激光雷达在滩涂海岸地形测量中的应用

 

 

　　海岸带和沿海滩涂是海陆结合部，对这片广阔与富饶的区域进行科学、有效、有序、可持续性的开发具有极大的社会和经济双重效益。因环境复杂、条件困难，使得通过传统的陆地测量与航测手段很难获得精确的地理信息资料，造成在实际工作中一直沿用以前不准确的资料。这些资料已经不能满足迅速发展的沿海经济的需要，更无法与沿海已建立的完善的测绘基础地理信息系统相匹配。
　　基于激光扫描技术的航空遥感调查能够快速、准确地获取地表高精度、高密度的高程数据，在高精度全球定位系统(global positioning system，GPS)和惯性测量装置(inertial measurement unit，IMU)的支持下，无需大量地面控制点，即可生成高精度的数字地形模型(digital terrain model，DTM)，在潮汐修正、海岸带信息提取和分类等方面极具优势，是未来海岸带和海岛调查最具潜力的重要手段。

 

 

　　激光雷达技术(1ight detection and ranging，LIDAR)集激光测距技术、计算机技术、惯性测量装置／差分全球定位技术于一体，该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段。机载LIDAR系统不仅能快速获取高程数据，而且在地形测绘、环境监测、三维城市建模、海洋科学、地球科学、行星科学等诸多领域具有广泛的发展前景。机载LIDAR系统与其他遥感技术相比较具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等技术特点，是目前最先进的能实时获取地形表面三维空间信息和影像的航空遥感系统。

2.1 LIDAR定位原理

　　LIDAR系统主动发射激光脉冲，精确记录传感器发射和接收激光脉冲信号瞬时时刻，利用光速恒定的原理，将发射和反射时间间隔转换为斜距量测，叠加传感器的高度、激光扫描角度，以及从GPS得到的传感器的位置信息后，能够准确地计算出激光脉冲所到达地面的每个光斑的三维坐标。此外，由点形成线靠行扫描技术，由线形成面靠观测平台的运动完成，最终使激光点均匀布满整个面，其系统原理如图1所示。

 

　　假设三维空间中一点O的坐标(X_o，Y_o，Z_o)已知，求出该点到地面上某一待定点P的向量S，则P点坐标(X，Y，Z)就可以用0坐标联合向量计算所得。通常已知点O的三维坐标由GPS提供，方向余弦由观测平台法线的俯仰角φ、侧滚角w、偏航角k，及观测方向与法线间夹角θ组成的矢量矩阵算出，其中观测平台法线的φ、w、k，(由IMU给出，向量的大小由激光测距仪给出。当上述X_o、Y_o、Z_o、φ、w、k、θ、S已知，那么任意待定点P的三维坐标即可求出。

2.2 LIDAR的技术特点

　　LIDAR作为一种新型的遥感技术，它具有鲜明的特点。

　　① 主动发射激光来扫描地面和地面上的目标，是一个全天时全天候的获取地面三维数据的系统；

　　② 激光脉冲信号能部分穿透植被等，可同时测量地面和非地面层；

　　③ 不需要或极少需要进行测量现场干扰，不需要大量地面控制点；

　　④ 获取的数据量大，且平面和高程精度高，数据的绝对精度在0.30m以内；

　　⑤ 数据处理自动化程度高；

　　⑥ 集成了先进的遥感(remote sensing，RS)和GPS技术，其所获得的数据可直接作为地理信息系统(GIS)的数据源。

 

 

　　LIDAR是遥感技术的最新成果，它在滩涂海岸带中主要用于数据采集，包括获取地面点的平面坐标和高程；提取地物以及输出多种数字产品，即数字地形模型(DTM)、数字正射影像(DOM)、数字栅格地图(DRG)和数字线划地图(DLG)。另外，在适应滩涂海岸带的特点上，与传统的遥感及航空摄影测量相比，LIDAR有其独到的优点。

