基于激光點(diǎn)云為約束的多波束低掠射角波束歸位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋測繪技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光點(diǎn)云為約束的多波束低掠 射角波束歸位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 遠(yuǎn)海島礁、海岸、灘涂等淺水區(qū)海底地形及近岸水上地形測量一直是國內(nèi)外測繪 領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。為此，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了以船載激光技術(shù)和機(jī)載雷達(dá)技術(shù)為代表的海陸 一體化測量手段。其中機(jī)載雷達(dá)技術(shù)由于存在研發(fā)難度大、價(jià)格昂貴，且激光在海水中傳 播能量損失快等問題，因此在實(shí)際的測量工作中難以得到應(yīng)用。而搭載多波束的船載激光 技術(shù)則利用激光和聲波分別測量水上和水下，同時(shí)獲取近岸水上地形和淺水區(qū)海底地形， 與傳統(tǒng)的靠單波束和RTK測量方式相比，具有易于集成、測量精度高、效率快等優(yōu)勢。但是 一方面由于多波束換能器聲波發(fā)射具有一定的開角局限性，如R2 Sonic2024開角最大為 160度，因此水下部分不能夠得到完整的測量；另一方面，由于收到波束導(dǎo)向作用的影響， 邊緣波束腳印分辨率相對較低，使得水下部分地形不能得到精細(xì)測量。鑒于此，很多研發(fā)單 位在安裝多波束換能器時(shí)偏轉(zhuǎn)一定的角度β，使得水下靠近水面處的部分能夠得到精確的 測量。但在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，聲速改正部分仍舊按照以往換能器正常安裝時(shí)的方式利用一 個(gè)或幾個(gè)聲速剖面根據(jù)時(shí)間就近原則或則距離就近原則進(jìn)行校正，忽視了聲速的時(shí)空可變 性；聲速的變化主要受水中溫度、鹽度、壓強(qiáng)和密度等因素的影響，理想狀態(tài)下，假設(shè)水中密 度、溫度、壓強(qiáng)、鹽度等均沒有變化，多波束換能器發(fā)射的聲波的路徑應(yīng)為一條直線，但是， 實(shí)際情況下這些因素都是存在且變化的，由其是海水表層易受光照、海面風(fēng)等不可抗拒因 素的影響，表層中水平與垂直方向上易形成溫度不一、密度不同的水團(tuán)，從而導(dǎo)致海水表層 中的聲速復(fù)雜多變且無規(guī)律可循，利用常規(guī)的聲速剖面進(jìn)行聲線跟蹤不能反映聲波的實(shí)際 傳播路徑，從而導(dǎo)致水上下同目標(biāo)坐標(biāo)存在異常差值，即使存在微小的聲速誤差，因波束入 射角大，也對波束垂直位置產(chǎn)生較大影響，在水上下點(diǎn)云拼接時(shí)導(dǎo)致存在較大的縫隙，聲 速不規(guī)則變化導(dǎo)致水上下同目標(biāo)錯(cuò)位示意圖（如圖3所示）。
[0003] 由于聲速剖面在時(shí)間上和空間上的可變性，采用有限的聲速剖面數(shù)據(jù)必然不能滿 足水深數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正的精度要求，從而引入測深誤差。利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（empirical orthogonal function，簡稱EOF)能夠利用海洋中聲速剖面數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性，通過對具有 相同特性的聲速剖面群（同一水域內(nèi)多個(gè)聲速剖面）進(jìn)行特征向量提?。B(tài)分解），進(jìn)而 結(jié)合采樣數(shù)據(jù)構(gòu)建測區(qū)內(nèi)三維聲速場。LR Leblanc等的研究表明EOF是描述聲速剖面最有 效的基函數(shù)，近年來的相關(guān)研究證明了這種方法的可行性和有效性。此外，因?yàn)楹Ｋ韺勇?