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其中，所述强度深度获取单元中Richardson-Lucy反卷积迭代算法对应的公式为：
其中，表示第i个目标散射界面估计值，表示发出波形强度，WR(t)表示接受回波强度，设置达到预设阈值时，即停止迭代。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其中，所述反射率提取模块具体包括：
坡度获取单元，用于根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角θi获取海底底质的坡度；
海底底质反射率获取单元，用于由PR/(F(θi)*G(θi))得到校正后回波强度P′R，并根据校正后回波强度P′R求解得到海底底质反射率ρ。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其中，还包括：
海底底质匹配模块，用于根据海底底质反射率，及反射率-分布对应关系，确定当前的海底底质反射率对应的海底底质；所述海底底质包括砂质、浓密海草及稀疏海草三类底质。
本发明所述的激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统，方法包括：获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率。本发明充分考虑了海水衰减系数、脉冲展宽、热点效应等多因素对海底回波强度的影响，精确反演出海底底质反射率。
附图说明
图1为本发明所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统较佳实施例的结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，其为本发明所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法较佳实施例的流程图。如图1所示，所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，包括以下步骤：
步骤S100、获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；
步骤S200、根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；
步骤S300、对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率。
本发明的实施例中，运用Richardson–Lucy反卷积方法算法处理海底回波波形数据，对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，运用线性回归法求出海水衰减系数，构建海底底质反射率分布。本方法充分考虑了海水衰减系数、脉冲展宽、“热点”效应等多因素对海底回波强度的影响，精确反演出海底底质反射率。
进一步的，所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述步骤S100具体包括：
步骤S101、获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并构建海底回波强度PR的模型；其中，
PR＝PTWρF(θi)G(θi)exp(-2KD)；
PT表示发出激光强度，W表示机载全波形激光雷达测深系统误差系数，ρ表示海底底质反射率，F(θi)表示Hot-spot效应校正函数，G(θi)表示脉冲展宽校正函数，K表示海水衰减系数，D表示海水深度，θi表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
步骤S102、根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法对海底回波波形数据求解，得到海底回波强度PR和海水深度D。
进一步的，所述步骤S102中Richardson-Lucy反卷积迭代算法对应的公式为：
其中，表示第i个目标散射界面估计值，表示发出波形强度，WR(t)表示接受回波强度，设置达到预设阈值时，即停止迭代。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述步骤S300具体包括：
步骤S301、根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角θi获取海底底质的坡度；
步骤S302、由PR/(F(θi)*G(θi))得到校正后回波强度PR′，并根据校正后回波强度P′R求解得到海底底质反射率ρ。
所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其中，所述步骤S300之后还包括：
步骤S400、根据海底底质反射率，及反射率-分布对应关系，确定当前的海底底质反射率对应的海底底质；所述海底底质包括砂质、浓密海草及稀疏海草三类底质。
可见，本发明对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，运用线性回归法求出海水衰减系数，结合CFD点云信息，构建海底底质反射率分布。
而且，通过Richardson–Lucy反卷积方法算法处理回波波形数据，分离出海水散射、表面回波及各种噪声影响，提取出回波强度及海水深度。
基于上述方法实施例，本发明还提供了一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统。如图2所示，所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，包括：
第一求解模块100，用于获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；
第二求解模块200，用于根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；
反射率提取模块300，用于对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率。
进一步的，在所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统中，所述第一求解模块100具体包括：
模型构建单元，用于获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并构建海底回波强度PR的模型；其中，
PR＝PTWρF(θi)G(θi)exp(-2KD)；
PT表示发出激光强度，W表示机载全波形激光雷达测深系统误差系数，ρ表示海底底质反射率，F(θi)表示Hot-spot效应校正函数，G(θi)表示脉冲展宽校正函数，K表示海水衰减系数，D表示海水深度，θi表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
强度深度获取单元，用于根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法对海底回波波形数据求解，得到海底回波强度PR和海水深度D。
