用二维激光扫描仪（LIDAR）监测内部冲浪中的单独波特性

抽象的

本文介绍了使用二维激光扫描仪（LIDAR）的调查，以获得Microotatal海滩内部冲浪和涡旋区域的波浪工艺的测量（扭动，Camargue，法国）。在时间序列上使用方差阈值方法在波形逐行时间内测定床。然后从局部极值分析中检索单个波属性。最后，使用CREST跟踪方法和互相关技术获得单个和平均波冠状物，并与普通波Celerity预测器进行比较。在各个波属性和波谱分析之间发现非常良好的一致性，显示扫描仪在冲浪和旋转区域中使用的施加巨大潜力，以研究波浪逐时秒级的近岸波。

1.介绍

海岸工程中的激光雷达。在过去的30年里，遥感技术在海岸工程中的应用越来越普遍。这些仪器可以提供普通仪器无法达到的时间和空间尺度的测量原位仪器。作为一个例子，视频图像已被用于广泛的应用：来自碱化的反演[1]沿岸水流运动变异性[2］．

由于远程传感器是非侵入式仪器，它们的优势是易于和安全地部署在现有的海滨结构或专门安装的塔上。此外，地面激光雷达扫描仪(TLS)等仪器可以直接测量波的剖面，并随后提取波的特性(如波高和周期)。这是与其他遥感技术(如视频或雷达)相比的一个重要优势，这些技术能够覆盖大范围，但不能直接获得波动特性。此外，单一TLS在多个位置获取数据的能力提供了显著的优势原位传感器如压力传感器，通常用于冲浪区域研究，但仅提供点测量。

第一个使用TL学习波条工艺的据报道的实验是爱尔兰等人。[3.]，在码头上安装了一个4调位器激光器。将使用扫描仪获得的定向波谱与来自浸没的波形仪相比，显示出良好的一致性。

最近，进行了几次尝试研究波传播或测量波断路器高度。Harry等人。[4]研究了3D TLS捕捉冲浪带水面的潜力。尽管成功地捕获了波浪剖面，但由于在波峰传播过程中引入了沿岸时移，扫描器在三维空间上花费的时间是一个主要缺点。他们的结论是2D TLS可能是更好的选择。Park等[5还使用了3D TL来测量断路器高度。他们将扫描仪数据与视觉测量与垂直员工进行比较，并在26个测量的波上获得了相对较好的一致性，具有5cm的根均线误差（RMSE）。通过将摄像机和3D TLS的使用相结合，在Wübbold等人的情况下，还可以通过组合使用视频摄像机和3D TLS来实现单独的波高和圆锥体测量。[6］．有趣的是，该技术使得在波峰的几个沿岸点的测量，允许波动传播的二维描述。

通过Blenkinsopp等人使用固定的2D TLS仪器获得了旋转扫描区域数据。[10.，brodie等。[11.]和Almeida等人。[12.]，谁展示了仪器以高精度测量扫掠水力和形态学性的能力。wübbold等人的方法。[6vousdoukas等人也使用。[13.在实验室条件下测量一个接一个波的冲刷带事件。总的来说，人们发现这种仪器的精度低于以前用于进行这种冲刷测量的超声波高度计;然而，与其他遥感器相比，由于高空间分辨率和小测量足迹，该仪器能够捕获小尺度特征，使其成为海岸研究的强大工具。

二维激光雷达用于波浪过程研究的已知缺陷。之前的学习 [10.，14.已经表明，激光器需要充气和湍流水表面足够地散布以使仪器能够检测。而在实验室中，这可以通过添加微粒来增加水浊度来实现[15.]，这在该领域不可行。

幸运的是，当波浪条件足够强时(波浪破碎发生)，冲浪和冲浪区是非常动态的，并以高水平的湍流和曝气为特征，这导致足够的散射，以一致检测自由表面高度。

环境条件(光度、空气湿度和风)也对扫描仪的测量有影响。虽然数据中以噪声或峰值为特征的湿度或水滴的影响可以被纠正，但在大风条件下，TLS可能变得太不稳定，数据无法使用。实际上，虽然仪器的精度通常是毫米量级的，但仪器微小振荡引起的误差会随着距离仪器的距离而增加，并可能导致厘米量级的测量误差。

2.实验设置

2.1。网站位置：扭矩

本文描述的实验从2014年11月到2015年2月在位于法国南部地中海的卡马格鲁斯蒂海滩完成。实验的总体目的是研究波浪场、地下水位动力学和海滩形态动力学之间的耦合关系。测试分为两个不同阶段:为期10天的短期测试阶段和为期3个月的高频测试阶段。

