《主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取技術(shù)規(guī)范》

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主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件給出了主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取的基本要求、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理、校正算法、精度

評價、質(zhì)量控制等說明。

本文件適用于采用光學(xué)衛(wèi)星遙感對深度不超過1倍塞氏盤深度淺水區(qū)域進(jìn)行的水下地形提取作業(yè)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB12319-2022中國海圖圖式

GB/T14911-2008測繪基本術(shù)語

GB/T17501-2017海洋工程地形測量規(guī)范

GB/T39624-2020機(jī)載激光雷達(dá)水下地形測量技術(shù)規(guī)范

GB/T32067-2015海洋要素圖式圖例及符號

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

主動激光衛(wèi)星Activelasersatellite

搭載在航空平臺上，集成了單光子激光雷達(dá)設(shè)備、GNSS和IMU等設(shè)備的激光探測和測距系統(tǒng)的衛(wèi)星。

3.2

水下地形提取underwatertopographyextraction

從主動激光衛(wèi)星2級產(chǎn)品中經(jīng)數(shù)據(jù)處理、點云校正獲得沿軌剖面水深數(shù)據(jù)的過程。

3.3

塞氏盤深度secchidiskdepth

采用塞氏盤測量一種水體透明度的常用方法，該深度表示可見光在水體中的透射深度。

3.4

2000國家大地坐標(biāo)系ChinaGeodeticCoordinateSystem2000；CGCS2000

采用2000參考橢球，原點在地心的右手地固直角坐標(biāo)系。Z軸為國際地球旋轉(zhuǎn)局參考極方向，X

軸為國際地球旋轉(zhuǎn)局的參考子午面與垂直于Z軸的赤道面的交線，Y軸與Z軸和X軸構(gòu)成右手正交

坐標(biāo)系。

[來源：GB/T14911-2008,2.32]

3.5

1985國家高程基準(zhǔn)NationalVerticalDatum1985

1987年頒布命名的，采用青島水準(zhǔn)原點和根據(jù)由青島驗潮站從1952年到1979年的驗潮數(shù)據(jù)確定的黃

海平均海水面所定義的高程基準(zhǔn)，其水準(zhǔn)原點的起算高程為72.260m。

3.6

深度基準(zhǔn)面depthdatum

海洋測量中深度的起算面，是海圖、水深圖及各種水深資料所載深度的起算面。

[來源：GB/T17501-2017,3.5]

3.7

平均海平面meansealevel

高程等于海洋水位觀測結(jié)果平均值的平靜的理想海面，按觀測時長可分為日平均、月平均、年平均

3

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和多年平均海平面。

[來源：GB/T39624-2020,3.6]

3.8

二級產(chǎn)品level2product

主動激光衛(wèi)星激光點云數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星定軌、光子點位置解算、地球物理改正后得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

3.9

地球物理校正geophysicalcorrection

校正激光傳輸過程中大氣、地球固體潮、極潮等引起的測距誤差。

3.10

潮汐校正oceantidecorrection

將測量時的瞬時海平面校正至平均海平面。

3.11

折射校正refractioncorrection

校正激光在穿過海氣界面時因折射率不同引起的測距誤差。

4基本要求

4.1大地基準(zhǔn)應(yīng)采用2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）。采用依法批準(zhǔn)的相對獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)時，應(yīng)與

CGCS2000建立聯(lián)系。

4.2高程基準(zhǔn)應(yīng)采用1985國家高程基準(zhǔn)，如采樣其他高程基準(zhǔn)，應(yīng)與1985國家高程基準(zhǔn)建立聯(lián)系，

在遠(yuǎn)離大陸的島、礁，其高程基準(zhǔn)應(yīng)給出與當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫娴年P(guān)系。

4.3深度基準(zhǔn)面應(yīng)采用理論最低潮面，根據(jù)需要采用其他基準(zhǔn)面的，應(yīng)給出所采用的基準(zhǔn)面與理論最

低潮面以及1985國家高程基準(zhǔn)的關(guān)系，在遠(yuǎn)離大陸的島、礁，其深度基準(zhǔn)應(yīng)給出與當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫娴?/p>

關(guān)系。

4.4表示海域的圖式符號應(yīng)符合GB12319-2022和GB/T32067-2015的要求。

4.5時間基準(zhǔn)應(yīng)采用公元紀(jì)年。

4.6成果的生產(chǎn)、分發(fā)和使用應(yīng)符合保密的相關(guān)規(guī)定。

5技術(shù)流程

主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取技術(shù)流程主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理、點云校正、精度檢驗與評