进一步的，在所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统中，所述强度深度获取单元中Richardson-Lucy反卷积迭代算法对应的公式为：
其中，表示第i个目标散射界面估计值，表示发出波形强度，WR(t)表示接受回波强度，设置达到预设阈值时，即停止迭代。
进一步的，在所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统中，所述反射率提取模块300具体包括：
坡度获取单元，用于根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角θi获取海底底质的坡度；
海底底质反射率获取单元，用于由PR/(F(θi)*G(θi))得到校正后回波强度P′R，并根据校正后回波强度P′R求解得到海底底质反射率ρ。
进一步的，在所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统中，还包括：
海底底质匹配模块，用于根据海底底质反射率，及反射率-分布对应关系，确定当前的海底底质反射率对应的海底底质；所述海底底质包括砂质、浓密海草及稀疏海草三类底质。
综上所述，本发明提供了一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法及系统，方法包括：获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率。本发明充分考虑了海水衰减系数、脉冲展宽、热点效应等多因素对海底回波强度的影响，精确反演出海底底质反射率。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；
B、根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；
C、对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率；
所述步骤A具体包括：
A1、获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并构建海底回波强度PR的模型；其中，
PR＝PTWρF(θi)G(θi)exp(-2KD)；
PT表示发出激光强度，W表示机载全波形激光雷达测深系统误差系数，ρ表示海底底质反射率，F(θi)表示Hot-spot效应校正函数，G(θi)表示脉冲展宽校正函数，K表示海水衰减系数，D表示海水深度，θi表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
A2、根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法对海底回波波形数据求解，得到海底回波强度PR和海水深度D；
所述步骤C具体包括：
C1、根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角θi获取海底底质的坡度；
C2、由PR/(F(θi)*G(θi))得到校正后回波强度P′R，并根据校正后回波强度P′R求解得到海底底质反射率ρ。
2.根据权利要求1所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其特征在于，所述步骤A2中Richardson-Lucy反卷积迭代算法对应的公式为：
其中，表示第i个目标散射界面估计值，表示发出波形强度，WR(t)表示接受回波强度，设置达到预设阈值时，即停止迭代。
3.根据权利要求1所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：
D、根据海底底质反射率，及反射率-分布对应关系，确定当前的海底底质反射率对应的海底底质；所述海底底质包括砂质、浓密海草及稀疏海草三类底质。
4.一种激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其特征在于，包括：
第一求解模块，用于获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并对海底回波波形数据根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深度；
第二求解模块，用于根据线性回归法对所述海底回波波形数据求解，得到海水衰减系数；
反射率提取模块，用于对由海底地形坡度引起的Hot-spot效应和脉冲展宽进行回波强度校正，得到海底底质的坡度及海底底质反射率；
所述第一求解模块具体包括：
模型构建单元，用于获取机载全波形激光雷达测深数据中所包括的海底回波波形数据，并构建海底回波强度PR的模型；其中，
PR＝PTWρF(θi)G(θi)exp(-2KD)；
PT表示发出激光强度，W表示机载全波形激光雷达测深系统误差系数，ρ表示海底底质反射率，F(θi)表示Hot-spot效应校正函数，G(θi)表示脉冲展宽校正函数，K表示海水衰减系数，D表示海水深度，θi表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
强度深度获取单元，用于根据Richardson-Lucy反卷积迭代算法对海底回波波形数据求解，得到海底回波强度PR和海水深度D；
所述反射率提取模块具体包括：
坡度获取单元，用于根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角θi获取海底底质的坡度；
海底底质反射率获取单元，用于由PR/(F(θi)*G(θi))得到校正后回波强度P′R，并根据校正后回波强度P′R求解得到海底底质反射率ρ。
5.根据权利要求4所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其特征在于，所述强度深度获取单元中Richardson-Lucy反卷积迭代算法对应的公式为：
其中，表示第i个目标散射界面估计值，表示发出波形强度，WR(t)表示接受回波强度，设置达到预设阈值时，即停止迭代。
6.根据权利要求4所述激光雷达测深数据的海底底质反射率提取系统，其特征在于，还包括：
海底底质匹配模块，用于根据海底底质反射率，及反射率-分布对应关系，确定当前的海底底质反射率对应的海底底质；所述海底底质包括砂质、浓密海草及稀疏海草三类底质。
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CN103400405A (zh) * 2013-08-01 2013-11-20 国家海洋局第二海洋研究所 基于海底数字水深模型特征提取的多波束水深图构建方法

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用简述机载激光测深系统及其在海底底质分类中的应用;时振伟 等;《中国水运》;20131031;第13卷(第10期);第292-295页 *

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