该网站展示了Camargue国家公园的典型形态学特征[16.，17.］．尽管处于微潮环境(潮汐范围~0.4 m)，这部分海岸线呈现出非常动态的海滩/沙丘形态。这一地区经常受到季节性风暴的影响，伴随而来的风暴潮淹没了卡马尔格海滩的低洼地区[16.］．该地区也暴露于非常强大的陆上风力发作（Mistral），这导致Aeolian运输导致巨大的沙子损失[18.］．

实验的高频部分从2014年12月8日至18日（10天）发生。在此期间，除了固定在海岸线的4.8米高塔顶部的激光扫描仪之外，还将15个埋地压力传感器部署在大约60米的埋地位于约60米。见图1．两组仪器都由放置在支架结构上的计算机记录，支架距离扫描仪陆地方向16米。

２.２.仪表

在本节中，将只描述扫描仪仪器，因为这篇文章集中在一个商业二维扫描仪的能力内冲浪和浪涌区域的研究。在Rousty实验中，使用的TLS是SICK公司生产的商用LMS511激光测量系统。这种测距装置使用飞行时间法:两个物体之间的距离是用对眼睛安全的脉冲光束所需的时间来计算的(Nm)，从目标反射后检测。该仪器与Blenkinsopp等人使用的类似[10.]就其功能和规范而言。

TLS的范围为65米和190°的视野，角度分辨率为0.1667°，可以以25 Hz的样品速率进行采样[19.］．通过这种采样率，每个空间测量位置每秒测量25次，因此仪器每秒提供总共28500个测量点。在实验期间，围绕着一个4.8米高的塔架围绕着扫描仪安装扫描仪的横线位置，并且从该位置均可在整个海滩型材上获得测量并进入内部冲浪区（大约30％的冲浪区被覆盖在目前的数据集中）。可以在图中观察到高频实验设置的示意图2．

对于扭矩下的实验设置并使用0.1667°的角度分辨率，测量点之间的距离在Nadir点（Zero Grazing Angle）的0.014米处变化至0.25米，在最海鲜有效测量位置（图3.)．这种空间分辨率允许检测小波形特征的瞬时形状，这是最常规的，诸如压力传感器或波形仪等的最常规的点测量仪器无法做到的。制造商提供的系统误差和光斑直径[19.]也显示在同一个图中。系统误差自然增加随着光斑直径的增加和发展而增加扫描仪中的1到10米到M在10到20 M之间。

作为激光束和目标之间的放牧角度降低（， 数字2)，则被水面反射回扫描仪的信号会变弱。虽然相对于仪器而言，井眼前缘的法向面更加明显，但信号并不总是从更水平的面(如波谷)返回，这导致当我们移动到海上时，数据集中的间隙越来越大。因此，相对于TLS的跨岸位置为−20 m，作为数据集的向海范围，用于提取波浪特性。如果我们考虑一个平面，在这个特定的扫描器模型下，允许高质量数据的最小入射角约为13.5°。然而，需要注意的是，由于仍然可以从离岸更远的地方跟踪波峰，钻孔速度相对于TLS计算为- 22米，如本节所述4．

3.方法论

３.１.预处理

在分析数据集之前，以研究内部冲浪和旋转区域中的波形特性，需要预处理。如在Almeida等人。[12.[2014年12月18日）的数据集（2014年12月18日）的同一天进行了一项海滩调查，用于找到相对于交叉岸上的仪器方向。从该分析可以从扫描仪 - 质心坐标系到跨岸坐标系的数据转换。这导致两个数组和含有相对于扫描仪的交叉座位和高度。

DataSet被抑制减少测量和环境影响的噪音，例如飞溅或通过TLS的人们的视野。使用两个连续点之间的梯度阈值来实现时间序列。然后减少随机噪声，使用移动窗口方法（0.2 s）并在空间内插件到常规交叉岸网格（m）。

3.2。床提取

由于仪器简单地测量到最近目标的距离，因此在介质上没有区别，例如水或砂。由于扫描仪在旋转扫描区域中的位置，其交替地干燥和淹没，数据处理中的一个重要步骤是将水信号与床分离。本研究用来提取床的方法遵循Almeida等人的作品。[12.］．

Almeida等。[12.]在常规网格上的每一点上计算4秒窗口的时间序列方差。该方法依赖于当目标是暴露的床时的时间序列方差远小于来自移动水表面的事实。因此，通过在每个交叉岸位置定义经验阈值，可以提取与固定式干燥的床相对应的数据。通过定义水深标准（本研究中的0.015米）可以将原始时间序列分开成单独的“床”和“湿”时间序列。这种水深标准确保了测量中的噪声（订单的噪声 (mm)) is not interpreted as “wet” data.