價等內(nèi)容。具體流程見圖1。

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主動激光衛(wèi)星

光子高度直方圖DBSCAN算法

海面點云海底點云

水深提取

地球物理校正

折射校正

潮汐校正

水下地形測深產(chǎn)品實測水深數(shù)據(jù)精度驗證

圖1主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取流程圖

6數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理

6.1數(shù)據(jù)下載與篩選

6.1.1主動激光衛(wèi)星條帶

選擇覆蓋測量區(qū)域的主動激光衛(wèi)星二級產(chǎn)品。

6.1.2數(shù)據(jù)篩選

選擇二級產(chǎn)品中數(shù)據(jù)完整、地表特征清晰的條帶。

6.2數(shù)據(jù)處理

6.2.1海面點云提取

統(tǒng)計得到光子高度直方圖，采用單高斯函數(shù)對直方圖進(jìn)行擬合，當(dāng)光子高度直方圖與單高斯函數(shù)之

間誤差平方和最小時認(rèn)為得到最佳擬合結(jié)果，即滿足下列式子：

(?―?)2

―

?=??2?2（1）

式中：

?——振幅；

?——平均值；

?——方差。

?2

?=∑(??―??)（2）

?=1

式中：

?——誤差平方和；

??——第i個光子高度直方圖值；

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??——第i個高斯函數(shù)擬合值。

提取高度在?±3?之間的光子為海面光子點。

6.2.2海底點云提取

提取高度小于?―3?的光子，采用DBSCAN密度聚類算法，設(shè)定半徑?與半徑內(nèi)最小光子點數(shù)?i

????,對高度小于?―3?的光子遍歷，提取半徑?內(nèi)包含光子點數(shù)大于等于?i????的光子為海底光子點，

海底光子點間歐氏距離需滿足下式：

22

?=(?0―??)+(?0―??)（3）

式中：

?——光子點間歐氏距離；

?0——當(dāng)前光子點沿軌距離；

?i——遍歷光子點沿軌距離；

y0——當(dāng)前光子點高度；

yi——遍歷光子點高度。

6.2.3點云提取結(jié)果人工修正

算法提取的點云結(jié)果經(jīng)人工目視解譯判別，去除提取錯誤的點云，得到修正后點云結(jié)果。

6.2.4剖面水深計算

遍歷海底點云，設(shè)定水平閾值??re?????，在水平閾值內(nèi)若存在海面點云，剖面水深等于海底點云

與海面點云的高度差值，若不存在，選取最鄰近海面點云計算高度差值作為剖面水深。剖面水深計算應(yīng)

滿足下式：

?ins=????―????（4）

式中：

?ins——瞬時水深；

????——海底光子點高度；

????——海面光子點高度。

7點云校正

7.1地球物理校正

讀取二級產(chǎn)品中地球物理校正變量???????_????，將點云高度加上地球物理校正變量即可完成地

球物理校正。

7.2折射校正

將經(jīng)過地球物理壓校正后的瞬時剖面水深消除因水氣折射率不同導(dǎo)致的距離誤差，折射校正模型見

圖2：

圖2折射校正模型

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在折射校正模型中，瞬時海平面被簡化為一個平面，對應(yīng)入射波束的發(fā)射高度角?與入射角?1重合，

入射波束的發(fā)射高度角?由二級產(chǎn)品文件得到。折射校正如下式：

#?*n=???

??（5）

{#???????1=???????2

?2=?2+?2―2??????（6）

?=?1―?2（7）

P2+S2―R2

cosα=2PS（8）

π

β=2―?1―?（9）

ΔZ=P?sinβ（10）

?cor=????+ΔZ+???????_????（11）

式中：

?——折射校正前光子與區(qū)域平均海平面之間距離；

?——折射校正后光子與區(qū)域平均海平面之間距離；

??——大氣折射率；

??——水體折射率；

?1——激光入射角；

?2——激光出射角；

?——改正距離；

?——入射角與出射角之差；

????——瞬時水深；

ΔZ——水深折射改正項；

?cor——折射改正后水深；

???????_????——地球物理改正項。

7.3潮汐校正

根據(jù)GOT4.10模型計算得到長周期潮汐變量????_???????????和短周期潮汐變量????_ocean，將折射

校正后的瞬時水深轉(zhuǎn)換至平均海平面基準(zhǔn)下的水深。潮汐校正如下式：

????=?cor―????_???????????―????_ocean（12）

式中：

????——潮汐校正后轉(zhuǎn)換至平均海平面基準(zhǔn)下的水深；

?——折射校正后瞬時水深；

????_???????????——長周期潮汐；

????_ocean——短周期潮汐。

8成果質(zhì)量檢查

精度評價應(yīng)采用經(jīng)過處理的測深數(shù)據(jù)，主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取結(jié)果進(jìn)行精度評價。定量評

