面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于海洋测绘数据处理与识别技术领域，公开了面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法、系统及应用。该方法利用双峰波形点云的高程区间和波形特征直方图拟合曲线得到水陆分类阈值，进行海陆分类；基于水陆分类波形特征阈值、高程方差构建连通区，并利用连通区几何特征实现内陆水域点识别；进行点云栅格化的邻域分析，将连通区及邻域关系作为约束条件用于优化水陆分类。本发明专利技术为解决现有技术方案难以满足高自动化、适用性强等需求，本发明专利技术面向单频全波形ALB系统采集数据，在无需先验样本和其他辅助信息的前提下，实现高自动化、高精度、高效率的水陆分类。高效率的水陆分类。高效率的水陆分类。

【技术实现步骤摘要】
面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法、系统及应用


[0001]本专利技术属于海洋测绘数据处理与识别
，尤其涉及面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法、系统及应用。

技术介绍

[0002]全波形机载激光测深（ALB）是一种集激光测距仪、全球导航卫星系统（GNSS）和惯性导航系统（INS）等多种测量传感器于一体的新技术，可快速获得水上水下目标的回波波形及其对应点云数据。相比传统船载声学单波束测量、多波束测量等手段，ALB系统具有覆盖面广、测点密度高、高效率、高机动性、低消耗等优点，非常适合水质较好近岸浅水区域的水陆一体化测绘。尤其在浅水、暗礁密布及船只无法抵近测量区域，ALB已成为进行高效率水深测量的最有效手段，具有广阔的应用和发展前景。当前已发展了多频ALB系统和单频ALB系统，比较来说，单频ALB系统具有设备轻便、耗费低等优点，且随着无人机技术的发展应用，单频ALB成为产品开发的新趋势。
[0003]ALB水陆分类是根据数据表达将目标识别为陆地或水域，使之与客观世界的水陆分布相统一的过程。激光束在陆地和水域的传播特性具有明显差异，包括水气界面的折射效应、水气空间的传播速度差异、水气空间的散射传播差异等。因此，精准水陆分类是基于ALB数据研究海洋和陆地的关键步骤，对海岸带管理、测深误差改正、海底底质分类等工作具有重要意义。由于单频ALB系统缺少近红外等水陆分类敏感波段，且海岸带码头、沙滩、礁石等地表导致点云复杂化，面向单频ALB系统的高精度水陆分类存在诸多难题。
[0004]当前针对全波形ALB系统的水陆分类技术方案主要包括多频ALB水陆分类和单频ALB水陆分类。多频ALB（搭载近红外、绿通道或搭载近红外、红、绿通道）提供了表征水域和陆域差异的充足波段信息，增加波段可以提高水陆分类精度，但也增加了ALB系统的复杂性和成本。目前公开的单频ALB（仅搭载绿通道）水陆分类仅两种：
①
提取ALB波形特征，利用大量人工样本和随机森林进行特征筛选并进一步实现水陆分类；
②
利用点云确定水面平均高程，将明显高于或低于水面高程的点云作为训练样本结合支持向量机（SVM）完成水陆交界区域的海陆分类。面向单频ALB的专利方案主要集中在波形去噪（中国专利，CN110133670A，公开日2019年08月16日）、海面构建（中国专利，CN113156393A，公开日2021年07月23日）、数据配准（中国专利，CN113837326A，公开日2021年12月24日），仍然缺少适合复杂海岸带的高精度、高自动化的单频ALB水陆分类有效手段。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：（1）单频ALB系统的设备参数、环境、目标的几何状态和物理属性等因素都会影响回波波形以及对应的点云，使数据存在诸多不确定性。
[0006]（2）多频ALB水陆分类或影像辅助的分类不适用单频ALB系统，现有的单频ALB水陆分类方法需要大量先验样本自动化程度低，难以适用于内陆水存在的复杂区域；获得的数据准确度低。因此，亟需专利技术一种适用于复杂海岸带的、无需先验样本即可实现单条带ALB数据的高精度水陆分类技术方案。

