本發(fā)明屬于測繪科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種點(diǎn)云去噪方法，具體為一種基于機(jī)載LiDAR測深系統(tǒng)的水下點(diǎn)云去噪方法。

背景技術(shù)：

機(jī)載LiDAR(Light Detection And Ranging，激光探測與測量)測深系統(tǒng)屬于主動(dòng)測深系統(tǒng)，是采用掃描測量方式從空中發(fā)射激光來進(jìn)行探測水深的方法，測深系統(tǒng)在進(jìn)行測量作業(yè)時(shí)會(huì)發(fā)射紅外光和藍(lán)綠光兩種波長的激光脈沖，其中紅外波段不易穿透海水從而探測到水面后就進(jìn)行回波，而波長處于0.47～0.58μm之間的藍(lán)綠光穿透海水時(shí)的衰減最小，穿透性強(qiáng)且方向性好，故藍(lán)綠波段可探測到海底。其在淺于50米的沿岸水域，具有無可比擬的優(yōu)越性，特別是能夠高效快速測量淺海島礁暗礁及船只無法安全到達(dá)的水域，為海岸帶的周期性、應(yīng)急性監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段。由于設(shè)備精度的限制、散射的影響以及水體浮游物的反射特性等，導(dǎo)致LiDAR測深系統(tǒng)采集的三維點(diǎn)云中不可避免的存在許多粗差點(diǎn)，即為噪聲點(diǎn)，如不將這些噪聲點(diǎn)剔除，勢必會(huì)影響后期水下地形的提取。因此，點(diǎn)云去噪是整個(gè)LiDAR測深點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

目前，點(diǎn)云去噪的方法大都是針對傳統(tǒng)紅外LiDAR測高系統(tǒng)采集的三維點(diǎn)云，噪聲點(diǎn)占比少、分布離散，通過點(diǎn)云高程值的分布即可初步剔除噪聲點(diǎn)。高程均值離差方法是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云去噪，該方法的思想是：噪點(diǎn)的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)小于非噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)，因此計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的高程均值，然后統(tǒng)計(jì)出每個(gè)點(diǎn)與高程均值的差值，最后根據(jù)高程差是否大于預(yù)先設(shè)定的閾值作為判定標(biāo)準(zhǔn)檢測出噪聲點(diǎn)并予以剔除。

高程均值離差方法對孤立點(diǎn)狀噪聲有較好的剔除效果，但對塊狀噪聲的剔除效果不理想，尤其是當(dāng)噪聲點(diǎn)分布密于非噪聲點(diǎn)分布時(shí)的情況，需預(yù)先設(shè)定閾值，且該閾值的設(shè)定很難確定，不具有普適性。

此外，機(jī)載LiDAR測深系統(tǒng)在測量水深時(shí)，水體為主要的傳輸介質(zhì)，作為傳輸介質(zhì)，水體相比于空氣對于激光的影響更為復(fù)雜，除散射外，還有水體折射、水體對于激光的衰減等，特別是對于復(fù)雜的水質(zhì)環(huán)境，只依靠傳統(tǒng)的點(diǎn)云噪聲剔除方法很容易檢測出錯(cuò)誤噪聲點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對背景技術(shù)中去噪方法對于塊狀噪聲的剔除效果不理想、閾值難以設(shè)定和去噪可靠性較差的問題，提出了一種對于塊狀噪聲的剔除效果較好且去噪可靠性高的基于機(jī)載LiDAR測深系統(tǒng)的水下點(diǎn)云去噪方法。

一種基于機(jī)載LiDAR測深系統(tǒng)的水下點(diǎn)云去噪方法，其特征在于，包括以下步驟：

S100：波形分析，讀取點(diǎn)云的波形信息，通過對波形信息的分析來判斷點(diǎn)云的類型，將點(diǎn)云判定為水下地形點(diǎn)、可疑點(diǎn)或噪聲點(diǎn)，濾除噪聲點(diǎn)；

S200：測深性能參數(shù)驗(yàn)證，將通過步驟S100判定后得到的可疑點(diǎn)進(jìn)行測深性能參數(shù)驗(yàn)證，通過驗(yàn)證判定可疑點(diǎn)為水下地形點(diǎn)或噪聲點(diǎn)，濾除噪聲點(diǎn)；

S300：高程均值離差迭代去噪，將通過步驟S100和步驟S200判定后得到的水下地形點(diǎn)進(jìn)行高程均值離差迭代去噪，得到最終水下地形點(diǎn)。