3.1 滩涂海岸带特点

　　沿海滩涂大部分为淤泥质平原海岸带，滩地比较开阔，此外滩涂地形、地貌、自然植被等具有特殊性，故其测量也不同于一般的地面测量。

　　① 滩涂属于典型的开放系统，具有自然的空间动态迁移特性，对外部干扰敏感。因此，弄清沿海滩涂的形成机理及其演变特征，发展空间监测技术，实施沿海滩涂定量动态监测，掌握滩涂变化规律，是进行沿海滩涂开发应用研究的前提。由于滩涂覆被层的空间特征不但随滩涂本身发生变化，且存在季节和年度变化，使得用于数据采集的传感器能够进行动态监测且成本低廉。

　　② 潮滩是海陆交汇的特殊地带，随着潮汐周期的变化和水位的升降，涨与落的潮流往复于滩坡上，使潮滩出现淹没和露出水面的交替性变化。因此，人不易到达，在此难以布置有效的地面控制点，使得进行数据采集时不需要大量的地面控制点且不需要或很少需要进入测量现场。

　　通过上面论述，发现机载LIDAR技术在滩涂海岸地形测量中的应用具有实际意义，运用机载LIDAR系统进行沿海滩涂高精度测图，解决传统航测必需在测图区域布设一定数量控制点而实际人员难以到达的难题，填补我国滩涂海岸带高精度测图技术与手段的空白。

3.2 LIDAR的应用

3.2.1 LIDAR数据处理流程

　　机载LIDAR系统获取的原始数据经软件处理后可以与其他各种数字图像进行融合，输出各种测绘和遥感产品。LIDAR系统从数据采集到产品输出可分为数据收集、数据预处理、点云滤波分类、LIDAR数据与其他遥感数据的融合与应用、基于LIDAR数据地物检测和建模等6个主要数据处理流程，详细处理流程如图2所示。

 

3.2.2 建立数字地形模型

　　LIDAR技术最主要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据，该数据直接反映激光点的三维坐标，使得生产高精度、高分辨率的DTM成为可能，它是解决快速进行DTM数据采集的最有效方法。DTM的制作过程为：通过自动或人工交互处理，把入射到植被、房屋、建筑物等非地面点云进行分类、滤波或去除，然后构建不规则三角网(TIN)，就可以快速提取DTM。

3.2.3 采集滩涂海岸测绘的基础地理信息

　　LIDAR系统除了构建数字地形模型外，还可以结合其他数据(数字影像)制作其他基础测绘产品，主要有DOM、DLG和DRG。

　　① DOM制作。先对LIDAR点云数据进行坐标转换和相关处理，然后依据LIDAR点云数据对CCD影像数据进行纠正与镶嵌，即可生成DOM数据。

　　② DLG制作。由LIDAR点云建立DTM，接着生成等高线和高程注记点，然后依据DOM、DTM、等高线及高程点进行道路、水系与植被等地物要素的综合分类和提取，最终形成DLG数据，如图3所示。

 

　　③ 高精度的高程测量。机载LIDAR技术和精化大地水准面成果相结合，实现直接利用GPS测量数据替代水准高程测量而满足制作1:5000(甚至更大比例尺)的DEM、等高线、DOM和DLG产品的高程测量精度。

3.2.4 快速生成海岸带与海岛的三维地形模型

　　数字海岸还需要构建高精度、真三维、可量测，具有真实感的海岸带三维模型作为管理海岸的虚拟平台。但是采用传统技术进行海岸三维建模时，工作量大，效率低，且效果并不好，影响了数字海岸服务面的宽度和深度。利用LIDAR技术对海岸带进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描，可以快速获取目标高密度、高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射，很方便地构建大面积的海岸三维模型。并可以实施快速动态更新，为数字海岸建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障。

 

 

　　激光雷达技术是遥感技术的新发展，其在滩涂海岸中有着广泛的应用前景，为数字海岸提供了更加丰富的数据来源。不断加强和拓宽激光雷达技术在数字海岸中的应用有着巨大的潜力和深远的意义。