机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法.pdf

第 卷第期测绘学报V o l ,N o 年月A c t aG e o d a e t i c ae tC a r t o g r a p h i c aS i n i c aJ u n e,引文格式:王丹菂,徐青,邢帅,等机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法J测绘学报,():D O I:/j A G C S WAN GD a n d i,XU Q i n g,X I N GS h u a i,e ta l S e m i e m p i r i c a lw a v e f o r md e c o m p o s i t i o nm e t h o df o rc o r r e c t i o no fn e a rw a t e rs u r f a c ep e n e t r a t i o ne r r o r i na i r b o r n eL i D A Rb a t h y m e t r yJ A c t aG e o d a e t i c a e tC a r t o g r a p h i c aS i n i c a,():D O I:/j AG C S 机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法王丹菂,徐青,邢帅,林雨准,张国平信息工程大学地理空间信息学院,河南 郑州 SS ee mm ii ee mm pp ii rr ii cc aa llww aa vv ee ff oo rr mmdd ee cc oo mm pp oo ss ii tt ii oo nnmm ee tt hh oo ddff oo rrcc oo rr rr ee cc tt ii oo nnoo ffnn ee aa rrww aa tt ee rrss uu rr ff aa cc eepp ee nn ee tt rr aa tt ii oo nnee rr rr oo rr ii nnaa ii rr bb oo rr nn eeLL ii DD AA RRbb aa tt hh yy mm ee tt rr yyWWAA NN GGDD aa nn dd ii,XX UUQQ ii nn gg,XX II NN GGSS hh uu aa ii,LL II NNYY uu zz hh uu nn,ZZ HH AA NN GGGG uu oo pp ii nn ggI n s t i t u t eo fG e o s p a t i a l I n f o r m a t i o n,I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u ,C h i n aAA bb ss tt rr aa cc tt:T h ea c c u r a c yo f s i g n a ld e t e c t i o n i sak e yf a c t o r t h a ta f f e c t st h ef i n a lm e a s u r e m e n t r e s u l t so fa i r b o r n eL i D A Rb a t h y m e t r y T os o l v et h ep r o b l e mt h a tg r e e nl a s e rp e n e t r a t e st h ew a t e rc o l u m ni nn e a rw a t e r s u r f a c ea n d i m p r o v e t h ea c c u r a c yo f t h ed e t e c t e dw a t e r s u r f a c es i g n a l,as e m i e m p i r i c a lw a v e f o r md e c o m p o s i t i o nm e t h o di sp r o p o s e d As e m i e m p i r i c a ls i g n a lc o n v o l u t i o nm o d e l t h a tc o n f o r m st ot h ef i e l dw a v e f o r m s i sc o n s t r u c t e db ys i m p l i f y i n gt h el a s e rr a d i a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e l D e e pw a t e rw a v e f o r ms a m p l e sa r em a n u a l l yc o l l e c t e du s i n gt h ef l i g h tt r a j e c t o r ya n di m a g et oe s t i m a t et h ei n i t i a lv a l u e sa n dr a n g e so f t h ew a t e r c o l u m np a r a m e t e r s i n t h em o d e l B a s e do n t h e t r u s t r e g i o na l g o r i t h m,e a c hc o m p o n e n to f t h ew a v e f o r m i s p r e c i s e l y r e c o n s t r u c t e dw i t h t h ec o n s t r a i n t s o f t h ew a v e f o r mp r i o r s,s o t h ep o s i t i o no f t h