機載激光雷達技術在自然淤積區海岸線測繪中的應用

羅正龍，袁崢，吳瑋

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

1 引 言

海岸線平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線[1]，是海陸相互作用頻繁的地帶，具有重要的生態功能和資源價值，關系國家海洋生態安全，海洋經濟綠色發展和沿海地區民生福祉，海岸線的調查、信息提取及變遷研究是海岸線研究的一項重要內容。近十幾年來，依托海洋空間資源，海洋經濟快速發展。然而，不合理的空間開發布局和簡單粗放的開發利用方式，導致海岸線資源浪費、生態環境惡化和區域承載力下降，已影響到沿海地區經濟社會的可持續發展。如何快速、準確地獲取自然淤積區海岸線，對沿海地區編制國土空間規劃，科學制定自然岸線保有率管控目標和實現海岸線資源精細化管理具有重大意義。

沿海自然淤積區三維地理信息的精確獲取是海岸線勘定的重要前提。機載激光雷達技術兼具快速、高效、準確的特性已經成為地表三維數據獲取的一種重要方法[2，3]。該技術穿透地表植被，經過分類處理能夠獲取真實的地形地貌數據[4，5]。

本文以機載激光雷達技術應用于自然淤積區海岸線勘定為例，闡述機載激光雷達測量方法在自然淤積區海岸線測量上的可行性。

2 關鍵技術

傳統海岸線測量技術無法準確測量自然淤積區的海岸線位置，且效率低，同時對測量人員的生命有很大的風險。本文采用集成激光、GNSS和INS 3種技術的機載激光雷達系統，通過非接觸目標的激光掃描測量的方法，對自然淤積區地表進行高精度測量，以獲取地形地貌三維數據。

本次項目采用整體結構小、重量輕的AS-900HL多平臺激光雷達測量系統進行數據采集(圖1)。通過高精度的慣性導航系統，快速實時采集地表高精度三維數據。

圖1 AS-900HL多平臺激光雷達測量系統

自然淤積區海岸線測量主要作業流程為實地踏勘、控制測量、航線布設、外業航測、數據處理、實地檢核、潮位分區、海岸線位置計算。

2.1 實地踏勘

在工作開展前應前往現場充分了解測區情況，并收集可利用的地理信息資料。

2.2 控制測量

平高控制點是激光雷達測量的起算依據。應根據踏勘情況，在測區范圍內布設滿足要求的平高控制點。平面控制測量采用GNSS RTK測量方法施測，高程控制測量采用水準測量施測。

2.3 航線布設

為滿足現行《CH/T 8023機載激光雷達數據處理技術規范》航線規范的相關要求，基于激光點云精度要求出發，從航線重疊度、點云密度、測區GPS信號強度，進行航線規劃，設計飛行方向、生成最佳任務航線。為提高地面點的密度及激光雷達的穿透率，保證測量精度，可重新設計飛行路線重復航飛[6]。

2.4 外業航測

沿已規劃好的航線進行數據采集。在數據采集之前，為保證移動測量系統精度，應選用滿足CH/T 8023-2011的GPS接收機2Hz要求的設備作為基站儀器。

2.5 數據處理

(1)數據解算

機載測量系統POS數據解算是利用Waypoint軟件對POS數據、GPS基站數據進行聯合解算，流程如圖2所示。

圖2 POS數據處理流程

(2)點云解算

采用雙差分定位方法，在已知精確坐標的點上架設地面基站，測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響，利用精密星歷和鐘差文件進行改正解算，獲取高精度結果。將聯合定位信息加入處理軟件系統進行處理，獲得激光掃描儀機載測量系統模式的行跡文件，確定每一個激光點的坐標值，對整個點云文件進行定向。

(3)點云濾波

利用Terrasolid軟件進行數據分塊，將經過分塊后的點云文件進行自動分類和人工分類。對于特定的難以區分的地物，在自動分類的基礎上采用手動將其分類提取。點云自動分類流程如圖3所示。

圖3 點云分類流程

(4)DEM制作

利用Terrasolid中的TerraModel軟件將地面點激光點云數據，加入特征線數據輔助，進行內插提取高程值，獲得DEM產品。對于因地表模型存在局部不合理區域造成的DEM錯誤，利用人機交互分類工具進行細節修正。

2.6 點云精度評價

因自然淤積區灘涂地植被分布不均且現場情況不一致，為確保機載激光雷達測量數據精度滿足需求，全部通過現場人工測量方式測量不同植被分布地測量原始地坪標高，與機載激光雷達系統測量成果進行評價分析。

2.7 潮位分區[7]

結合測區自然地理情況，充分考慮測區地形地貌空間分布情況，根據周邊潮位站多年平均大潮資料解算測區平均大潮高潮位潮位值，用于海岸線分區計算。

2.8 海岸線位置計算

利用各分區平均大潮高潮位數值結合機載激光雷達點云數據，以大數據可視化分析的方式將不同分區的海岸線計算出來：以分區潮位數值為分界點，根據點云分類兩色圖，計算海岸線位置。

3 點云精度評價

為了驗證點云數據的可靠性，確保機載激光雷達測量數據精度滿足需求，對整個灘涂內人工可達到的區域，采用網絡RTK方法采集海岸線兩側范圍內不同植被分布區域的檢查點的三維坐標，并假定人工實地測量的數值是真實值，將其與激光點云數據進行比較，從而評定機載激光雷達系統的測量精度。

激光點云測量范圍覆蓋整個灘涂區域。本次獲取的激光點云數據的點云密度為212個/m2，優于現行CH/T 8023對 1∶500地形圖密度16個點的要求，并采用網絡RTK方法采集測區范圍內的198個檢查點的三維坐標數據。平面中誤差為 ±6.2 cm，高程中誤差為 ±4.4 cm，如表1所示，根據統計結果，說明機載激光點云數據是具有一定的可靠性和準確性。

表1 點云數據與人工實測數據對比分析表

續表1

4 注意問題

在本次測量及數據處理過程中發現，除硬件與軟件系統以外，以下兩個方面會對測量精度產生影響。

(1)起算基準：機載激光雷達系統起算基準點應均勻布設在沿海灘涂周邊穩固的地面上，若灘涂內存在人類活動產生的硬化土質路面，宜根據實地條件增設起算基準點；

(2)灘涂環境：自然淤積區內植被的類型、高低、疏密會直接影響激光點云的數據精度；植被過密會影響激光的穿透性，導致測量的數據無法反映真實的地形。實地檢測時應結合灘涂區域的高分辨率影像，并根據植被的分布特征來選取檢測的區域。

5 結 論

機載激光雷達測量方法不僅適用于人工岸線、基巖岸線和砂質岸線[8]，在自然淤積區海岸線測量中也是行之有效的，可為其他沿海地區淤積區海岸線測量提供參考。

機載激光雷達技術在獲取地表三維地理信息數據具有高效、便捷、精確的特性，使自然淤積區海岸線動態變化監測成為可能；海岸線成果及其變化趨勢及時掌握能更好地為海岸線資源精細化管理提供決策支撐。