機載LiDAR在江門市銀洲湖海岸帶地形測繪中的應用

文珍彬+何澤良

摘 要：機載LiDAR具有全天候、大范圍、穿透力強、快速直接獲取地表三維坐標的特點，很好地解決了海岸帶范圍人工難以開展實地測量的難題。本項目利用機載LiDAR結合高精度航空影像制作了江門市銀洲湖海岸帶1∶2000地形圖。

關鍵詞：機載LiDAR 海岸帶 激光點云 地形圖

中圖分類號：P258 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0105-02

海岸帶是海洋與陸地之間的過渡地帶，受海洋系統和陸地系統的相互作用，隨著海洋開發領域的日益拓展以及海域、海岸資源開發利用強度和密度的進一步加大，對海岸帶區域的變化監測已顯得尤為重要[1]。海岸帶區域由于地形復雜，分布有基巖、灘涂、紅樹林及沙灘等，許多區域難以進人開展控制點的布設與測量；這種難以施測的問題同時也造成了灘涂海岸地區測量精度低下，采用實地測量方式具有施測周期長、工作量大、費時費力的問題[2]。應用機載LiDAR進行海岸帶地形測繪具有大范圍、低成本、周期短、精度高、能有效祛除植被的特點[3]。

機載激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）集成了激光測系統、全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）與慣性測量系統（Inertial Measurement Unit，IMU）集高分辨率航空數碼相機技術于一體的空間測量技術，能夠快速、準確地獲取地表三維空間信息。它具有較強的植被穿透性、更短的作業周期以及更低的生產成本；將獲取的LiDAR激光點云數據經過處理與編輯，最終能得到測區的DSM、DEM、DOM、DLG等地形圖產品，基于這些特點，它在城市三維建模、資源勘察、森林調查、地形測繪、災害監測、海島海岸帶調查等方面的應用具有獨特優勢。

1 測區范圍及實施過程

1.1 測區范圍

新會港至銀湖灣沿岸，測繪岸線（潮間帶）200m范圍，測區岸線長約80km，由于該區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，向海一側獲取0.5m分辨率DOM、DEM以1∶2000地形圖（DLG），成果坐標系統采用WGS-84、CGCS2000，高程系統采用1985國家高程基準。

1.2 實施過程

本次項目采用機載激光雷達（LiDAR）掃描技術，航飛平臺為運-5飛機，設備為美國天寶公司的Harrier68i系統。數碼相機為Rollei Metric AIC Pro65；慣導系統型號為Applanix POS/AV 系列，采樣頻率200Hz；激光掃描儀的型號為Riegl LMS-Q680i，最大脈沖頻率400kHz，掃描角度45°/60°，相對航高H為1200m，航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%，Lidar數據點密度1.72點/m2，測區范圍共布設12條航線。

（1）地面參考站布設。本次航飛測量共布設了7個四級GPS點作為地面參考站點。地面靜態基站設備使用天寶5700和天寶5800雙頻GPS接收機，采用地面靜態基站模式進行數據采集，采樣間隔為1s。

（2）參考面布設。參考面布設是為了糾正激光點的平面和高程數據，平面主要采集公路斑馬線或球場角等地面上的明顯分界線，高程主要采集比較平整的堅硬地面、球場硬化平整區域等，通過參考面區域的平面和高程對比糾正，求出測區的改正參數，可以糾正測區的激光點平面及高程數據。為保證數據處理的精度，消除系統誤差，在測區范圍內測量部分高程和平面參考數據，本項目共做了8個參考面。

（3）參考面測量。參考面平面和高程都采用GPS-RTK，平面測量主要采集路邊線和有規則的房屋等，每處一般為20個，總點數不少于10個。參考面高程測量選在比較平整的堅硬地面，旁邊無障礙物阻擋。采集高程數據點間距為1～2m，總點數不少于20個。

