基于機(jī)載激光雷達(dá)的灘涂測繪關(guān)鍵技術(shù)研究

張榮華，林 昀

（寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波315042）

灘涂資源是重要的后備土地資源，具有面積大、分布集中、區(qū)位條件好、農(nóng)牧漁業(yè)綜合開發(fā)潛力大的特點(diǎn)，隨著海洋建設(shè)的發(fā)展，準(zhǔn)確掌握灘涂資源和海岸帶狀資源的現(xiàn)狀和變遷狀況十分迫切和重要。因此，灘涂測繪所采用的方法需具備精度高、周期短等特點(diǎn)。

機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，Li DAR）技術(shù)，自20世紀(jì)60年代以來，已有40余年的發(fā)展歷史。國內(nèi)外對激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟，廣泛應(yīng)用于森林調(diào)查、資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、防震減災(zāi)、測繪和軍事等方面。本文通過機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取海岸灘涂的地形地貌與3 D產(chǎn)品，從而快速重構(gòu)地表三維仿真模型，結(jié)合GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與對象描述能力，適應(yīng)寧波灘涂測繪的精度要求，實現(xiàn)快速高效的灘涂資源管理［1－2］。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1．1 灘涂測繪面臨的問題

寧波市大陸海岸線涉及海洋和陸地面積總計3 500 k m2以上，海岸帶灘涂資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?，因此，開展灘涂測繪具有重要意義。傳統(tǒng)航空攝影測量與遙感手段需要密集布設(shè)像控點(diǎn)，但因灘涂內(nèi)部難以到達(dá)而無法布置長期有效的地面控制點(diǎn)，且該方式對地表落水和紋理特征有一定要求，水域與灘涂接合部分不易分辨；同時，項目時間緊、任務(wù)急、范圍大，傳統(tǒng)方法在航飛作業(yè)和數(shù)據(jù)生產(chǎn)時間上難以滿足要求，成果精度相對較低，與水下地形測量成果接邊也比較困難。

因此，需要引入更加有效的測繪方式來完成灘涂測繪工作。機(jī)載激光雷達(dá)是一種全三維測量模式，集成機(jī)載GPS、I MU、激光掃描儀、可量測數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，配合地面基站，就能完成大區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)采集，且只需要少量地面控制點(diǎn)，采集精度高、效率快、后續(xù)處理相對簡單，自動化程度高，節(jié)省大量人工作業(yè)時間。

1．2 技術(shù)路線研究

該項目的作業(yè)流程可以分為3個階段：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和產(chǎn)品制作，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集主要是航飛獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程，包括設(shè)備安裝調(diào)試、檢校場選擇和布設(shè)、航線設(shè)計、外業(yè)GPS基站布設(shè)、外業(yè)航飛采集、數(shù)據(jù)整理與質(zhì)量檢查等內(nèi)容。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將航飛過程中獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和I MU數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計算獲取差分GPS和I MU的聯(lián)合定位定向數(shù)據(jù)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波去除噪聲、實施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。

產(chǎn)品制作主要包含DEM、DOM和DLG等產(chǎn)品的制作，此外，還可以此為基礎(chǔ)，針對需要制作地表、地貌和地物的三維模型，作為GIS管理平臺的空間信息數(shù)據(jù)源。

圖1 技術(shù)路線圖

2 激光雷達(dá)灘涂測繪應(yīng)用

2．1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，依據(jù)灘涂測量工作的實際需求，將激光雷達(dá)設(shè)備搭載于小型載人飛機(jī)上。在航飛前根據(jù)海岸線的走向設(shè)計航飛路線和航高，避免因高程起伏過大導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失或點(diǎn)云密度差異過大；同時，在每架次飛行線路附近10～30 k m2區(qū)域內(nèi)的已知高等級控制點(diǎn)上均勻設(shè)置1～3個GPS基站，以便航飛時同步觀測［3］。航飛作業(yè)必須在符合要求的潮位條件下進(jìn)行，保證灘涂暴露面積為最大。

