機(jī)載LiDAR在江門(mén)市銀洲湖海岸帶地形測(cè)繪中的應(yīng)用

文珍彬+何澤良

摘 要：機(jī)載LiDAR具有全天候、大范圍、穿透力強(qiáng)、快速直接獲取地表三維坐標(biāo)的特點(diǎn)，很好地解決了海岸帶范圍人工難以開(kāi)展實(shí)地測(cè)量的難題。本項(xiàng)目利用機(jī)載LiDAR結(jié)合高精度航空影像制作了江門(mén)市銀洲湖海岸帶1∶2000地形圖。

關(guān)鍵詞：機(jī)載LiDAR 海岸帶 激光點(diǎn)云 地形圖

中圖分類號(hào)：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（c）-0105-02

海岸帶是海洋與陸地之間的過(guò)渡地帶，受海洋系統(tǒng)和陸地系統(tǒng)的相互作用，隨著海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的日益拓展以及海域、海岸資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度和密度的進(jìn)一步加大，對(duì)海岸帶區(qū)域的變化監(jiān)測(cè)已顯得尤為重要[1]。海岸帶區(qū)域由于地形復(fù)雜，分布有基巖、灘涂、紅樹(shù)林及沙灘等，許多區(qū)域難以進(jìn)人開(kāi)展控制點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量；這種難以施測(cè)的問(wèn)題同時(shí)也造成了灘涂海岸地區(qū)測(cè)量精度低下，采用實(shí)地測(cè)量方式具有施測(cè)周期長(zhǎng)、工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題[2]。應(yīng)用機(jī)載LiDAR進(jìn)行海岸帶地形測(cè)繪具有大范圍、低成本、周期短、精度高、能有效祛除植被的特點(diǎn)[3]。

機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，LiDAR）集成了激光測(cè)系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）與慣性測(cè)量系統(tǒng)（Inertial Measurement Unit，IMU）集高分辨率航空數(shù)碼相機(jī)技術(shù)于一體的空間測(cè)量技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取地表三維空間信息。它具有較強(qiáng)的植被穿透性、更短的作業(yè)周期以及更低的生產(chǎn)成本；將獲取的LiDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理與編輯，最終能得到測(cè)區(qū)的DSM、DEM、DOM、DLG等地形圖產(chǎn)品，基于這些特點(diǎn)，它在城市三維建模、資源勘察、森林調(diào)查、地形測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海島海岸帶調(diào)查等方面的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1 測(cè)區(qū)范圍及實(shí)施過(guò)程

1.1 測(cè)區(qū)范圍

新會(huì)港至銀湖灣沿岸，測(cè)繪岸線（潮間帶）200m范圍，測(cè)區(qū)岸線長(zhǎng)約80km，由于該區(qū)域岸線主要以人工堤岸為主，岸線位置界定在堤岸坡頂外緣線，向海一側(cè)獲取0.5m分辨率DOM、DEM以1∶2000地形圖（DLG），成果坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS-84、CGCS2000，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

1.2 實(shí)施過(guò)程

本次項(xiàng)目采用機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）掃描技術(shù)，航飛平臺(tái)為運(yùn)-5飛機(jī)，設(shè)備為美國(guó)天寶公司的Harrier68i系統(tǒng)。數(shù)碼相機(jī)為Rollei Metric AIC Pro65；慣導(dǎo)系統(tǒng)型號(hào)為Applanix POS/AV 系列，采樣頻率200Hz；激光掃描儀的型號(hào)為Riegl LMS-Q680i，最大脈沖頻率400kHz，掃描角度45°/60°，相對(duì)航高H為1200m，航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%，Lidar數(shù)據(jù)點(diǎn)密度1.72點(diǎn)/m2，測(cè)區(qū)范圍共布設(shè)12條航線。

（1）地面參考站布設(shè)。本次航飛測(cè)量共布設(shè)了7個(gè)四級(jí)GPS點(diǎn)作為地面參考站點(diǎn)。地面靜態(tài)基站設(shè)備使用天寶5700和天寶5800雙頻GPS接收機(jī)，采用地面靜態(tài)基站模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為1s。

（2）參考面布設(shè)。參考面布設(shè)是為了糾正激光點(diǎn)的平面和高程數(shù)據(jù)，平面主要采集公路斑馬線或球場(chǎng)角等地面上的明顯分界線，高程主要采集比較平整的堅(jiān)硬地面、球場(chǎng)硬化平整區(qū)域等，通過(guò)參考面區(qū)域的平面和高程對(duì)比糾正，求出測(cè)區(qū)的改正參數(shù)，可以糾正測(cè)區(qū)的激光點(diǎn)平面及高程數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)處理的精度，消除系統(tǒng)誤差，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)測(cè)量部分高程和平面參考數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目共做了8個(gè)參考面。

（3）參考面測(cè)量。參考面平面和高程都采用GPS-RTK，平面測(cè)量主要采集路邊線和有規(guī)則的房屋等，每處一般為20個(gè)，總點(diǎn)數(shù)不少于10個(gè)。參考面高程測(cè)量選在比較平整的堅(jiān)硬地面，旁邊無(wú)障礙物阻擋。采集高程數(shù)據(jù)點(diǎn)間距為1～2m，總點(diǎn)數(shù)不少于20個(gè)。