進(jìn)一步的，步驟S100中所述的波形信息為藍(lán)綠激光的回波強(qiáng)度。

進(jìn)一步的，所述步驟S100波形判斷具體為：

S101：確定判斷閾值；

S102：確定縮放范圍x；

S103：確定判定條件，進(jìn)行水下地形點(diǎn)、噪聲點(diǎn)和可疑點(diǎn)的判定：若藍(lán)綠激光回波強(qiáng)度在(δ*(100％+x％),+∞)范圍內(nèi)，則判定該點(diǎn)為水下地形點(diǎn)，若藍(lán)綠激光回波強(qiáng)度在(-∞，δ*(100％-x％))范圍內(nèi)，則判定該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)，若藍(lán)綠激光回波強(qiáng)度在[δ*(100％-x％),δ*(100％+x％)]范圍的點(diǎn)被判為可疑點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述縮放范圍x為20。

進(jìn)一步的，所述判斷閾值為藍(lán)綠激光的回波強(qiáng)度閾值，所述判斷閾值通過以下幾個(gè)參數(shù)確定：激光發(fā)射強(qiáng)度、水的漫衰減系數(shù)、水底反射率、大氣影響和測深系統(tǒng)器件參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述判斷閾值包括深水通道判斷閾值或淺水通道判斷閾值。

進(jìn)一步的，所述步驟S200測深性能參數(shù)驗(yàn)證具體為：

S201：確定激光測深系統(tǒng)測深性能標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)k；

S202：確定水的漫衰減系數(shù)；

S203：計(jì)算測深系統(tǒng)能夠探測到的最大深度D_max，具體為

S204：將通過步驟S100判定后得到的可疑點(diǎn)的水深值h與D_max進(jìn)行比較，若h＞D_max，則將該點(diǎn)判定為噪聲點(diǎn)，若h≤D_max，則將該點(diǎn)判定為水下地形點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述步驟S300高程均值離差迭代去噪具體為：

S301：計(jì)算所有水下地形點(diǎn)的高程均值其中，μ_i為水下地形點(diǎn)的高程值，n為水下地形點(diǎn)數(shù)量；

S302：計(jì)算所有水下地形點(diǎn)的高程值中誤差其中，m為迭代的次數(shù)；

S303：確定噪聲點(diǎn)判斷閾值θ_th，確定迭代終止閾值θ；

S304：噪聲點(diǎn)判斷，若水下地形點(diǎn)的高程值滿足條件，則判定為噪聲點(diǎn)；

S305：重復(fù)步驟S501～步驟S504，計(jì)算每次重復(fù)過程中得到的中誤差σ_m與上一次重復(fù)過程中得到的中誤差σ_m-1的比值，若，則終止重復(fù)過程；

S306：濾除通過判定得到的噪聲點(diǎn)，將濾除噪聲點(diǎn)后的水下地形點(diǎn)作為最終水下地形點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述步驟S303中噪聲點(diǎn)判斷閾值θ_th為2σ。

進(jìn)一步的，所述步驟S303中迭代終止閾值θ為90％。

本發(fā)明提出的點(diǎn)云去噪方法是針對機(jī)載LiDAR測深系統(tǒng)采集的水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過波形分析初步判斷水下地形點(diǎn)、噪聲點(diǎn)和可疑點(diǎn)，這一步對點(diǎn)云去噪起引導(dǎo)作用；通過測深性能參數(shù)驗(yàn)證上一步驟中水深較深的可疑點(diǎn)，最后通過對上述兩步驟獲取的水下地形點(diǎn)進(jìn)行高程均值離差迭代去噪以完成整個(gè)噪聲點(diǎn)的剔除和最終水下地形點(diǎn)的提取工作。針對機(jī)載LiDAR測深系統(tǒng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本發(fā)明所提出的水下點(diǎn)云去噪方法與傳統(tǒng)點(diǎn)云去噪方法相比，采用波形分析去噪，有效剔除塊狀噪聲；在高程均值離差迭代去噪過程中，采用自適應(yīng)閾值進(jìn)行迭代去噪，判斷閾值具有普適性，提高了去噪結(jié)果的可靠性，能夠保證水下地形提取精度，具有更好的去噪效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的步驟流程圖；

圖2為本發(fā)明波形分析步驟流程圖；

圖3為本發(fā)明測深性能參數(shù)驗(yàn)證步驟流程圖；

圖4為本發(fā)明高程均值離差迭代去噪步驟流程圖；

圖5為選取的CZMIL測深系統(tǒng)所采集的試驗(yàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)(高程剖面)；

圖6為未經(jīng)改進(jìn)的高程均值離差方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云去噪后效果圖(高程剖面)；

圖7為本發(fā)明方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟S100云去噪后效果圖(高程剖面)；

圖8為本發(fā)明方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟S200點(diǎn)云去噪后效果圖(高程剖面)；

