基于激光雷达点波的海浪特征分析：一种面向海洋工程与环境监测的高精度波谱与方向谱提取框架

《Ocean Engineering》：Wave characteristics analysis by LiDAR point cloud

本文系统构建了基于机载激光雷达（LiDAR）点云数据的海浪特征分析框架，通过自适应半径（0.8–2.4 m）圆形采样区域和三种曲面拟合方法（平面、抛物面、立方曲面）重建局域波面，采用Welch法、多锥形法（MTM）和参数化自回归（AR）法进行波谱分析，并利用扩展最大熵原理（EMEP）估计方向谱。研究表明，MTM在0.04–1 Hz频段噪声抑制与分辨率平衡最佳，EMEP可有效捕捉多峰能量分布及涌浪-风浪主导转换，为海岸工程动态监测提供了可靠技术支撑。

　　

章节精选

多波束机载激光雷达数据采集

本研究采用工作波长为905 nm的机械式激光雷达系统。传感器配备32对激光发射-接收模块，由5 Hz转速电机驱动，可从不同高度对海面进行360°全景扫描。系统采用单回波模式和飞行时间（ToF）测距原理，每秒采集128万个点，并保持稳定的数据连接。

数据预处理

本研究以激光雷达水平位置为中心（0, 0），分析半径范围为0.4 m ≤ R ≤ 2.4 m，半径间隔为0.2 m。

本文分析采用多组雷达点云图像。每组包含5000至9000（N_T）帧激光雷达点云图像，每帧采样时间为0.1秒，对应每组数据集分析时长约500–900秒。由于水面反射率的动态变化...

三维波面重构

由于激光雷达点云数据集中分布于图1所示的弧形区域，其他区域数据稀疏，本研究选择x ∈ [?2 m, 2 m]和y ∈ [?10 m, 10 m]的矩形域作为点云提取和后续波面重构的兴趣区域（见表1）。本节通过最小二乘法估计波面表达式中的振幅参数，实现三维波面重构。

结论与讨论

本研究建立了一套全面的基于激光雷达的海浪场特征分析框架，重点在于精确捕捉波谱和方向特征以支持海洋工程应用。利用平潭岛东部海域的现场测量数据，研究实现了从数据采集、预处理到表面重构、频谱分析和方向特征提取的完整工作流程。为减轻...