2 LiDAR及原始影像數據預處理

LiDAR數據主要采用TOPPIT軟件處理，POS數據采用POSPAC軟件處理，影像數據采用INPHO_orthovista軟件處理。（1）導航文件制作：利用POS姿態數據與地面GPS基站數據聯合處理，獲取導航數據文件，處理過程中要查看導航數據的起止時間是否與實際飛行時間匹配，飛行軌跡是否完整，無中斷；導航數據精度指標是否滿足要求，注意查看衛星質量圖。（2）控制文件制作：檢查航帶是否存在漏飛現象的同時通過覆蓋數據范圍制作控制文件，檢查激光數據和影像數據是否覆蓋了整個測區范圍，是否有數據漏洞、條帶遺失。（3）三維激光點云坐標計算（預處理+航帶校正）：將原始激光數據進行預處理生成原始的三維激光點云數據，然后將原始點云數據依據實測的平面和高程控制點進行平面和高程校正，計算出地表目標物的空間三維坐標。

3 LiDAR數據后處理

3.1 激光點云分類

用TerraSolid軟件基于不規則三角網原理，通過設定參數閾值進行濾波，濾波出分離地面點和非地面點，閾值大小設置取決于測區的地形以及植被的高低、密度等。將分離出來的非地面點進行細分：根據點的高度、分布的形狀、密度、坡度等特征，對非地面點云進行分類。數據處理過程見圖1。

3.2 DEM制作

制作DEM主要采用TOPPit軟件，DEM是用激光數據的末次回波生成的，是在用末次回波制作的DSM的基礎上過濾掉地表高于地面的物體（如樹木.房屋等）后生成的起伏的地面模型，主要過程為：（1）格網化，將經過校正的點云數據根據其坐標值按照一定的點間隔插入到規則格網中；（2）填補小縫隙，將影像中存在的小縫隙、小黑洞用其周圍點的灰度值填充起來，使其有高程值；（3）去除粗差點，將比地面點或者地物點高很多的粗差點去除；（4）生成浮雕影像，將經過填充和去除粗差點處理的點云數據生成浮雕影像，使點云數據生成三維模型，以便更直觀的反映地表的情況；（5）過濾，對經過填充和去除粗差點處理的點云過濾處理，將地表的一些地物（如房屋，植被地物等）濾除掉；（6）手工編輯，用程序自動過濾后，往往有些地物都沒有過濾干凈，因此需要人工干預處理，將未過濾掉的地物手工擦除；（7）內插，經過過濾后影像上存有很多黑洞，需應用黑洞周圍的點高程值內插，使地面平坦、連續；（8）裁剪重疊區，將每幅影像邊緣的重疊區裁剪掉，生成DEM模型。

3.3 DOM制作

對LiDAR數據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結合地面控制點數據對對影像進行正射校正，生成經過校正的單幅正射影像，對正射影像進行勻色，對多幅影像進行拼接，制作適當的影像鑲嵌線，根據鑲嵌線和勻色后的影像進行分幅處理，最終獲取正射影像DOM。

3.4 DLG制作

1∶2000DLG采用“激光點云輔助正射影像進行矢量化法”進行繪制，外業調繪成圖，具體成圖流程如圖2。

先對正射影像和激光點云數據進行匹配，根據分類后的非地面點結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、設施、田埂、陡坎、水溝等要素。利用DEM數據生成等高線，對等高線進行編輯、抽稀、圓滑等處理，保留特征點，然后再對高程標注。

4 結語

機載LiDAR具有大范圍、快速獲取地面高精度三維坐標，結合航空數碼影像能夠生產出大比例尺地形圖的特點，尤其是在人工不宜作業的區域，優勢就更為明顯，本次獲取的海岸帶大比例尺地形圖對于江門市海岸地形變化監測、岸線變遷、風暴潮淹沒分析、災害預警和災害評估等可發揮重要的作用。

參考文獻

[1] 奚歌，邢喆，曲輝，等.基于機載LiDAR的DEM數據處理及高程基準換算[J].測繪通報，2013（9）：59-61.

[2] 別君.基于機載LiDAR數據的灘涂地形形變監測[A].中國海洋學會.2015年學術論文集[C].2015.endprint