價指標(biāo)使用均方根誤差（RMSE），平均相對誤差（?RE）。

精度計算應(yīng)符合以下公式：

2

(?―?)

RMSE=∑???（13）

?=1?

1?|??―??|

???=∑（14）

??=1??

式中：

RMSE——均方根誤差；

?RE——平均相對誤差；

??——主動激光衛(wèi)星實測水深值；

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??——船載聲納實測水深值；

?——測試樣本點數(shù)目。

9成果整理與上交

9.1成果提交要求

成果提交應(yīng)符合以下要求：

a）技術(shù)文檔齊全、完整，內(nèi)容真實、表述準(zhǔn)確；

b）作業(yè)流程、技術(shù)資料和成果數(shù)據(jù)完整，符合質(zhì)量檢查要求。

9.2成果提交內(nèi)容

成果提交內(nèi)容主要包括：

a）技術(shù)設(shè)計書；

b）淺水水下地形剖面水深圖；

c）精度評價報告；

d）技術(shù)總結(jié)；

e）其他相關(guān)資料。

A

8

ICS07.040

CCSA77

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

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主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取技術(shù)規(guī)范

Technicalspecificationforshallowwaterbathymetryusingactivelasersatellites

（征求意見稿）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國國際科技促進(jìn)會??發(fā)布

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主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件給出了主動激光衛(wèi)星淺水水下地形提取的基本要求、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理、校正算法、精度

評價、質(zhì)量控制等說明。

本文件適用于采用光學(xué)衛(wèi)星遙感對深度不超過1倍塞氏盤深度淺水區(qū)域進(jìn)行的水下地形提取作業(yè)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB12319-2022中國海圖圖式

GB/T14911-2008測繪基本術(shù)語

GB/T17501-2017海洋工程地形測量規(guī)范

GB/T39624-2020機(jī)載激光雷達(dá)水下地形測量技術(shù)規(guī)范

GB/T32067-2015海洋要素圖式圖例及符號

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

主動激光衛(wèi)星Activelasersatellite

搭載在航空平臺上，集成了單光子激光雷達(dá)設(shè)備、GNSS和IMU等設(shè)備的激光探測和測距系統(tǒng)的衛(wèi)星。

3.2

水下地形提取underwatertopographyextraction

從主動激光衛(wèi)星2級產(chǎn)品中經(jīng)數(shù)據(jù)處理、點云校正獲得沿軌剖面水深數(shù)據(jù)的過程。

3.3

塞氏盤深度secchidiskdepth

采用塞氏盤測量一種水體透明度的常用方法，該深度表示可見光在水體中的透射深度。

3.4

2000國家大地坐標(biāo)系ChinaGeodeticCoordinateSystem2000；CGCS2000

采用2000參考橢球，原點在地心的右手地固直角坐標(biāo)系。Z軸為國際地球旋轉(zhuǎn)局參考極方向，X

軸為國際地球旋轉(zhuǎn)局的參考子午面與垂直于Z軸的赤道面的交線，Y軸與Z軸和X軸構(gòu)成右手正交

坐標(biāo)系。

[來源：GB/T14911-2008,2.32]

3.5

1985國家高程基準(zhǔn)NationalVerticalDatum1985

1987年頒布命名的，采用青島水準(zhǔn)原點和根據(jù)由青島驗潮站從1952年到1979年的驗潮數(shù)據(jù)確定的黃

海平均海水面所定義的高程基準(zhǔn)，其水準(zhǔn)原點的起算高程為72.260m。

3.6

深度基準(zhǔn)面depthdatum

海洋測量中深度的起算面，是海圖、水深圖及各種水深資料所載深度的起算面。

[來源：GB/T17501-2017,3.5]

3.7

平均海平面meansealevel

高程等于海洋水位觀測結(jié)果平均值的平靜的理