技术实现思路

[0007]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了面向单频机载激光测深（ALB）数据的水陆分类方法、系统及应用。
[0008]所述技术方案如下：该面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法包括以下步骤：S1，利用双峰波形点云的高程区间和波形特征直方图拟合曲线得到水陆分类阈值，进行海陆分类；S2，基于水陆分类波形特征阈值、高程方差构建连通区，并利用连通区几何特征实现内陆水域点识别；S3，进行点云栅格化的邻域分析，将连通区及邻域关系作为约束条件用于优化水陆分类。
[0009]在步骤S1前，还需进行：提取单频ALB系统回波波形的尾部噪声、首次波峰振幅、面积、方差、独立波峰数五个波形特征；回波波形中首次回波的振幅Am、面积Ar、方差V、回波波形的尾部噪声N以及独立波峰的个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：峰的个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：峰的个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：峰的个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：峰的个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：式中，P代表首次回波内的采样点回波强度，、分别代表首次回波振幅点左侧和右侧的回波强度达到时对应的时刻，intensity代表整个波形的采样点回波强度，peak代表回波波峰；每个ALB测深点的特征数据表达为{x，y，z，PC，N，Am，Ar，V}，其中x，y，z为该点的三维坐标。
[0010]在步骤S1中，利用双峰波形点云的高程区间和波形特征直方图拟合曲线得到水陆分类阈值，进行海陆分类的步骤包括：（1）海面点粗提取；双波峰波形点云的高程统计直方图呈现明显的单峰分布，根据其高程直方图频数最大的位置确定海面高程，粗略海面点云集合CS由下式确定：（1）式中，csp代表条带内的点，代表点CSP的高程，H为直方图频数最大位置的海面高程，为海面高程变化阈值；（2）波形特征直方图曲线拟合；
绘制回波波形的尾部噪声、首次波峰振幅、面积和方差的波形特征直方图，以特征值为对应直方图的自变量x，以频数为因变量y，利用移动最小二乘拟合波形特征直方图曲线；拟合公式（2）如下：（2）（3）（4）式中：为线性基函数，，；和为根据ALB波形特征值计算得到的系数矩阵，根据式（3）和（4）计算获得；为处的样条权函数，设，的计算公式如下：（5）（3）基于波形特征阈值的海面点精提取；计算每个波形特征直方图的拟合曲线中水域统计峰向陆域统计峰过渡的首个极小值，将对应的特征值分别作为海面精提取阈值；遍历点集CS，当波形特征满足公式（6）的阈值要求时，判定该点为海面点，否则判定该点为内陆点云；（6）式中，fsp代表CS中的点，分别代表点fsp的波形背景噪声以及首次回波的振幅、面积、方差。
[0011]在步骤S2中，基于水陆分类波形特征阈值、高程方差构建连通区，并利用连通区几何特征识别内陆水域点，具体包括以下步骤：步骤1，内陆水提取阈值和高程方差计算；对每个波形特征直方图，将海面提取阈值和拟合曲线最大值位置的平均值作为内陆水提取阈值；FS的补集点云为CFS，根据平面坐标，以参数w为格网大小，以格网内点云高程最大值为像元值构建距离图像，并以该距离图像3
×
3窗口的像元值方差构建方差图像；步骤2，连通区构建；遍历CFS中的点，当其波形特征满足内陆水提取阈值要求，且所在格网的高程方差小于阈值时，标记该格网；以八邻域是否连通为依据对标记格网构建连通区；步骤3，内陆水域点确定；对于第个连通区，计算连通区平均高程、连通区面积以及连通区外3
×
3邻域的平均高程；当第个连通区满足公式（7）时，认为该连通区内的点为内陆水域点，否则为陆地点；（7）式中，代表连通区中的像元，为连通区面积阈值。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，利用双峰波形点云的高程区间和波形特征直方图拟合曲线得到水陆分类阈值，进行海陆分类；S2，基于水陆分类波形特征阈值、高程方差构建连通区，并利用连通区几何特征实现内陆水域点识别；S3，进行点云栅格化的邻域分析，将连通区及邻域关系作为约束条件用于优化水陆分类。2.根据权利要求1所述的面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法，其特征在于，在步骤S1前，还需进行：提取单频ALB系统回波波形的尾部噪声、首次波峰振幅、面积、方差、独立波峰数五个波形特征；回波波形中首次回波的振幅Am、面积Ar、方差V、回波波形的尾部噪声N以及独立波峰的个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：个数PC用于反映回波波形的形状，对应回波波形特征的表达式如下：式中，P代表首次回波内的采样点回波强度，、分别代表首次回波振幅点左侧和右侧的回波强度达到时对应的时刻，intensity代表整个波形的采样点回波强度，peak代表回波波峰；每个ALB测深点的特征数据表达为{x，y，z，PC，N，Am，Ar，V}，其中x，y，z为该点的三维坐标。3.根据权利要求1所述的面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法，其特征在于，在步骤S1中，利用双峰波形点云的高程区间和波形特征直方图拟合曲线得到水陆分类阈值，进行海陆分类的步骤包括：（1）海面点粗提取；双波峰波形点云的高程统计直方图呈现明显的单峰分布，根据其高程直方图频数最大的位置确定海面高程，粗略海面点云集合CS由下式确定：（1）式中，csp代表条带内的点，代表点csp的高程，H为直方图频数最大位置的海面高程，为海面高程变化阈值；（2）波形特征直方图曲线拟合；绘制回波波形的尾部噪声、首次波峰振幅、面积和方差的波形特征直方图，以特征值为对应直方图的自变量x，以频数为因变量y，利用移动最小二乘拟合波形特征直方图曲线；拟
合公式（2）如下：（2）（3）（4）式中：为线性基函数，，；和为根据ALB波形特征值计算得到的系数矩阵，根据式（3）和（4）计算获得；为处的样条权函数，设，的计算公式如下：（5）（3）基于波形特征阈值的海面点精提取；计算每个波形特征直方图的拟合曲线中水域统计峰向陆域统计峰过渡的首个极小值，将对应的特征值分别作为海面精提取阈值；遍历点集CS，当波形特征满足公式（6）的阈值要求时，判定该点为海面点，否则判定该点为内陆点云；（6）式中，fsp代表CS中的点，分别代表点fsp的波形背景噪声以及首次回波的振幅、面积、方差。4.根据权利要求1所述的面向单频机载激光测深数据的水陆分类方法，其特征在于，在步骤S2中，基于水陆分类波形特征阈值、高程方差构建连通区，并利用连通区几何特征识别内陆水域点，具体包括以下步骤：步骤1，内陆水提取阈值和高程方差计算；对每个波形特征直方图，将海面提取阈值和拟合曲线最大值位置的平均值作为内陆水提取阈值；FS的补集点云为CFS，根据平面坐标，以参数w为格网大小，以格网内点云高程最大值为像元值构建距离图像，并以该距...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文学，刘焱雄，郭亚栋，董志鹏，冯义楷，崔子伟，蒋正坤，
申请(专利权)人：自然资源部第一海洋研究所，
类型：发明
国别省市：