機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在自然淤積區(qū)海岸線測(cè)繪中的應(yīng)用

羅正龍，袁崢，吳瑋

(1.寧波市阿拉圖數(shù)字科技有限公司，浙江 寧波 315042； 2.寧波市測(cè)繪和遙感技術(shù)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

海岸線平均大潮高潮時(shí)水陸分界的痕跡線[1]，是海陸相互作用頻繁的地帶，具有重要的生態(tài)功能和資源價(jià)值，關(guān)系國(guó)家海洋生態(tài)安全，海洋經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展和沿海地區(qū)民生福祉，海岸線的調(diào)查、信息提取及變遷研究是海岸線研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。近十幾年來(lái)，依托海洋空間資源，海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。然而，不合理的空間開發(fā)布局和簡(jiǎn)單粗放的開發(fā)利用方式，導(dǎo)致海岸線資源浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境惡化和區(qū)域承載力下降，已影響到沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。如何快速、準(zhǔn)確地獲取自然淤積區(qū)海岸線，對(duì)沿海地區(qū)編制國(guó)土空間規(guī)劃，科學(xué)制定自然岸線保有率管控目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)海岸線資源精細(xì)化管理具有重大意義。

沿海自然淤積區(qū)三維地理信息的精確獲取是海岸線勘定的重要前提。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)兼具快速、高效、準(zhǔn)確的特性已經(jīng)成為地表三維數(shù)據(jù)獲取的一種重要方法[2，3]。該技術(shù)穿透地表植被，經(jīng)過(guò)分類處理能夠獲取真實(shí)的地形地貌數(shù)據(jù)[4，5]。

本文以機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于自然淤積區(qū)海岸線勘定為例，闡述機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量方法在自然淤積區(qū)海岸線測(cè)量上的可行性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)海岸線測(cè)量技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量自然淤積區(qū)的海岸線位置，且效率低，同時(shí)對(duì)測(cè)量人員的生命有很大的風(fēng)險(xiǎn)。本文采用集成激光、GNSS和INS 3種技術(shù)的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)非接觸目標(biāo)的激光掃描測(cè)量的方法，對(duì)自然淤積區(qū)地表進(jìn)行高精度測(cè)量，以獲取地形地貌三維數(shù)據(jù)。

本次項(xiàng)目采用整體結(jié)構(gòu)小、重量輕的AS-900HL多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(圖1)。通過(guò)高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，快速實(shí)時(shí)采集地表高精度三維數(shù)據(jù)。

圖1 AS-900HL多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)

自然淤積區(qū)海岸線測(cè)量主要作業(yè)流程為實(shí)地踏勘、控制測(cè)量、航線布設(shè)、外業(yè)航測(cè)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)地檢核、潮位分區(qū)、海岸線位置計(jì)算。

2.1 實(shí)地踏勘

在工作開展前應(yīng)前往現(xiàn)場(chǎng)充分了解測(cè)區(qū)情況，并收集可利用的地理信息資料。

2.2 控制測(cè)量

平高控制點(diǎn)是激光雷達(dá)測(cè)量的起算依據(jù)。應(yīng)根據(jù)踏勘情況，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)滿足要求的平高控制點(diǎn)。平面控制測(cè)量采用GNSS RTK測(cè)量方法施測(cè)，高程控制測(cè)量采用水準(zhǔn)測(cè)量施測(cè)。

2.3 航線布設(shè)

為滿足現(xiàn)行《CH/T 8023機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》航線規(guī)范的相關(guān)要求，基于激光點(diǎn)云精度要求出發(fā)，從航線重疊度、點(diǎn)云密度、測(cè)區(qū)GPS信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)計(jì)飛行方向、生成最佳任務(wù)航線。為提高地面點(diǎn)的密度及激光雷達(dá)的穿透率，保證測(cè)量精度，可重新設(shè)計(jì)飛行路線重復(fù)航飛[6]。

2.4 外業(yè)航測(cè)

沿已規(guī)劃好的航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集之前，為保證移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)精度，應(yīng)選用滿足CH/T 8023-2011的GPS接收機(jī)2Hz要求的設(shè)備作為基站儀器。

2.5 數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)解算

機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)解算是利用Waypoint軟件對(duì)POS數(shù)據(jù)、GPS基站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，流程如圖2所示。