速受到多方因素的影響，聲速結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，所以可根據(jù)New Brunswick大學(xué)的海洋制圖組 提出的一種經(jīng)驗(yàn)改正法，對多波束測深橫剖面上點(diǎn)疊加統(tǒng)計(jì)，用幾何旋轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)校正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于激光點(diǎn)云為約束的 多波束低掠射角波束歸位方法，設(shè)計(jì)合理，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決了水岸線上下點(diǎn)云 無縫拼接問題。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于激光點(diǎn)云為約束的多波束低掠射角波束歸位方法，米用船載水岸線一體 化測量系統(tǒng)，其水上部分包括三維激光掃描儀和組合導(dǎo)航系統(tǒng)，水下部分包括多波束測深 儀，多波束測深儀帶有具有一定偏轉(zhuǎn)角度的多波速換能器，水上部分與水下部分通過一個(gè) 平臺支架固連；其中的三維激光掃描儀用于測量水面以上地物地貌，多波束測深儀用于測 量水下地物地貌，組合導(dǎo)航系統(tǒng)用于為三維激光掃描儀和多波束測深儀提供定位信息、時(shí) 間信息、姿態(tài)信息和航向信息；船載水岸線一體化測量系統(tǒng)還包括表層聲速儀和聲速剖面 儀兩個(gè)輔助設(shè)備；
[0007] 所述的多波束低掠射角波束歸位方法按照如下步驟進(jìn)行：
[0008] 步驟1 :對船載水岸線一體化測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定多波束測深儀、三維激光掃 描儀和組合導(dǎo)航系統(tǒng)之間的空間相對位置關(guān)系；
[0009] 步驟2:選取一段具有水上下公共目標(biāo)的測區(qū)，并利用船載水岸線一體化測量系 統(tǒng)沿岸勻速進(jìn)行測量，獲取水上下點(diǎn)云同一坐標(biāo)系下坐標(biāo)；
[0010] 步驟3:對存儲的多波束數(shù)據(jù)按時(shí)間分區(qū)，分區(qū)間隔為10秒，分別記為 A：, A2, A3. . . At；
[0011] 步驟4 :根據(jù)表層聲速儀和GPS數(shù)據(jù)存儲的時(shí)間標(biāo)簽，獲取每一個(gè)分區(qū)內(nèi)行船附近 的平均表層聲速值c (Ats)和船附近內(nèi)一點(diǎn)的地理坐標(biāo)（xAt，yAt);
[0012] 步驟5:利用聲速剖面儀均勻獲取沿岸測量區(qū)域內(nèi)多個(gè)聲速剖面數(shù)據(jù)svpn，并記錄 每一個(gè)采樣點(diǎn)的地理位置（x N，yN);
[0013] 步驟6 :對步驟5中得到的聲速剖面數(shù)據(jù)svpn進(jìn)行層化處理，獲得不同位置點(diǎn)處同 一水層上的聲速C(Zi)和每一層聲速的平均值C(X);
[0014] 步驟7 :通過步驟6層化處理后的聲速剖面基于公式（1)得到測區(qū)內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)處 的聲速值：
[
[0016] 其中加權(quán)系數(shù)ak(x，y)為地理坐標(biāo)；fk(Z 1)為正交函數(shù)；Rz,.)為每一層聲速的平 均值；
[0017] 步驟8 :根據(jù)各分區(qū)內(nèi)平均表層聲速值c (Ats)，對該區(qū)域內(nèi)（xAt，yAt)處擬合的聲速 剖面表層部分（多波束換能器吃水深度D)進(jìn)行修正；
[0018] 步驟9 :根據(jù)各區(qū)域修正后的聲速剖面，進(jìn)行聲速改正，獲取多波束換能器坐標(biāo)系 下水上下同目標(biāo)特征點(diǎn)處激光點(diǎn)與多波束點(diǎn)的平均坐標(biāo)差，計(jì)算低掠射層內(nèi)初始幾何旋轉(zhuǎn) 角和初始放大系數(shù)d，進(jìn)而按角度線性加權(quán)內(nèi)插計(jì)算低掠射層內(nèi)60度以上剩余波束角 對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角 < 和放大系數(shù)
