《主动激光卫星浅水水下地形提取技术规范》

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主动激光卫星浅水水下地形提取技术规范

1范围

本文件给出了主动激光卫星浅水水下地形提取的基本要求、数据准备、数据处理、校正算法、精度

评价、质量控制等说明。

本文件适用于采用光学卫星遥感对深度不超过1倍塞氏盘深度浅水区域进行的水下地形提取作业。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB12319-2022中国海图图式

GB/T14911-2008测绘基本术语

GB/T17501-2017海洋工程地形测量规范

GB/T39624-2020机载激光雷达水下地形测量技术规范

GB/T32067-2015海洋要素图式图例及符号

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

主动激光卫星Activelasersatellite

搭载在航空平台上，集成了单光子激光雷达设备、GNSS和IMU等设备的激光探测和测距系统的卫星。

3.2

水下地形提取underwatertopographyextraction

从主动激光卫星2级产品中经数据处理、点云校正获得沿轨剖面水深数据的过程。

3.3

塞氏盘深度secchidiskdepth

采用塞氏盘测量一种水体透明度的常用方法，该深度表示可见光在水体中的透射深度。

3.4

2000国家大地坐标系ChinaGeodeticCoordinateSystem2000；CGCS2000

采用2000参考椭球，原点在地心的右手地固直角坐标系。Z轴为国际地球旋转局参考极方向，X

轴为国际地球旋转局的参考子午面与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交

坐标系。

[来源：GB/T14911-2008,2.32]

3.5

1985国家高程基准NationalVerticalDatum1985

1987年颁布命名的，采用青岛水准原点和根据由青岛验潮站从1952年到1979年的验潮数据确定的黄

海平均海水面所定义的高程基准，其水准原点的起算高程为72.260m。

3.6

深度基准面depthdatum

海洋测量中深度的起算面，是海图、水深图及各种水深资料所载深度的起算面。

[来源：GB/T17501-2017,3.5]

3.7

平均海平面meansealevel

高程等于海洋水位观测结果平均值的平静的理想海面，按观测时长可分为日平均、月平均、年平均

3

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和多年平均海平面。

[来源：GB/T39624-2020,3.6]

