一種從LiDAR點云中提取海岸線的新方法

于彩霞，許 軍，許 堅，鄭義東，李改肖

(1.信息工程大學地理空間信息學院，河南鄭州450052;2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西西安710054;3.海軍大連艦艇學院，遼寧大連116018)

一、引 言

LiDAR技術由于可快速獲取高精度、高密度的地形表面三維點云數據，因而在測量困難的地區(如海岸帶)進行高精度測圖具有明顯的優勢，已成為海岸帶測繪發展的一個新方向［1-2］。目前，國外對利用LiDAR點云提取海岸線已有一些研究［2-5］，主要采用簡單且易實現的等值線追蹤法［3-4］。但等值線追蹤法提取的海岸線存在著抖動大、鋸齒多、線段破碎等諸多問題［1，4］，需進一步對提取的岸線進行辨真去偽及平滑等工作，增加了后期處理的工作量。為此，本文提出了一種基于LiDAR點云數據柵格化的海岸線提取新方法，優化了海岸線的提取流程，提高了海岸線的提取質量。

二、等值線追蹤法

根據國家相關測繪標準規范［6-7］，海岸線定義為平均大潮高潮的水陸分界的痕跡線，即海岸線可視為平均大潮高潮面(MHWS)與海岸地形相交而成的一條等值線。由于這條等值線具有相同的高程值——MHWS高程，因此海岸線的確定可轉化為高程值為MHWS的等值線提取。基于等值線追蹤法從LiDAR點云中提取海岸線的基本思想是:根據潮汐精密模型計算出所在區域的MHWS高程，將LiDAR原始點云濾波分類后生成海岸DEM，采用等值線追蹤法提取高程為MHWS所對應的線，即得海岸線(平均大潮高潮線)。海岸線提取的流程如圖1所示。

圖1 等值線法從LiDAR點云中提取海岸線流程

通過上述等值線追蹤法(構建TIN，追蹤等值線)提取的海岸線如圖2所示。

圖2 由等值線法追蹤的海岸線效果(加載在海岸DEM上)

從圖2可以看出，提取的海岸線過于曲折、抖動、破碎，且存在大量錯誤的線段(或封閉多邊形)。造成這一結果的原因主要是水邊線附近的LiDAR數據受到波浪和潮汐的影響、淺灘的藻類海草沉積過厚、LiDAR信號的噪聲(粗差)，以及海峽和洪水洼地的數據空缺等［1，5］。

采取該方法提取的海岸線需要后期大量的人工作業進行修正，勞動強度大、效率低下，且易受主觀因素影響。另外，在該方法的實現過程中，還受以下兩方面因素的制約:

1)LiDAR點云的濾波分類:目前對LiDAR點云的濾波研究較多，但還沒有一種方法具有普適性，能夠完全應對復雜多變的地形起伏形態［8-9］，且在濾波過程中，還需通過不斷的試驗來調整閾值，造成點云的濾波過程時間過長。

2)海岸DEM的構建:LiDAR點云采樣隨機，具有高密度、高精度的特點(點云間距達米級，甚至到毫米級)，且海岸地形復雜，造成海岸DEM的構建過程較為復雜、耗時長，且構建的海岸DEM存在著誤差和不合理性。

三、基于LiDAR點云數據柵格化的海岸線提取方法

基于上述原因，為了提高海岸線提取質量，本文提出了一種基于LiDAR點云數據柵格化提取海岸線的方法:首先剔除LiDAR點云的噪聲(粗差);其次基于ArcGIS 10.2平臺創建LAS數據集;然后對Terrain數據集或LiDAR點云柵格化以構建更為平滑的海岸地形;最后通過柵格表面生成更平滑、更合理的海岸線。改進后海岸線提取流程如圖3所示。

圖3 改進的等值線提取海岸線

1)粗差去除。LiDAR點云在獲取過程中不可避免地會產生噪聲，包括極高點、極低點和孤立點等［8-10］，這些都屬于錯誤點云，必須去除，否則會導致嚴重誤差。

2)創建LAS Dataset數據集。通過LAS Dataset數據集快速讀取并顯示高密度的LiDAR三維點云數據，在該步驟中，將平面坐標和高程基準為WGS-84的LiDAR點云分別轉換為2000國家大地坐標系(CGCS2000)和1985國家高程基準。

3)判斷LiDAR點云數據是否已標準分類，若是則表明數據細化工作已由數據提供方完成，可直接進入步驟5)，否則進行步驟4)。

4)構建Terrain數據集。目的是為了細化數據，降低高頻噪聲的影響，在構建過程中，需要選擇Terrain金字塔合適的類型及合理的等級。

5)創建柵格表面數據，通過插值算法平滑海岸地形表面。若是從步驟4)到該步驟，則需根據Terrain數據集創建柵格表面;否則可直接通過LAS Dataset數據集創建柵格表面。

6)計算MHWS高程。根據潮汐精密模型［11-12］推算該海岸區域的局部MHWS高程值，并轉換為1985國家高程。

7)生成等值線。在創建的海岸地形柵格中，高程信息是通過不同的灰度值(或顏色值)來表達的，由柵格表面生成高程值為MHWS高程的等值線，即海岸線。

四、試驗與分析

1.試 驗

試驗區域位于大連某海岸，數據為船載LiDAR點云數據，點云間距為10 cm，約22萬個點云，圖4顯示為該區域的真彩色點云，按照前文步驟，創建LAS Dataset如圖5所示。

圖4 某海岸的真彩色點云

根據精密潮汐模型計算的MHWS局部高程，利用等值線追蹤法提取的海岸線如圖6所示(加載在柵格化點云上，局部放大圖)，利用本文新方法提取的海岸線如圖7所示(加載在柵格化點云上，局部放大圖)。將兩種方法提取的海岸線疊加顯示，如圖8所示(顏色較深的線表示等值線追蹤法提取的效果，顏色較淺的線表示本文新方法提取的效果)。

圖5 創建的LAS Dataset

圖6 等值線追蹤法提取的效果

圖7 本文新方法提取的效果

圖8 兩種方法提取的海岸線疊加效果

2.分 析

從圖8中可以看出，對于LiDAR點云數據，采用等值線追蹤法生成的海岸線平面位置抖動大、鋸齒多，存在破碎的線段和獨立的多邊形(如圖6所示);而采用本文提出的新方法，由于先對LiDAR點云去除噪聲，濾除了粗差，然后對其進行柵格化，相當于對點云高程值進行重新量化，使得點云數據的高程變化趨于均衡，即濾除點云的高頻噪聲，從而提取的海岸線較為平滑(如圖7所示)，更符合實地情況，且能有效地減少后期編輯處理工作，降低了工作強度，提高了海岸線測繪的效率。

五、結束語

高精度、快速地確定海岸線，一直是海洋測繪的一項重要內容。本文提出了一種基于LiDAR點云數據柵格化的海岸線提取新方法，該方法摒棄了等值線追蹤法中構建海岸DEM的過程，使得海岸線的提取過程更為簡單可行、效率更高，尤其是采取了先對LiDAR點云進行柵格化，再從柵格數據提取海岸線的方式，提取的海岸線更為平滑，結果更加理想。試驗表明，本文提出的新方法可以用于數字海圖生產實踐中的海岸線生成。

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