圖9為本發(fā)明方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟S300點(diǎn)云去噪后效果圖(最終水下地形點(diǎn)高程剖面)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)描述。

實(shí)施例1：

機(jī)載LiDAR(Light Detection And Ranging，激光探測與測量)測深系統(tǒng)屬于主動(dòng)測深系統(tǒng)，是采用掃描測量方式從空中發(fā)射激光來進(jìn)行探測水深的方法，測深系統(tǒng)在進(jìn)行測量作業(yè)時(shí)會(huì)發(fā)射紅外光和藍(lán)綠光兩種波長的激光脈沖，其中紅外波段不易穿透海水從而探測到水面后就進(jìn)行回波，而波長處于0.47～0.58μm之間的藍(lán)綠光穿透海水時(shí)的衰減最小，穿透性強(qiáng)且方向性好，故藍(lán)綠波段可探測到海底，通過計(jì)算紅外激光脈沖和藍(lán)綠激光脈沖的回波時(shí)間差來計(jì)算水下深度。該方法在淺于50米的沿岸水域，具有無可比擬的優(yōu)越性，特別是能夠高效快速測量淺海島礁暗礁及船只無法安全到達(dá)的水域，為海岸帶的周期性、應(yīng)急性監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段。

本發(fā)明為一種基于機(jī)載LiDAR測深系統(tǒng)的水下點(diǎn)云去噪方法，本發(fā)明所提出的去噪方法對傳統(tǒng)的高程均值離差方法進(jìn)行改進(jìn)，為了彌補(bǔ)該方法對塊狀噪聲的剔除效果不足，先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行波形分析以確定噪聲點(diǎn)和水下地形點(diǎn)的大致位置分布，再通過測深性能參數(shù)對水深較深的疑難點(diǎn)進(jìn)行剔除，最后通過高程均值離差不斷迭代達(dá)到去噪的目的。步驟流程如圖1所示，具體步驟如下:

S100：波形分析，讀取點(diǎn)云的波形信息，通過對波形信息的分析來判斷點(diǎn)云的類型，將點(diǎn)云判定為水下地形點(diǎn)、可疑點(diǎn)或噪聲點(diǎn)。

S200：測深性能參數(shù)驗(yàn)證，將通過步驟S100判定后得到的可疑點(diǎn)進(jìn)行測深性能參數(shù)驗(yàn)證，通過驗(yàn)證判定可疑點(diǎn)為水下地形點(diǎn)或噪聲點(diǎn)。

S300：高程均值離差迭代去噪，將通過步驟S100和步驟S200判定后得到的水下地形點(diǎn)進(jìn)行高程均值離差迭代去噪，得到最終水下地形點(diǎn)。

本發(fā)明所提出的點(diǎn)云去噪方法首先從水下點(diǎn)云獲取的原理出發(fā)，根據(jù)點(diǎn)云的波形特征進(jìn)行分析判斷，機(jī)載激光測深系統(tǒng)測量水深時(shí)發(fā)射一定強(qiáng)度的藍(lán)綠激光，該藍(lán)綠激光透過海水經(jīng)海底反射回來的激光強(qiáng)度大于一定的閾值才認(rèn)為是水下地形點(diǎn)，因此，在本實(shí)施例中，波形分析過程中用于判斷閾值的波形信息為激光藍(lán)綠激光的回波強(qiáng)度，如果激光回波的波形為紅外激光和藍(lán)綠激光波段疊加的波形，則進(jìn)行判斷第二次回波的強(qiáng)度，即藍(lán)綠激光的回波強(qiáng)度。

波形分析的步驟流程如圖2所示，具體步驟如下：

S101：確定判斷閾值δ，本實(shí)施例中，CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)測深系統(tǒng)的判斷閾值可分為深水通道判斷閾值和淺水通道判斷閾值，其中深水通道閾值為200，淺水通道閾值為50。所述判斷閾值通過以下幾個(gè)參數(shù)確定：激光發(fā)射強(qiáng)度、水的漫衰減系數(shù)、水底反射率、大氣影響和測深系統(tǒng)器件參數(shù)。

S102：確定縮放比例x，通過設(shè)置縮放比例來確保判斷的準(zhǔn)確性，本實(shí)施例中，縮放比例取值為20，即對判斷閾值進(jìn)行正負(fù)20％的縮放。

S103：確定判定條件，進(jìn)行水下地形點(diǎn)、噪聲點(diǎn)和可疑點(diǎn)的判定：若藍(lán)綠激光回波強(qiáng)度在(δ*(100％+x％),+∞)范圍內(nèi)，則判定該點(diǎn)為水下地形點(diǎn)，若藍(lán)綠激光回波強(qiáng)度在(-∞，δ*(100％-x％))范圍內(nèi)，則判定該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)，若藍(lán)綠激光回波強(qiáng)度在[δ*(100％-x％),δ*(100％+x％)]范圍的點(diǎn)被判為可疑點(diǎn)。