3.8

二级产品level2product

主动激光卫星激光点云数据经卫星定轨、光子点位置解算、地球物理改正后得到的数据产品。

3.9

地球物理校正geophysicalcorrection

校正激光传输过程中大气、地球固体潮、极潮等引起的测距误差。

3.10

潮汐校正oceantidecorrection

将测量时的瞬时海平面校正至平均海平面。

3.11

折射校正refractioncorrection

校正激光在穿过海气界面时因折射率不同引起的测距误差。

4基本要求

4.1大地基准应采用2000国家大地坐标系（CGCS2000）。采用依法批准的相对独立坐标系统时，应与

CGCS2000建立联系。

4.2高程基准应采用1985国家高程基准，如采样其他高程基准，应与1985国家高程基准建立联系，

在远离大陆的岛、礁，其高程基准应给出与当地平均海平面的关系。

4.3深度基准面应采用理论最低潮面，根据需要采用其他基准面的，应给出所采用的基准面与理论最

低潮面以及1985国家高程基准的关系，在远离大陆的岛、礁，其深度基准应给出与当地平均海平面的

关系。

4.4表示海域的图式符号应符合GB12319-2022和GB/T32067-2015的要求。

4.5时间基准应采用公元纪年。

4.6成果的生产、分发和使用应符合保密的相关规定。

5技术流程

主动激光卫星浅水水下地形提取技术流程主要包括数据准备、数据处理、点云校正、精度检验与评

价等内容。具体流程见图1。

4

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主动激光卫星

光子高度直方图DBSCAN算法

海面点云海底点云

水深提取

地球物理校正

折射校正

潮汐校正

水下地形测深产品实测水深数据精度验证

图1主动激光卫星浅水水下地形提取流程图

6数据准备与处理

6.1数据下载与筛选

6.1.1主动激光卫星条带

选择覆盖测量区域的主动激光卫星二级产品。

6.1.2数据筛选

选择二级产品中数据完整、地表特征清晰的条带。

6.2数据处理

6.2.1海面点云提取

统计得到光子高度直方图，采用单高斯函数对直方图进行拟合，当光子高度直方图与单高斯函数之

间误差平方和最小时认为得到最佳拟合结果，即满足下列式子：

(푥―푢)2

―

푦=퐴푒2휎2（1）

式中：

퐴——振幅；

휇——平均值；

휎——方差。

푁2

푒=∑(푦푖―푦푖)（2）

푖=1

式中：

푒——误差平方和；

푦푖——第i个光子高度直方图值；

5

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푦푖——第i个高斯函数拟合值。

提取高度在휇±3휎之间的光子为海面光子点。

6.2.2海底点云提取

提取高度小于휇―3휎的光子，采用DBSCAN密度聚类算法，设定半径푅与半径内最小光子点数푀i

푛푝푡푠,对高度小于휇―3휎的光子遍历，提取半径푅内包含光子点数大于等于푀i푛푝푡푠的光子为海底光子点，

海底光子点间欧氏距离需满足下式：

22

푑=(푥0―푥푖)+(푦0―푦푖)（3）

式中：

푑——光子点间欧氏距离；

푥0——当前光子点沿轨距离；

푥i——遍历光子点沿轨距离；

y0——当前光子点高度；

yi——遍历光子点高度。

6.2.3点云提取结果人工修正

算法提取的点云结果经人工目视解译判别，去除提取错误的点云，得到修正后点云结果。

6.2.4剖面水深计算

遍历海底点云，设定水平阈值푡ℎre푠ℎ표푙푑，在水平阈值内若存在海面点云，剖面水深等于海底点云

与海面点云的高度差值，若不存在，选取最邻近海面点云计算高度差值作为剖面水深。剖面水深计算应

满足下式：

푍ins=퐻푏표푡―퐻푠푢푟（4）

式中：

푍ins——瞬时水深；

퐻푏표푡——海底光子点高度；

퐻푠푢푟——海面光子点高度。

7点云校正

7.1地球物理校正

读取二级产品中地球物理校正变量푔푒표푝ℎ푦푠_푐표푟푟，将点云高度加上地球物理校正变量即可完成地

球物理校正。

7.2折射校正

将经过地球物理压校正后的瞬时剖面水深消除因水气折射率不同导致的距离误差，折射校正模型见

图2：

图2折射校正模型

6

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在折射校正模型中，瞬时海平面被简化为一个平面，对应入射波束的发射高度角휑与入射角휃1重合，