圖2 POS數(shù)據(jù)處理流程

(2)點(diǎn)云解算

采用雙差分定位方法，在已知精確坐標(biāo)的點(diǎn)上架設(shè)地面基站，測(cè)定具有空間相關(guān)性的誤差或其對(duì)測(cè)量定位結(jié)果的影響，利用精密星歷和鐘差文件進(jìn)行改正解算，獲取高精度結(jié)果。將聯(lián)合定位信息加入處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理，獲得激光掃描儀機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)模式的行跡文件，確定每一個(gè)激光點(diǎn)的坐標(biāo)值，對(duì)整個(gè)點(diǎn)云文件進(jìn)行定向。

(3)點(diǎn)云濾波

利用Terrasolid軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊，將經(jīng)過(guò)分塊后的點(diǎn)云文件進(jìn)行自動(dòng)分類和人工分類。對(duì)于特定的難以區(qū)分的地物，在自動(dòng)分類的基礎(chǔ)上采用手動(dòng)將其分類提取。點(diǎn)云自動(dòng)分類流程如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云分類流程

(4)DEM制作

利用Terrasolid中的TerraModel軟件將地面點(diǎn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，加入特征線數(shù)據(jù)輔助，進(jìn)行內(nèi)插提取高程值，獲得DEM產(chǎn)品。對(duì)于因地表模型存在局部不合理區(qū)域造成的DEM錯(cuò)誤，利用人機(jī)交互分類工具進(jìn)行細(xì)節(jié)修正。

2.6 點(diǎn)云精度評(píng)價(jià)

因自然淤積區(qū)灘涂地植被分布不均且現(xiàn)場(chǎng)情況不一致，為確保機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)精度滿足需求，全部通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量方式測(cè)量不同植被分布地測(cè)量原始地坪標(biāo)高，與機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量成果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2.7 潮位分區(qū)[7]

結(jié)合測(cè)區(qū)自然地理情況，充分考慮測(cè)區(qū)地形地貌空間分布情況，根據(jù)周邊潮位站多年平均大潮資料解算測(cè)區(qū)平均大潮高潮位潮位值，用于海岸線分區(qū)計(jì)算。

2.8 海岸線位置計(jì)算

利用各分區(qū)平均大潮高潮位數(shù)值結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)可視化分析的方式將不同分區(qū)的海岸線計(jì)算出來(lái)：以分區(qū)潮位數(shù)值為分界點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)云分類兩色圖，計(jì)算海岸線位置。

3 點(diǎn)云精度評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性，確保機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)精度滿足需求，對(duì)整個(gè)灘涂?jī)?nèi)人工可達(dá)到的區(qū)域，采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法采集海岸線兩側(cè)范圍內(nèi)不同植被分布區(qū)域的檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并假定人工實(shí)地測(cè)量的數(shù)值是真實(shí)值，將其與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而評(píng)定機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

激光點(diǎn)云測(cè)量范圍覆蓋整個(gè)灘涂區(qū)域。本次獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云密度為212個(gè)/m2，優(yōu)于現(xiàn)行CH/T 8023對(duì) 1∶500地形圖密度16個(gè)點(diǎn)的要求，并采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法采集測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的198個(gè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。平面中誤差為 ±6.2 cm，高程中誤差為 ±4.4 cm，如表1所示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，說(shuō)明機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

表1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表

續(xù)表1

4 注意問題

在本次測(cè)量及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，除硬件與軟件系統(tǒng)以外，以下兩個(gè)方面會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

(1)起算基準(zhǔn)：機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)起算基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)均勻布設(shè)在沿海灘涂周邊穩(wěn)固的地面上，若灘涂?jī)?nèi)存在人類活動(dòng)產(chǎn)生的硬化土質(zhì)路面，宜根據(jù)實(shí)地條件增設(shè)起算基準(zhǔn)點(diǎn)；

(2)灘涂環(huán)境：自然淤積區(qū)內(nèi)植被的類型、高低、疏密會(huì)直接影響激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精度；植被過(guò)密會(huì)影響激光的穿透性，導(dǎo)致測(cè)量的數(shù)據(jù)無(wú)法反映真實(shí)的地形。實(shí)地檢測(cè)時(shí)應(yīng)結(jié)合灘涂區(qū)域的高分辨率影像，并根據(jù)植被的分布特征來(lái)選取檢測(cè)的區(qū)域。

5 結(jié) 論

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量方法不僅適用于人工岸線、基巖岸線和砂質(zhì)岸線[8]，在自然淤積區(qū)海岸線測(cè)量中也是行之有效的，可為其他沿海地區(qū)淤積區(qū)海岸線測(cè)量提供參考。

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在獲取地表三維地理信息數(shù)據(jù)具有高效、便捷、精確的特性，使自然淤積區(qū)海岸線動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)成為可能；海岸線成果及其變化趨勢(shì)及時(shí)掌握能更好地為海岸線資源精細(xì)化管理提供決策支撐。