由于步驟S100波形分析后得到的可疑點(diǎn)大部分是水深較深的類水下地形點(diǎn)，因此，可通過LiDAR測深性能參數(shù)進(jìn)一步確定是否為噪聲點(diǎn)。

測深性能參數(shù)驗(yàn)證的步驟流程如圖3所示，具體步驟如下：

S201：確定激光測深系統(tǒng)測深性能標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)k，本實(shí)施例中，k為CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)測深系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，值為4.0。

S202：確定水的漫衰減系數(shù)，本實(shí)施例中，該數(shù)據(jù)區(qū)Kd值約為0.5m^-1。

S203：計(jì)算測深系統(tǒng)能夠探測到的最大深度D_max，具體為本實(shí)施例中計(jì)算出D_max為8米。

S204：將通過步驟S100判定后得到的可疑點(diǎn)的水深值h與D_max進(jìn)行比較，若h＞D_max，則將該點(diǎn)判定為噪聲點(diǎn)，若h≤D_max，則將該點(diǎn)判定為水下地形點(diǎn)。

測深性能參數(shù)驗(yàn)證可以采用以上步驟，也可采用塞克盤深度數(shù)據(jù)驗(yàn)證法。

經(jīng)過步驟S100和步驟S200判定得到的的水下地形點(diǎn)中仍有可能存在極少數(shù)噪聲點(diǎn)，因此，采用高程均值離差迭代的方法進(jìn)行過濾去噪。如若有部分噪聲點(diǎn)可據(jù)此方法剔除，反之沒有噪聲點(diǎn)，由于點(diǎn)云的密集性，采用此方法不影響整體水下地形的提取。本發(fā)明中采用的高程均值離差迭代去噪方法是對傳統(tǒng)高程均值離差去噪方法的改進(jìn)，該方法不預(yù)先設(shè)定高程差閾值，而是通過2倍中誤差作為判斷閾值，自動(dòng)過濾并不斷迭代高程差中誤差，使其在保證點(diǎn)云過渡平順性的同時(shí)最大限度的剔除噪聲點(diǎn)。

高程均值離差迭代去噪的步驟流程如圖4所示，具體步驟如下：

S301：計(jì)算所有水下地形點(diǎn)的高程均值其中，μ_i為水下地形點(diǎn)的高程值，n為水下地形點(diǎn)數(shù)量。

S302：計(jì)算所有水下地形點(diǎn)的高程值中誤差其中，m為迭代的次數(shù)。

S303：確定噪聲點(diǎn)判斷閾值θ_th，確定迭代終止閾值θ，本實(shí)施例中，噪聲點(diǎn)判斷閾值θ_th為2σ，迭代終止閾值θ為90％。

S304：噪聲點(diǎn)判斷，若水下地形點(diǎn)的高程值滿足條件，則判定為噪聲點(diǎn)。

S305：重復(fù)步驟S501～步驟S504，計(jì)算每次重復(fù)過程中得到的中誤差σ_m與上一次重復(fù)過程中得到的中誤差σ_m-1的比值，若，則終止重復(fù)過程。

S306：濾除通過判定得到的噪聲點(diǎn)，將濾除噪聲點(diǎn)后的水下地形點(diǎn)作為最終水下地形點(diǎn)。

選取一組CZMIL(Coastal Zone Mapping and Imaging LiDAR)測深系統(tǒng)采集的水域數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲點(diǎn)剔除試驗(yàn)，其中圖5是原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)(高程剖面)，圖6為未經(jīng)改進(jìn)的高程均值離差的方法點(diǎn)云去噪后的效果圖(高程剖面)，其中閾值設(shè)為0.5米，圖7、圖8和圖9為本發(fā)明所述方法的經(jīng)步驟S100、步驟S200和步驟S300處理后的的點(diǎn)云去噪后的效果圖(高程剖面)。

試驗(yàn)結(jié)果對比可知：未經(jīng)改進(jìn)的高程均值離差的方法在計(jì)算高程均值時(shí)易受噪聲點(diǎn)影響出現(xiàn)很大的偏差導(dǎo)致去噪效果不理想，特別是當(dāng)噪聲點(diǎn)的分布密于水下地形點(diǎn)的分布時(shí)；采用本發(fā)明所述方法進(jìn)行點(diǎn)云去噪結(jié)果更可靠，更能精準(zhǔn)的提取水下地形數(shù)據(jù)。

應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的說明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上可以對各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。