通过在时间内插入提取的床点，可以在每次步骤中获得海滩轮廓。这使得能够在几百个点和单个波的时刻监测床形态。来自该提取的结果的一个例子如图所示4，可以观察到Accretionary和侵蚀扫描事件m。

3.3。波属性提取

为了获得网格上的每个点处的单独波特性，在表面升高时间序列上进行局部最大值分析以检测波峰。通过Power等人的先前冲浪区研究已经使用该技术。[20.或花椰菜和花椰菜[21.因为它对低频运动不敏感，与最常见的方法不同，如零倒道，其限定相对于瞬时自由表面高度和平均海平面之间的相交的波浪。当研究冲浪区，特别是低频运动的内部冲浪可能是主导的，这方面变得至关重要，因为波峰和槽都可以在定义的平均水位下方/上方。这是图中所示的5．

随着在相同位置的波浪在相同位置的波峰之间经过的时间在两个波峰和波峰之间经过的时间，波谷被定义为达到的最小值。应用过滤器来删除错误的检测，通过限制2个波峰之间的时间（用于本研究2秒）。波高度被定义为波峰和槽升高之间的高度差异。在Power等人的符号之后提取了另外两种参数。[20.]：波浪周期平均平均水深(两个波峰前后的槽之间的平均表面高程)和为槽深。它们被用来分析单个波浪的速度和波高水深比，．

3．4．波逆

为了计算波冠状动脉，已经使用了两种不同的方法。第一个是在本研究的范围内开发的，并且基于简单的CREST跟踪技术，允许估计单个波形人。第二种时间序列之间的互相关来计算Time序列长度的平均波冠状物，后面的Timsier等。[24.］．

在交叉岸位置之间每1米计算单个波冠状物和M使用跟踪算法。该算法首先通过人工选择跨岸位置的波浪来实现M，并存储相应的时间指标。在下一个位置(m），在该时间索引被假定在该时间索引之后的第一个检测到的峰值是相同的波。相同的方法用于跟踪波线直到M，每次索引都被存储。波浪在跨岸位置时的速度然后定义为两个相邻测量点之间的距离的比率和（2米）和波浪嵴在这两个位置之间经过的时间。

由于跟踪算法的简单性和由内部冲浪内叠加多波的叠加引起的困难，在所有检测到的波峰上进行仔细的视觉检查。只选择了没有与其他冠状有明显的视觉波浪相互作用的波。对于目前的研究，这仍然能够检测275波，因此超过3000个单独的波二圈。上述过程在图中为4分钟5（a），在此时间窗口的选定波以橙色显示。

按照Tissier等人的方法计算平均波冠状物。[24.］．从两个跨岸地点(相隔2米)计算两个10分钟时间序列之间的互相关。两个时间序列之间的最大相关性是地表高程特征之间的平均时延。物理上，它代表了时间序列中平均波速的估计。

使用这两个不同的方法来估计波强度在几个方面有趣。TLS数据打开了在浅水中检测到海岸线的浅水中的波圈和几何形状，没有测量的任何数学变换（例如，在Almar等人中的氡变换。[25.])。与Tissier等人研究的数据集相比，目前的数据集对应的是较浅的水域。24.];因此，可以将波形和圆锥度之间的关系更接近海岸线。此外，各个冠心子的估计将提供更多地洞察这些值的分散。

4.结果

4.1。床监测

按照本节介绍的方法3.1，利用床的时间序列监测床的形态。通过在每个时间步从测量剖面中减去初始滩面剖面，就可以观察到测量期间的侵蚀/加积模式。图中给出了一个例子6在12月13日至14日(连续30小时)的窗口平均后(15秒窗口)，每分钟显示侵蚀/增生模式。这与10天实验中能量最旺盛的时期相对应(能量高峰在12月13日下午13点左右)。