2．2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對航飛過程中隨激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)同步采集的GPS數(shù)據(jù)、I MU數(shù)據(jù)和系統(tǒng)所提供的各類參數(shù)等進(jìn)行聯(lián)合解算，獲取每一個激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)和每張影像粗略的外方位元素。進(jìn)行空間糾正解算后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)可以分辨出大量地物。根據(jù)成果要求可轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系或CGCS2000國家坐標(biāo)系。此外，因激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量很大，需要對其進(jìn)行分割處理，以適應(yīng)后續(xù)產(chǎn)品制作。

2．3 點(diǎn)云分類與DEM提取

根據(jù)灘涂測量的需求，將激光點(diǎn)云按地面、建筑物、植被、水體、航帶重疊點(diǎn)等類別完成分類，分類流程如圖2所示。分類過程中，對于難以自動識別的地物，需人工提取；水體一般無激光回波，但也存在渾濁水體稀疏回波現(xiàn)象，需要結(jié)合影像和周圍地形判斷；航帶重疊點(diǎn)可自動濾除。地面點(diǎn)和建筑物是分類重點(diǎn)，需要自動和人工方法結(jié)合進(jìn)行精細(xì)分類，確保產(chǎn)品精度。

圖2 激光點(diǎn)云自動分類流程

自動分類后的數(shù)據(jù)可以獲得大致的地形地貌，但結(jié)果往往不能完全滿足生產(chǎn)的要求，主要是一些植被點(diǎn)和建筑物點(diǎn)被分類為地面點(diǎn)，一些小的地形不連續(xù)部分被平滑或去掉，需要利用TIN構(gòu)網(wǎng)的方式人工除去噪聲點(diǎn)。成功分離出的地表點(diǎn)云經(jīng)過格網(wǎng)內(nèi)插后即為高精度的DEM（見圖3）。

圖3 DEM（DSM）成果

2．4 DOM、DLG生產(chǎn)

對于DOM的生產(chǎn)，以數(shù)據(jù)預(yù)處理中得到的影像外方位元素為初值，以單幅相鄰影像的同名點(diǎn)為已知值，通過光束法平差，最終得到修正后的影像外方位元素；在影像拼接線兩側(cè)尋找合理的勻光點(diǎn)，并調(diào)整拼接線走向，保證影像圖面質(zhì)量。結(jié)合已經(jīng)生成的DEM，可以獲得高分辨正射影像（見圖4）。同時利用DEM可以自動生成灘涂區(qū)域的等高線，并插入高程注記點(diǎn)。

圖4 正射影像成果

對于DLG，將DOM以及對應(yīng)經(jīng)濾波、粗差剔除后的地面點(diǎn)云到相應(yīng)成圖軟件中，設(shè)置比例尺，對不同地物進(jìn)行分類分層矢量化，并對建筑物進(jìn)行校正，完成DLG的繪制。

2．5 三維GIS系統(tǒng)集成

為了進(jìn)行三維可視化的灘涂資源管理，可在三維GIS平臺中導(dǎo)入灘涂測繪成果——DOM 和DEM，并以機(jī)載激光點(diǎn)云及相應(yīng)測繪成果并使用相應(yīng)的影像提供的紋理，構(gòu)建地物真實三維模型，且一同導(dǎo)入平臺中，最終形成灘涂三維可視化管理平臺（見圖5）。

圖5 三維可視化平臺中的空間構(gòu)建

目前該平臺已順利投入到當(dāng)?shù)睾Ｑ笈c漁業(yè)部門的規(guī)劃管理、防臺抗災(zāi)、漁船監(jiān)控救援等工作中，已取得良好的效果。

3 結(jié)束語

本文針對目前正在開展的海岸線灘涂測繪工作提出了新的作業(yè)方案，將目前流行的激光雷達(dá)技術(shù)和三維GIS平臺引入灘涂測繪地理信息領(lǐng)域。成熟、可靠、高精度、高密度的激光雷達(dá)測量技術(shù)為實現(xiàn)獲取地表高精度三維信息，快速提取灘涂及其周邊地物提供了保障，并且較大程度地降低了測繪部門的經(jīng)費(fèi)預(yù)算，減輕勞動強(qiáng)度，節(jié)約作業(yè)時間，提高工作效率，并可在此基礎(chǔ)上全面建設(shè)三維可視化海岸線灘涂管理平臺，為海岸灘涂資源的合理開發(fā)利用提供測繪保障。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)必將在海洋測繪領(lǐng)域逐漸普及，并發(fā)揮越來越重要的作用。

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