2 LiDAR及原始影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

LiDAR數(shù)據(jù)主要采用TOPPIT軟件處理，POS數(shù)據(jù)采用POSPAC軟件處理，影像數(shù)據(jù)采用INPHO_orthovista軟件處理。（1）導(dǎo)航文件制作：利用POS姿態(tài)數(shù)據(jù)與地面GPS基站數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件，處理過(guò)程中要查看導(dǎo)航數(shù)據(jù)的起止時(shí)間是否與實(shí)際飛行時(shí)間匹配，飛行軌跡是否完整，無(wú)中斷；導(dǎo)航數(shù)據(jù)精度指標(biāo)是否滿足要求，注意查看衛(wèi)星質(zhì)量圖。（2）控制文件制作：檢查航帶是否存在漏飛現(xiàn)象的同時(shí)通過(guò)覆蓋數(shù)據(jù)范圍制作控制文件，檢查激光數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)是否覆蓋了整個(gè)測(cè)區(qū)范圍，是否有數(shù)據(jù)漏洞、條帶遺失。（3）三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算（預(yù)處理+航帶校正）：將原始激光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理生成原始的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)測(cè)的平面和高程控制點(diǎn)進(jìn)行平面和高程校正，計(jì)算出地表目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)。

3 LiDAR數(shù)據(jù)后處理

3.1 激光點(diǎn)云分類

用TerraSolid軟件基于不規(guī)則三角網(wǎng)原理，通過(guò)設(shè)定參數(shù)閾值進(jìn)行濾波，濾波出分離地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，閾值大小設(shè)置取決于測(cè)區(qū)的地形以及植被的高低、密度等。將分離出來(lái)的非地面點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分：根據(jù)點(diǎn)的高度、分布的形狀、密度、坡度等特征，對(duì)非地面點(diǎn)云進(jìn)行分類。數(shù)據(jù)處理過(guò)程見(jiàn)圖1。

3.2 DEM制作

制作DEM主要采用TOPPit軟件，DEM是用激光數(shù)據(jù)的末次回波生成的，是在用末次回波制作的DSM的基礎(chǔ)上過(guò)濾掉地表高于地面的物體（如樹(shù)木.房屋等）后生成的起伏的地面模型，主要過(guò)程為：（1）格網(wǎng)化，將經(jīng)過(guò)校正的點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)其坐標(biāo)值按照一定的點(diǎn)間隔插入到規(guī)則格網(wǎng)中；（2）填補(bǔ)小縫隙，將影像中存在的小縫隙、小黑洞用其周圍點(diǎn)的灰度值填充起來(lái)，使其有高程值；（3）去除粗差點(diǎn)，將比地面點(diǎn)或者地物點(diǎn)高很多的粗差點(diǎn)去除；（4）生成浮雕影像，將經(jīng)過(guò)填充和去除粗差點(diǎn)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成浮雕影像，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維模型，以便更直觀的反映地表的情況；（5）過(guò)濾，對(duì)經(jīng)過(guò)填充和去除粗差點(diǎn)處理的點(diǎn)云過(guò)濾處理，將地表的一些地物（如房屋，植被地物等）濾除掉；（6）手工編輯，用程序自動(dòng)過(guò)濾后，往往有些地物都沒(méi)有過(guò)濾干凈，因此需要人工干預(yù)處理，將未過(guò)濾掉的地物手工擦除；（7）內(nèi)插，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后影像上存有很多黑洞，需應(yīng)用黑洞周圍的點(diǎn)高程值內(nèi)插，使地面平坦、連續(xù)；（8）裁剪重疊區(qū)，將每幅影像邊緣的重疊區(qū)裁剪掉，生成DEM模型。

3.3 DOM制作

對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)同步獲取的航空遙感影像空間分辨率為0.18m，使用LIDAR中生成的DEM結(jié)合地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)對(duì)影像進(jìn)行正射校正，生成經(jīng)過(guò)校正的單幅正射影像，對(duì)正射影像進(jìn)行勻色，對(duì)多幅影像進(jìn)行拼接，制作適當(dāng)?shù)挠跋耔偳毒€，根據(jù)鑲嵌線和勻色后的影像進(jìn)行分幅處理，最終獲取正射影像DOM。

3.4 DLG制作

1∶2000DLG采用“激光點(diǎn)云輔助正射影像進(jìn)行矢量化法”進(jìn)行繪制，外業(yè)調(diào)繪成圖，具體成圖流程如圖2。

先對(duì)正射影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，根據(jù)分類后的非地面點(diǎn)結(jié)合高精度正射影像圖繪制明顯的地物，包括道路，房屋，水塘等、設(shè)施、田埂、陡坎、水溝等要素。利用DEM數(shù)據(jù)生成等高線，對(duì)等高線進(jìn)行編輯、抽稀、圓滑等處理，保留特征點(diǎn)，然后再對(duì)高程標(biāo)注。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)載LiDAR具有大范圍、快速獲取地面高精度三維坐標(biāo)，結(jié)合航空數(shù)碼影像能夠生產(chǎn)出大比例尺地形圖的特點(diǎn)，尤其是在人工不宜作業(yè)的區(qū)域，優(yōu)勢(shì)就更為明顯，本次獲取的海岸帶大比例尺地形圖對(duì)于江門(mén)市海岸地形變化監(jiān)測(cè)、岸線變遷、風(fēng)暴潮淹沒(méi)分析、災(zāi)害預(yù)警和災(zāi)害評(píng)估等可發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 奚歌，邢喆，曲輝，等.基于機(jī)載LiDAR的DEM數(shù)據(jù)處理及高程基準(zhǔn)換算[J].測(cè)繪通報(bào)，2013（9）：59-61.

[2] 別君.基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的灘涂地形形變監(jiān)測(cè)[A].中國(guó)海洋學(xué)會(huì).2015年學(xué)術(shù)論文集[C].2015.endprint