海上波条条件是由浮标（Derema / Dreal Languedoc Roussillon提供的数据）测量的浮标，位于拉斯蒂海滩以西40公里，停泊在30米的水深。测量的显着波高和峰值和平均光谱周期如图所示6（a）和6（b）,分别。平均水位由位于Fos-sur-Mer港(鲁斯蒂以东20公里，由REFMAR/SHOM提供数据)的潮汐计获得。有趣的是，即使在这种微潮环境中(13日12:55 pm、1日1:25 pm和14日1:35 pm的高潮)，我们也可以观察到潮汐的影响。除了对平均海平面的直接影响外，这些振荡的一个重要原因被认为是在这个低坡度的棒状海滩上涨潮时能量耗散较弱[26.］．在这场风暴事件的第一部分（12月13日上午9点至下午6点），斜泥区轮廓平坦，经历了最强烈的侵蚀（〜0.15米）之间和当环境变得温和时，有证据表明在周围修建了护堤m以约10 mm / hr的速率。这种屠宰场仍然存在，直到实验结束，根据离岸条件而发展陡峭。

4.2。验证提取的波逐波属性

将基于极值分析提取波属性的方法与经典光谱分析进行了比较（图7)．显着的波长通过在15分钟的时间序列之间进行快速傅里叶变换计算，在0.05Hz和0.5Hz之间的截止频率之间。被比较了1/3最高波的平均提取波高度从截面中描述的逐个波浪分析3.3，在同一时期。平均提取单独的波段与平均波浪相比，这是质心频率的倒数，在哪里是个定义为的光谱力矩 和功率密度谱。

在同一时间段内绘制平均水深，和在所有水深显示非常好的协议（图7(一)），验证基于局部极值分析的提取方法。统计（）和光谱（）发现显着的波浪高度略微散射并随着平均水深（)．尽管当在内部冲浪中发现饱和条件时，通常会观察到这种深度依赖性[27.[相对较短的数据集（2H30）和一致的离岸条件不允许此类陈述。此外，发现波在两个海滩条之间停止破碎和改革，与不饱和条件一致[28.］．

与平均值相比，测量的单独波高度显示出相当多的散射;见图8(一个)．这种分散由两个主要因素解释：InfraTravity Motions的影响和高频波的存在增加或降低波槽高度。当然，它在各个波高度的水深比中也可见(图8 (b)），它显示了随着波接近海岸线的增加值，以前由Sénéchal等人观察到的东西。[29.]和Power等人。[20.］．特别是观察到的个体值显示在数值模型中为此参数选择恒定值的不恰当性。最后，个人与之前的两项研究相比，在更接近海岸线处得到的值似乎与用平均值得到的线拟合一致Power等人的值[20.］．

之间的比较和(图7 (b)）也显示有趣的结果。虽然，对于考虑最深的水域（m），平均提取的单独波周期是一致的，当我们靠近海岸线时，这两个值的差值随水深的减小而增大。这一分析在一定程度上支持了Raubenheimer等人提出的使用质心频率来定义内浪的特征周期的想法[23.]和sénéchal等。[29.］．

4.3。特征期对的影响参数化

为了进一步比较特征波周期，平均显着波高和水深之间的比率指出已被绘制反对，这表示水深在波长上的分数变化。在这个表达式中，表示床坡，波数是根据估计的平均速度和特征周期计算出来的同一时期的平均水深。

进行了两次不同的比较(使用与Section相同的类型学)4.2）：（1）比较如图所示9(一个)使用为了和获得．（2）比较如图所示9（b）使用为了和获得．对于两个比较，在介于两者之间发现了强烈的线性依赖和．对于更深的水，使用两个不同的频率截止值，Raubenheimer等。[23.]和sénéchal等。[22.]发现了类似的线性关系，但具有不同的系数。对于目前的数据集和派生，通过Sénéchal等人获得的线性配合，发现了一个很好的匹配。[22.] 什么时候．对于更大的价值，与Sénéchal等人相比的值较低。[22.使用平均提取的波段获得，而那个使用仍然与线性拟合匹配。这个限制值对应于临界深度不匹配更多（图7 (b))．

值得注意的是，三个比较数据集使用不同的频率截止值(为Raubenheimer等人[23.]，Sénéchal等[22.]， 和为本研究)。除了Raubenheimer等人使用的低得多的高频截止的影响[23.]，尚不清楚为什么目前的数据集显示出比Raubenheimer等人更高的值。[23.]，但与Sénéchal等人的匹配。[22.］．最后，必须指出的是，本研究中提出的数据集包含比前两项研究中考虑的深度较浅的深度。例如，最高值以前的研究考虑为0.25，而当前工作约为1.75。