入射波束的发射高度角휑由二级产品文件得到。折射校正如下式：

#푅*n=푆∗푛

푤푎（5）

{#푛푎∗푠푖푛휃1=푛푤∗푠푖푛휃2

푃2=푆2+푅2―2푆푅푐표푠휙（6）

휙=휃1―휃2（7）

P2+S2―R2

cosα=2PS（8）

π

β=2―휃1―훼（9）

ΔZ=P∗sinβ（10）

퐷cor=퐷푖푛푠+ΔZ+푔푒표푝ℎ푦푠_푐표푟푟（11）

式中：

푆——折射校正前光子与区域平均海平面之间距离；

푅——折射校正后光子与区域平均海平面之间距离；

푛푎——大气折射率；

푛푤——水体折射率；

휃1——激光入射角；

휃2——激光出射角；

푃——改正距离；

휙——入射角与出射角之差；

퐷푖푛푠——瞬时水深；

ΔZ——水深折射改正项；

퐷cor——折射改正后水深；

푔푒표푝ℎ푦푠_푐표푟푟——地球物理改正项。

7.3潮汐校正

根据GOT4.10模型计算得到长周期潮汐变量푡푖푑푒_푒푞푢푖푙푖푏푟푖푢푚和短周期潮汐变量푡푖푑푒_ocean，将折射

校正后的瞬时水深转换至平均海平面基准下的水深。潮汐校正如下式：

푍푚푚푠=푍cor―푡푖푑푒_푒푞푢푖푙푖푏푟푖푢푚―푡푖푑푒_ocean（12）

式中：

푍푚푚푠——潮汐校正后转换至平均海平面基准下的水深；

푍——折射校正后瞬时水深；

푡푖푑푒_푒푞푢푖푙푖푏푟푖푢푚——长周期潮汐；

푡푖푑푒_ocean——短周期潮汐。

8成果质量检查

精度评价应采用经过处理的测深数据，主动激光卫星浅水水下地形提取结果进行精度评价。定量评

价指标使用均方根误差（RMSE），平均相对误差（푀RE）。

精度计算应符合以下公式：

2

(푧―푧)

RMSE=∑푛푖푙（13）

푖=1푛

1푛|푧푖―푧푙|

푀푅퐸=∑（14）

푛푖=1푧푖

式中：

RMSE——均方根误差；

푀RE——平均相对误差；

푍푖——主动激光卫星实测水深值；

7

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푍푙——船载声纳实测水深值；

푛——测试样本点数目。

9成果整理与上交

9.1成果提交要求

成果提交应符合以下要求：

a）技术文档齐全、完整，内容真实、表述准确；

b）作业流程、技术资料和成果数据完整，符合质量检查要求。

9.2成果提交内容

成果提交内容主要包括：

a）技术设计书；

b）浅水水下地形剖面水深图；

c）精度评价报告；

d）技术总结；

e）其他相关资料。

A

8

ICS07.040

CCSA77

团体标准

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主动激光卫星浅水水下地形提取技术规范

Technicalspecificationforshallowwaterbathymetryusingactivelasersatellites

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国国际科技促进会  发布

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主动激光卫星浅水水下地形提取技术规范

1范围

本文件给出了主动激光卫星浅水水下地形提取的基本要求、数据准备、数据处理、校正算法、精度

评价、质量控制等说明。

本文件适用于采用光学卫星遥感对深度不超过1倍塞氏盘深度浅水区域进行的水下地形提取作业。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB12319-2022中国海图图式

GB/T14911-2008测绘基本术语

GB/T17501-2017海洋工程地形测量规范

GB/T39624-2020机载激光雷达水下地形测量技术规范

GB/T32067-2015海洋要素图式图例及符号

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

主动激光卫星Activelasersatellite

搭载在航空平台上，集成了单光子激光雷达设备、GNSS和IMU等设备的激光探测和测距系统的卫星。

3.2

水下地形提取underwatertopographyextraction

从主动激光卫星2级产品中经数据处理、点云校正获得沿轨剖面水深数据的过程。

3.3

塞氏盘深度secchidiskdepth

采用塞氏盘测量一种水体透明度的常用方法，该深度表示可见光在水体中的透射深度。

3.4

2000国家大地坐标系ChinaGeodeticCoordinateSystem2000；CGCS2000

采用2000参考椭球，原点在地心的右手地固直角坐标系。Z轴为国际地球旋转局参考极方向，X

轴为国际地球旋转局的参考子午面与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交

坐标系。

[来源：GB/T14911-2008,2.32]

3.5

1985国家高程基准NationalVerticalDatum1985

1987年颁布命名的，采用青岛水准原点和根据由青岛验潮站从1952年到1979年的验潮数据确定的黄

海平均海水面所定义的高程基准，其水准原点的起算高程为72.260m。

3.6

深度基准面depthdatum

海洋测量中深度的起算面，是海图、水深图及各种水深资料所载深度的起算面。

[来源：GB/T17501-2017,3.5]

3.7

平均海平面meansealevel

高程等于海洋水位观测结果平均值的平静的理