一种近岸水深光子的提取方法

本发明涉及一种近岸水深光子的提取方法，属于近岸水深测量。

背景技术：

1、海域测绘为水域管理、治理等活动提供主要依据。准确的测量近岸环境中的水下地形是目前具有挑战性的一个项目，近岸环境的水深测量可采用常见的激光雷达等设备进行测量，当前的lidar设备对深度小于5米的区域进行调查是一种有效的方法，然而采用激光系统在空间和时间的分辨率限制导致限制了该技术的发展。2018年美国推出一款新一代激光雷达卫星icesat-2(冰、云和地面高程卫星2号)，该激光雷达配有三对激光束，能够以10khz的重复率发射532nm的激光脉冲，激光足迹直径为17米，且可以记录水下反射信号，可用来进行近岸环境的测量。

2、采用icesat-2获取水深数据，不能防止噪声光子淹没原始数据，且在近岸环境中，激光脉冲在传输过程中会被水反射、散射和吸收，这使得水深光子的空间特征与其他类型不同。其中水深光子由海面光子和海底光子组成，海底光子的空间密度随深度减少，并受水的浑浊度影响。而目前，水深光子提取方法利用传统的四叉树法提取水深光子。公布号为cn113281716a的发明专利文件公开了一种光子计数激光雷达数据去噪方法。如图1、图2所示，该方法基于传统的四叉树对原始光子数据进行四叉空间分割，将原始光子数据构成的空间转化为四叉树结构，然后计算原始光子数据中每个光子的隔离深度，并将隔离深度小于设定的深度阈值的光子标记为噪声光子并去除，从而从原始光子数据中获得信号光子，传统的四叉树尽管能够在一些地表面上能够取得理想的效果，但是由于近岸环境下，海面光子的空间分布通常比海底光子更紧凑，水下信噪比低于水上环境，且随着水深增加，信噪比将进一步降低，噪声光子就变得更难区分。而且如图1所示，为了能够使信号光子与最近的噪声光子分隔，需要同时进行四次划分，此时过度分割噪声光子的空间划分就高估了噪声光子的空间密度，且划分后的噪声光子与信号光子同处于第四层，在后续计算提取信号光子过程中，会导致提取噪声光子可能导致错误的提取，影响近岸水深光子数据准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种近岸水深光子的提取方法，用以解决传统利用四叉树提取水深光子过程中信噪比较差导致噪声光子被高估，进而影响水深光子数据准确性的问题。

2、为实现上述目的，本发明的方案包括：

3、本发明的一种近岸水深光子的提取方法，包括以下步骤：

4、1)确定目标区域内的原始光子数量以及光子分布情况，利用四叉树方法对目标区域进行空间划分，得到各层级子区域，在利用所述四叉树方法进行空间划分时，所采用的划分停止条件包括：

5、条件一：当某层级的子区域内光子数量大于1时，判断该层级子区域中光子分布情况，若该层级子区域内所有光子均分布在第一区域内，则该层级子区域不再进行空间划分，所述第一区域指的是在该层级子区域基础上进行下一层划分后得到的下一层级任一子区域；

6、条件二：当某层级子区域内光子数量小于等于1时，则停止该层级子区域的划分，并将该层级子区域的光子进行隔离；

7、2)计算每个隔离后的光子在所述四叉树中的隔离深度，将隔离深度大于深度阈值的光子标记为水深光子，以实现水深光子的提取。

8、进一步地，所述深度阈值根据大津法确定。

9、进一步地，采用大津法确定深度阈值的过程为：将最大类间方差作为水深光子的深度阈值，所述类间方差为：

10、σ2＝ωb(t)(μb(t)-μ(t))2+ωn(t)(μn(t)-μ(t))2

11、式中，σ2为类间方差，t为潜在信号光子数，ωb(t)为潜在信号光子的比例，ωn(t)为潜在噪声光子的比例，μb(t)表示信号光子的平均隔离深度，μn(t)表示潜在噪声光子的平均隔离深度，μ(t)表示所有光子的平均隔离深度。

12、进一步地，原始光子数据是根据icesat-2采集得到的。

13、有益效果：本发明的近岸水深光子的提取方法，基于传统的四叉树方法做出进一步改进，在每次空间划分之前增加预剪枝的步骤，即每次空间划分之前，判断子区域是否满足任一划分停止条件，满足则不继续划分，不满足则继续划分，使得噪声光子能够很快的被隔离。其中划分停止条件中的条件一为，光子数量大于一且集中分布在第一区域内时，即下一次空间划分后也不能分开的子区域，就停止该层级子区域的继续划分，将该层级子区域中的光子确定为噪声光子，进而避免了该层子区域的过分分割，使得噪声光子的空间密度被高估，而划分停止条件中的条件二就是将不满足条件一的子区域继续划分，直至某层级子区域内光子数量小于等于1划分结束。通过该方法能够准确地且完整地从原始数据中提取水深光子，也避免了信噪比的影响。

技术特征：

1.一种近岸水深光子的提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的近岸水深光子的提取方法，其特征在于，所述深度阈值根据大津法确定。

3.根据权利要求2所述的近岸水深光子的提取方法，其特征在于，采用大津法确定深度阈值的过程为：将最大类间方差作为提取水深光子的深度阈值，所述类间方差为：

4.根据权利要求1所述的近岸水深光子的提取方法，其特征在于，原始光子数据是根据icesat-2采集得到的。

技术总结
本发明涉及一种近岸水深光子的提取方法，属于近岸水深测量技术领域。确定目标区域内的原始光子数量以及光子分布情况，利用四叉树方法对目标区域进行空间划分，得到各层级子区域，在利用所述四叉树方法进行空间划分时，所采用的划分停止条件包括：当某层级的子区域内光子数量大于1时，若该层级子区域内所有光子均分布在第一区域内，或者当某层级子区域内光子数量小于等于1时，则停止该层级子区域的划分，计算每个隔离后的光子在所述四叉树中的隔离深度，将隔离深度大于深度阈值的光子标记为水深光子，以实现水深光子的提取，本方法能够准确的提取出水深光子。

技术研发人员：张国平,邢帅,徐青,李鹏程,王丹菂,王晋,潘洁晨,戴莫凡,郭松涛,高铭,陈丽
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17