ew a t e rs u r f a c es i g n a li so b t a i n e d,a n dt h en e a r w a t e rs u r f a c e p e n e t r a t i o n e r r o ri sc o r r e c t e d T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h e p r o p o s e d m e t h o d c o m b i n e st h e o r y a n d e x p e r i e n c ei n w a v e f o r md e c o m p o s i t i o n,a d a p t i n gt ow a v e f o r m sw i t hd i f f e r e n tw a t e rd e p t h sa n di m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h ed e t e c t e dw a t e r s u r f a c es i g n a lw i t hg o o dw a v e f o r mf i t t i n g C o m p a r e dw i t h t h ed e c o n v o l u t i o na l g o r i t h ma n dt h e t r a d i t i o n a lw a v e f o r md e c o m p o s i t i o nm e t h o d,t h ea c c u r a c yo f t h ep r o p o s e dm e t h o da c h i e v e s a n d i m p r o v e m e n t,r e s p e c t i v e l y KK ee yy ww oo rr dd ss:a i r b o r n e L i D A R b a t h y m e t r y;w a v e f o r m d e c o m p o s i t i o n;c o n v o l u t i o n;w a t e r a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t;s i g n a l d e t e c t i o nFF oo uu nn dd aa tt ii oo nnss uu pp pp oo rr tt:T h eN a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(N o s ;)摘要:信号检测精度是影响机载激光测深最终测量成果的一项关键因素.针对绿激光在水面存在的近水面渗透现象,为提高水面信号检测精度,本文提出一种半经验波形分解方法.该方法通过简化激光辐射传输过程构建一种符合波形实际情况的半经验信号卷积模型,并利用基于航迹和影像数据人工选取的深水波形样本估计模型中水体参数初值及取值范围,在波形先验的约束下基于信赖域算法实现波形各组成部分的精确重构,从而确定水面信号位置并修正近水面渗透误差.试验结果表明,本文方法在波形分解中将理论与经验结合,可较好地适应不同水深下的波形,能够在保证高拟合度的同时提升水面信号的检测精度,相比去卷积算法和传统波形分解方法,本文方法在精度上分别提高了 和.关键词:机载激光测深;波形分解;卷积;水体衰减系数;信号检测中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:()基金项目:国家自然科学基金(;)在浅海海底地形测量中,机载激光测深技术(a i r b o r n eL i D A Rb a t h y m e t r y,A L B)能够借助机载平台优势实现高效、灵活的作业,可有效解决传统声学测深技术在浅海区域存在的通行受限问第期王丹菂,等:机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法题.A L B技术是通过发射和接收对水体具有较强穿透性的绿激光(n m),由获取的水面和水底回波信号实现对水底地形的测量.与陆地激光雷达不同,A L B的激光传输路径涉及两种介质(空气和水),因此在计算水底点坐标时必须进行折射修正.水面是空气和水的分界面,因激光在两种介质中的传输方向和速度均不相同,水面位置的确定将最终影响水底地形的测量精度.A L B系统在水域的接收波形是由水面回波、水体后向散射和水底回波构成的.理想情况下,水面回波信号会表现为一个明显的波峰,然而当风浪较小、水面平滑的时候,激光在水面趋近于镜面反射导致水面信号难以被接收器探测,此时水体后向散射因方向性较弱将在波形中占据主导而被误检测为水面信号,这一现象被称为“水面不确定问题”.该问题在风浪受地形限制的近岸海域和海湾区域尤为显著,由此引起的水面信号检测误差被定义为近水面渗透(n e a rw a t e r s u r f a c ep e n e t r a t i o n,NW S P)误差.NW S P误差由水面回波强度和近水面的水体后向散射强度共同决定,其中前者主要取决于激光入射角和水体粗糙度,后者则主要与水体衰减系数相关.因此,在同一测区内NW S P误差的大小是变化的,无法直接通过单点测量来修正.文献 从理论上分析了NWS P误差的成因,认为NWS P误差在绿光通道波形中无法通过更改系统设计来避免,需要其他通道辅助测定.近红外激光因难以穿透水体可用于水面位置的精确测量,为此一些A L B系统配备了近红外激光器(n m),但后续研究中发现近红外激光在较平滑水面依然存在大量无法被探测的情况.以近 红外激光探 测到的水面 位置作为参 考对NWS P误差进行分析发现,误差呈现出区域规律性,可通过统计分析的方法进行修正,代表性的方法有基于悬浮泥沙浓度的修正方法和基于冗余观测的修正方法.基于悬浮泥沙浓度的修正方法是利用在测区真实采