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的利记博彩app
【专利摘要】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。
【专利说明】
-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
[0001] 本发明设及海洋测绘技术领域，尤其设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】
[0002] 激光雷达测深系统可W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W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，海底打拱、捜救等领域。
[0003] 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化tech公司的CM化系 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EAA化系统。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，运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，海水溫度估算，高分辨率海底地图绘制等。
[0004] 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、巧ot-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。
[0005] 因此，现有技术还有待改进和发展。
【发明内容】
[0006] 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。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采取了 W下技术方案：
[000引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W下步 骤：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] C、对由海底地形坡度引起的化t-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。
[0012] 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：
[0013] 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，
[0014] Pr = PtWpF(目 i)G(目 i)e 邱（-2邸）；
[0015] 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，P表示海底 底质反射率，F (目i)表示化t-spot效应校正函数，G (目i)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，01表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
[0016] A2、根据Richardson-Lu巧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。
[0017] 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：
[001 引 I. >
[0019]其中，？"的表示第i个目标散射界面估计值，rr(〇表示发出波形强度，WR(t)表示 接受回波强度，设置的-?+1的片!达到预设阔值时，即停止迭代。
[0020] 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：
[0021] CU根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角01获取海底底质的坡度；
[0022] C2、由扣/(F(01)*G(0〇)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P。
[0023] 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：
[0024] 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=类底质。
[0025] -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：
[0026] 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-Lu巧反卷积迭代算法求解得到回波强度和 海水深度；
[0027] 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；
[0028] 反射率提取模块，用于对由海底地形坡度引起的化t-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。
[0029] 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：
[0030] 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，
[0031] Pr = PtWpF(目 i)G(目 i)e 邱（-2邸）；
[0032] 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，P表示海底 底质反射率，F (目i)表示化t-spot效应校正函数，G (目i)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，01表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
[0033] 强度深度获取单元，用于根据Richardson-Lu巧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。
[0034] 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：
[0035]
[0036] 其中，声'"的表示第i个目标散射界面估计值，味r的表示发出波形强度，WR(t)表示 接受回波强度，设置的达到预设阔值时，即停止迭代。
[0037] 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：
[0038] 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01获取海底底 质的坡度；
[0039] 海底底质反射率获取单元，用于由Pr/(F(0i)*G(0〇)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P。
[0040] 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：
[0041] 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=类 底质。
[0042] 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-Lu巧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化t-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】
[0043] 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。
[0044] 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】
[0045] 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，W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W解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046] 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W 下步骤：
[0047] 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-Lu巧反卷积迭代算法求解得到回波强度和海水深 度；
[0048] 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；
[0049] 步骤S300、对由海底地形坡度引起的化t-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。
[0050] 本发明的实施例中，运用Richardson-Lu巧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化t-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。
[0051] 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 SlOO具体包括：
[0052] 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，
[0053] Pr = PtWpF(目 i)G(目 i)e 邱（-2邸）；
[0054] 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，P表示海底 底质反射率，F (目i)表示化t-spot效应校正函数，G (目i)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，01表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
[0055] 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。
[0化6] 1#一击的-航；未击驢SI 由Ri'rlnarH…n-Lu巧反卷积迭代算法对应的公式为：
[0化7]
[0化引其中，尹"的表示第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I - P+1 (0 4 达到预设阔值时，即停止迭代。
[0059] 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：
[0060] 步骤S301、根据海底激光入射面法向量与入射光线的夹角0i获取海底底质的坡 度；
[0061] 步骤S302、由PR/(F(目l)*G(目l))得到校正后回波强度扣/，并根据校正后回波强度 P/ R求解得到海底底质反射率P。
[0062] 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：
[0063] 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=类底质。
[0064] 可见，本发明对由海底地形坡度引起的化t-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C抑点云信息，构建海底底质反射率分布。
[0065] 而且，通过Richardson-Lu巧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。
[0066] 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：
[0067] 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-Lu巧反卷积迭代算法求解得到回波强 度和海水深度；
[0068] 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；
[0069] 反射率提取模块300,用于对由海底地形坡度引起的化t-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。
[0070] 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：
[0071] 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，
[0072] Pr = PtWpF(目 i)G(目 i)e 邱（-2邸）；
[0073] 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，P表示海底 底质反射率，F (目i)表示化t-spot效应校正函数，G (目i)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，01表示海底激光入射面法向量与入射光线的夹角；
[0074] 强度深度获取单元，用于根据Richardson-Lu巧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。
[0075] 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：
[0076]
[0077] 其中，芦"(0表示第i个目标散射界面估计值，WrW表示发出波形强度，WR(t)表示 接受回波强度，设置|爪。(〇-p'+i的*听(〇|达到预设阔值时，即停止迭代。
[0078] 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：
[0079] 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01获取海底底 质的坡度；
[0080] 海底底质反射率获取单元，用于由Pr/(F(0i)*G(0〇)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P。
[0081 ]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：
[0082] 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=类 底质。
[0083] 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-Lu巧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 化t-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。
[0084] 可W理解的是，对本领域普通技术人员来说，可W根据本发明的技术方案及本发 明构思加 W等同替换或改变，而所有运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。
【主权项】
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。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 = PTffpF(0i)G(0i)exp(-2KD)； Ρτ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，P表示海底底质反 射率，F(9i)表示Hot-spot效应校正函数，G(9i)表示脉冲展宽校正函数，Κ表示海水衰减系 数，D表示海水深度，Θ i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。3. 根据权利要求2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Ri chardson-Lucy反卷积迭代算法对应的公式为：其中，F+1⑴表示第i个目标散射界面估计值，沙表示发出波形强度，WR(t)表示接受 回波强度，设置1% (0 -#1 (0 * %⑴I达到预设阈值时，即停止迭代。4. 根据权利要求2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0i获取海底底质的坡度； C2、由PrAFO^G%))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P。5. 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。6. -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。7. 根据权利要求6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 = PTffpF(0i)G(0i)exp(-2KD)； Ρτ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，P表示海底底质反 射率，F(9i)表示Hot-spot效应校正函数，G(9i)表示脉冲展宽校正函数，Κ表示海水衰减系 数，D表示海水深度，Θ i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。8. 根据权利要求7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，>m⑴表示第i个目标散射界面估计值，表示发出波形强度，取(〇表示接受 回波强度，设置||%(0-尹+1(#~的||达到预设阈值时，即停止迭代。9. 根据权利要求7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91获取海底底质的 坡度； 海底底质反射率获取单元，用于由PrAFO^G%))得到校正后回波强度p'R，并根据校 正后回波强度求解得到海底底质反射率P。10. 根据权利要求6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。
【文档编号】G01S7/48GK105954732SQ201610416807
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】李清泉, 丁凯, 朱家松, 汪驰升
【申请人】深圳大学