[0019] 步驟10 :對低掠射層的固定層部分內(nèi)的波束進(jìn)行初始旋轉(zhuǎn)角為和初始放大系 數(shù)為d,的幾何改正，對60度以上的剩余波束即自由層部分，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角為巧,放大系數(shù)為 的幾何改正。
[0020] 優(yōu)選地，在所述的步驟3中，對存儲的多波束數(shù)據(jù)按時(shí)間進(jìn)行分區(qū)的具體方法如 下：
[0021] 步驟3. 1 :記錄船載水岸線一體化測量系統(tǒng)開始工作和結(jié)束工作的時(shí)間，精確到 秒；
[0022] 步驟3. 2 :然后根據(jù)帶有時(shí)間標(biāo)簽的每一個(gè)發(fā)射接收周期多波束信息進(jìn)行工作區(qū) 間上的分區(qū)，分區(qū)間隔為t秒。
[0023] 優(yōu)選地，在所述的步驟4中，一個(gè)分區(qū)內(nèi)行船附近的平均表層聲速值C(Ats)和船附 近一點(diǎn)的地理坐標(biāo)（x At，yAt)的具體獲取方法如下：
[0024] 步驟4. 1 :根據(jù)帶有時(shí)間標(biāo)簽的每一個(gè)發(fā)射接收周期多波束信息和對應(yīng)每一個(gè)分 區(qū)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，找到每一分區(qū)內(nèi)記錄的聲速值C1，根據(jù)公式（2)則可獲取每一個(gè)分區(qū)內(nèi)行船附 近的平均表層聲速值c(A ts)，即：
[0025] C(Ats) = (Cfc2+...+cm)/m ; (2)
[0026] 步驟4. 2 :根據(jù)GPS記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間和對應(yīng)每一個(gè)分區(qū)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，獲取分區(qū)時(shí)間中 間節(jié)點(diǎn)處的坐標(biāo)（b，1，h)，并轉(zhuǎn)到地理坐標(biāo)系下得到（x At，yAt)。
[0027] 優(yōu)選地，在所述的步驟7中，獲得每一點(diǎn)處的聲速Cn (X，y, Zi)和加權(quán)系數(shù)a k (X，y) 的具體方法如下：
[0028] 步驟7. 1 :將根據(jù)步驟6得到的多個(gè)聲速剖面數(shù)據(jù)寫成聲速值矩陣，形式如式 (13)，再根據(jù)公式（15)求得協(xié)方差矩陣；
[0029] 步驟7. 2 :求取聲速值協(xié)方差矩陣的特征值和對應(yīng)的特征向量，特征向量即為經(jīng) 驗(yàn)正交函數(shù)；
[0030] 步驟7. 3 :將特征值按照從大到小排列，求取各個(gè)特征值的貢獻(xiàn)率，選擇較大的特 征值所對應(yīng)的特征向量，利用正交三角分解的方法在最小二乘意義下求取a k(x，y)，這樣 就可以利用求得的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)和X = [a。，&1，a2, a3,]'系數(shù)矩陣，表示測深區(qū)域任意一點(diǎn) 的聲速剖面。
[0031] 優(yōu)選地，在所述的步驟8中，對分區(qū)內(nèi)（xAt，yAt)處擬合的聲速剖面表層部分（多波 束換能器吃水深度D)進(jìn)行修正具體獲得方法如下：
[0032] 步驟8. 1 :根據(jù)公式⑶計(jì)算區(qū)域~內(nèi)（xAt，yAt)處深度D(多波束換能器吃水深 度）處聲速修正量Acf :
[0034] 步驟8. 2 :根據(jù)Acf以及公式⑷計(jì)算修正后的測區(qū)內(nèi)每一點(diǎn)的聲速值即：
[0036] 優(yōu)選地，在所述的步驟9中，低掠射層的定義如下：
[0037] 低掠射層由多波束換能器偏轉(zhuǎn)方向一側(cè)60度以上波束角組成，其包括固定層和 自由