4.4。波逆

将个体波二圈与在表中总结的先前开发的预测因子进行了比较1．在不同的配方中，，， 一个分别是平均水深，嵴高度和槽高。Catálan和Haller提供了更完整的这些预测因子介绍[30.他将更广泛的速度预测器与实验室实验视频图像所获得的测量值进行了比较。

在这项工作之前，只发表了一些研究，并在冲浪区中的个体破碎波圆圈的测量上公布。Yoo等人使用了视频摄像机数据上的氡变换。[31Almar等人。[32]来跟踪波峰，而Tissier等人[33]为此使用了大量的测波仪。此外，花椰菜和西兰花[21.[通过校正通过互相关方法获得的平均圆锥度来计算单独的破波冠状虫[24.]对于每个检测到的波。而tiserier等。[24.与伯内顿达成了更好的一致[9使用平均速度和来自Postacchini和Brocchini的个人速度的预测器[21.]发现这项研究更好地匹配孤独的波理论圆圈;见图10（a）．

与Tissier等人的研究相反[24.]其数据集中在外宇宙区中，本研究使用来自内部冲浪到斜扫区域的数据。特别地，这使得使用互相关方法的波形冠状物方面使一个人能够更接近两个区域之间的边界。这是图中所示的10（b），其中10分钟的平均矩形绘制在相应的平均水深。

水深在0.2和0.4米之间，平均的圆锥同时显示与改性的浅水波预测器良好的一致性，尽管它们略微低估了。这与图中的结果一致10（a）．实际上，修改的浅水波预测器对应于具有恒定波高的孤立波预测器与水深比．因此，尽管在使用各个赛人时，尽管不显着散乱（由Postacchini和Brocchini显示[21.[未在本研究中所示），改性浅水预测器提供了良好的估计，对海的平均波冠状物的良好估计m，对应在这个研究中;见图8 (b)．有趣的是，对于深度的深度，平均的圆锥花卉仍然略有持续减少，最终在海岸线位置呈现更广泛的价值范围（1.3米·s^-1<<2.2 m·s^-1)．这种平均值的分散意味着在冲浪-冲浪边界上个体速度的范围更大，这可以用冲浪和冲浪过程之间的相互作用来解释。

结论

在这项研究中，提出了一种方法来监测海滩形态和个别波浪特征使用岸上安装二维商业激光扫描仪。本次调查的结论可以总结为以下几点:(我)激光扫描仪可用于测量内部冲浪和涡旋区中的时变水表面轮廓，从而能够在波形波和时间平均基础上研究波传播。（ii）单个波的特性(，)可以通过对测量的时间序列进行极值分析来提取。提取的波高与光谱分析结果吻合较好。在此条件下，由质心频率导出的波周期可作为0.2 m以下水深的特征波周期。这一变化在浪涌/内浪涌边界处发生的原因还需要进一步的研究。(3) 被发现是线性依赖的．此外，目前的数据集似乎匹配Sénéchal等人。[22.，表示的值低于0.5。对于更高的值，观察到差异，并且是由于观察到的差异和．（iv）利用简单的波峰跟踪方法估计了单个波的速度。与各种预测方法的比较表明，孤立波理论与现有数据集的一致性最好。然而，在这里所调查的浅水深度中，这些值表现出相当大的变异性。（v）还使用互相关技术计算10分钟的平均波冠状度。这些值与深度大于0.2米的深度改进的浅水预测器吻合良好，随着水深降低落地而变得几乎是恒定的。这种临界深度也对应于该临界深度和开始显示差异。由于Celerity是波浪时期的函数，因此两个事实可能是物理相关联的。这将是进一步调查的主题，因为它可以将新的洞察力带入冲浪斜跨界的条件。

附录

统计参数

不同的统计参数（根均方误差，散射索引和相关系数指出）在本研究中使用的）在本研究中定义。如果我们表示两个比较的序列和，它们定义如下：

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项工作得到了EPSRC的支持。这三个匿名审查员非常承认他们对论文的建设性评论。Cerema / Dreal Languedoc Roussillon和Refmar / Shom分别感谢分别提供海上波浮标和潮汐仪表数据。涉及该项目的研究人员，达米恩萨（MIO），FrédéricBouchette（Géosciences蒙彼利埃），弗兰索斯·萨巴德（Géoscients），SamuelMeulé（SamuelMeulé（Satege），Lise Petitjean（博士学员，Mio和Géosciences蒙彼利埃），以及其他博士学生们非常承认参与这一大规模实验的邀请。用于校准激光雷达的调查数据也非常感谢。

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