基于激光点云为约束的多波束低掠射角波束归位方法

摘要

本发明公开了一种基于激光点云为约束的多波束低掠射角波束归位方法，属于海洋测绘技术领域，其首先根据沿岸区域内的若干个声速剖面和沿航迹线附近内的表层声速值，利用经验正交函数分析法构建区域内浅层修正后的三维声速场，完成测深数据初始声速改正；然后以同目标激光点云提取的特征点为最外侧声波束位置约束，获取初始声速改正后特征点的坐标偏差，据此计算低掠射层内初始旋转角和初始放大系数，进而按角度线性加权内插60度以上剩余各波束对应的旋转角和放大系数，最终实现波束几何改正。本发明通过这种办法，实现了浅层海水中声波束的准确归位,解决了水岸线上下点云无缝拼接的问题。

主权项

一种基于激光点云为约束的多波束低掠射角波束归位方法，采用船载水岸线一体化测量系统，其水上部分包括三维激光扫描仪和组合导航系统，水下部分包括多波束测深仪，多波束测深仪带有具有一定偏转角度的多波束换能器，水上部分与水下部分通过一个平台支架固连；其中的三维激光扫描仪用于测量水面以上地物地貌，多波束测深仪用于测量水下地物地貌，组合导航系统用于为三维激光扫描仪和多波束测深仪提供定位信息、时间信息、姿态信息和航向信息；船载水岸线一体化测量系统还包括表层声速仪和声速剖面仪两个辅助设备；其特征在于：所述的多波束低掠射角波束归位方法按照如下步骤进行：步骤1：对船载水岸线一体化测量系统进行标定，确定多波束测深仪、三维激光扫描仪和组合导航系统之间的空间相对位置关系；步骤2：选取一段具有水上下公共目标的测区，并利用船载水岸线一体化测量系统沿岸匀速进行测量，获取水上下点云同一坐标系下坐标；步骤3：对存储的多波束数据按时间分区；步骤4：根据表层声速仪和组合导航系统中的GPS数据存储的时间标签，获取每一个分区内行船附近的平均表层声速值c(A_ts)和船附近内一点的地理坐标(x_At,y_At)；步骤5：利用声速剖面仪均匀获取沿岸测量区域内多个声速剖面数据svp_n，并记录每一个采样点的地理位置(x_N,y_N)；步骤6：对步骤5中得到的声速剖面数据svp_n进行层化处理，获得不同位置点处同一水层上的声速c(z_i)和每一层声速的平均值步骤7：通过步骤6层化处理后的声速剖面基于公式(1)得到测区内每一个点处的声速值：$c_n(x,y,z)=\bar{c}\left(z_i\right)+\underset{k=0}{\overset{k}{\Sigma }}{\alpha }_k(x,y)f_k\left(z_i\right)---\left(1\right)$其中加权系数α_k(x,y)为地理坐标，f_k(z_i)为正交函数，为每一层声速的平均值；步骤8：根据各分区内平均表层声速值c(A_ts)，对该区域内(x_At,y_At)处拟合的声速剖面表层部分进行修正；步骤9：根据各区域修正后的声速剖面，进行声速改正，获取多波束测深仪中的多波束换能器坐标系下水上下同目标特征点处激光点与多波束点的平均坐标差，计算低掠射层内初始几何旋转角和初始放大系数进而按角度线性加权内插计算低掠射层内60度以上剩余波束角对应的旋转角和放大系数步骤10：对低掠射层的固定层部分内的波束进行初始旋转角为和初始放大系数为的几何改正，对低掠射层的自由层部分各波束进行旋转角为放大系数为的几何改正。