海底地形的获取是海洋基础测绘的核心内容之一,对于经济建设、海洋权益维护、国防与科学建设具有十分重要的意义。机载激光雷达测深是一种先进的海底地形探测技术,是目前最重要的海洋测绘技术之一。它具有高精度、高分辨率、灵活机动、快速高效和全覆盖的测深特点。机载激光雷达测深系统包含了GPS、IMU、激光扫描仪和数码相机等设备,是一种主动式遥感技术。激光扫描仪发射高频率的蓝绿脉冲激光穿透水面,通过分析接收到的反射光信号,从而获取高分辨率的水下地形信息。目前,主流的机载激光测深系统大多采用蓝绿/红外双波段激光配置,其中蓝绿波段激光主要用于获取水底地形信息,红外激光基本不能穿透水体而只用于提取水面高程。双波段、大功率激光发射器和多通道、高灵敏度信号接收装置的采用造成了高昂的硬件成本,在很大程度上限制了机载激光测深技术的大规模推广。当前,机载激光测深硬件技术向低成本、小型化发展的趋势,出现了低功率、低信噪比的蓝绿单波段机载激光测深系统。这类设备发射的激光脉冲能量通常比较低,只能穿透10至15米的浅水,但最大可探测深度方面的妥协换来了较高的脉冲发射频率。在相同的飞行条件下,单波段机载激光测深系统获取的水下激光点密度可以达到双波段系统的数倍甚至更多。另一方面,单波段硬件设备的技术劣势也十分明显。由于缺少红外波段,单波段机载激光测深系统只能依赖蓝绿波段激光去获取水面高程。当水深非常浅时,不易从混合波形中检测出水面和水底反射信号,严重影响水深测量的精度。另外,由于单波段硬件系统发射的激光脉冲能量通常比较低,水底反射信号强度较弱而不易与噪声相区分,造成了较低的回波探测率,水底激光点云容易出现明显的数据空洞。与机上信号处理硬件实时检测得到的离散激光点云相比,机载激光波形数据的后处理可以显著提高激光雷达的测距分辨率、测量精度和回波探测率,成为近几年机载激光雷达领域的一个研究热点。目前,已研制成功的各种商业和实验单波段机载激光测深系统全部具有全波形数字化记录的能力,但现有文献仍直接使用硬件系统输出的激光点云数据构建水下数字高程模型,缺少激光波形数据处理方面的研究。本文从单波段机载激光测深系统的数据特点和水下激光传播特性出发,围绕如何提高单波段机载激光测深系统的近岸水深测量精度和数据完整性进行了深入的研究,提出并发展了一系列有效的单波段机载激光雷达测深全波形数据处理方法:(1)针对机载激光雷达系统的测深能力主要受到水体浑浊度影响的问题,以中国南海北部海域为例,研究了该海域水体浑浊度和机载激光雷达测深系统测深能力之间的关系,建立了通过水体漫衰减系数估算机载激光雷达测深系统最大测深空间分布的算法。该算法首先分析并确定了实验区域的漫衰减系数反演算法;其次,运用实验区域实测光学数据建立了漫衰减系数K_d(490)和K_d(532)之间的数值关系;接着总结了K_d(532)和激光测深系统最大可测深度之间的关系;最后运用MODIS数据合成了实验海域的机载激光雷达系统测深能力空间分布图,重点分析了实验海域的最大可测水深分布情况。研究结果为南海北部海域开展机载激光测深作业提供了参考和依据。(2)针对在噪声污染大、水底回波信号微弱和水体衰减程度强等情况下,从机载测深激光全波形数据中提取水底回波信号困难的问题,提出了一种基于多重滤波的噪声回波剔除算法。该算法首先运用理查森-露西反卷积方法算法处理激光全波形数据,获取所有回波,然后利用回波强度大小、回波宽度大小、回波强度-水深物理关系、水底点云空间连续等约束条件,剔除异常水底回波探测值,得到准确的水面及水底回波位置。实验结果表明,该算法能够有效地剔除噪声信号,保留激光射入水中由水底与水面反射所得的回波信号,从而获取较为精准地水深值。(3)针对单波段机载激光雷达测深系统的硬件性能,系统的总结评测了现有的机载激光雷达测深系统全波形数据处理算法,建立了激光雷达测深系统全波形数据处理算法的评价指标和评价流程,分别采用模拟数据和实测数据测试了常用的九种机载激光测深数据处理算法,再用蒙特卡洛方法检测不同参数设置对计算结果的影响,分析了系统硬件参数和观测条件对水深测量精度和数据完整性的影响,以及各类全波形处理算法的适用条件,并根据试验结果对波形处理算法做了进一步的改进和优化。(4)针对传统的模型拟合算法对水体回波拟合效果不佳,且其计算精度和探测成功率较低的问题,提出一种新的基于水体回波指数衰减的四边形拟合算法。该算法用高斯函数拟合水面回波和水底回波,用改进的四边形函数拟合水体回波。通过模拟数据和实测数据分别进行验证,结果表明该算法相比于传统的模型拟合算法(三角形拟合算法和四边形拟合算法)具有更好的拟合效果,同时提高了水深的计算精度,特别是在极浅水域(0-3米)和较深水域(>11米)条件下,具有较低的均方根误差和较高的回波成功探测率,同时该算法产生较少的噪声,且无法识别的回波波形数量最少,并且在不同的水深中都能表现出比较好的拟合优度。