孫欽幫　陳兆林　孫麗艷　王陽(yáng)

摘 要：激光雷達(dá)技術(shù)已成為當(dāng)前海岸帶、海島礁及灘涂測(cè)繪的重要新途徑和新方法。該文通過(guò)建立LIDAR技術(shù)提取海域使用變化信息的技術(shù)流程，利用多時(shí)相、高精度機(jī)載LIDAR獲取的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線和海域使用變化信息提取并結(jié)合GIS技術(shù)分析海岸線變化速率，研究表明LIDAR技術(shù)可以有效的對(duì)海岸線變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別在對(duì)短期的海岸線環(huán)境變化及海岸微地貌變化速率分析方面可獲取很好的結(jié)果，因此LIDAR技術(shù)可以應(yīng)用到海岸線環(huán)境變化、海域使用變化監(jiān)測(cè)及海岸微地貌變化識(shí)別與監(jiān)測(cè)中，從而為海域演變的動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：LIDAR 海岸線 信息提取 海域管理

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0012-05

Abstract：LIDAR has become an important new surveying technology for coastal zone、reefs and shoals topology. This article establishes technical workflow of extracting change information in sea using area with LIDAR， which extracts changes of shoreline and sea using area by using DEM acquired by multi-temporal and high-resolution LIDAR； and analyzes shoreline changing rate by combining GIS analysis. This research shows that LIDAR technology can effectively monitor changes of shoreline， especially can better analyze short-term coastal environment change and coast microgeomorphology changing rate. In summary， LIDAR technology can be applied in identifying and monitoring the change of coastal environment、sea using area and coast microgeomorphology， therefor providing a new technique for the dynamic surveillance and monitoring of the evolution of coastal area.

Key Words：LIDAR； Shoreline； Information extraction； Coastal area management

激光雷達(dá)技術(shù)（Light Detect And Ranging，LIDAR）已成為當(dāng)前海岸帶、海島礁及灘涂測(cè)繪的重要新途徑和新方法[1-2]。隨著該項(xiàng)技術(shù)的成熟，實(shí)現(xiàn)高精度三維海域使用變化信息的識(shí)別成為可能。LIDAR技術(shù)應(yīng)用到海岸帶數(shù)據(jù)獲取和研究起始于20世紀(jì)末，主要在發(fā)達(dá)國(guó)家的海岸帶測(cè)量中開始應(yīng)用。例如，2001年至今，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局先后在密西西比海岸帶、德克薩斯海岸帶、佛羅里達(dá)和阿拉巴馬州的海岸帶利用機(jī)載LIDAR獲取海岸帶、潮間帶及近海水下的地形數(shù)據(jù)[3-4]。近年來(lái)，在“908專項(xiàng)”及其他海洋和海岸學(xué)科研究的支持下，我國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)和研究學(xué)者嘗試將LIDAR技術(shù)應(yīng)用到了海岸帶的調(diào)查和研究領(lǐng)域[5]。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)利用LIDAR技術(shù)進(jìn)行海域使用變化信息識(shí)別的技術(shù)路線、流程及信息提取方法尚沒(méi)有大范圍的研究。同時(shí)，利用多期高精度LIDAR獲取的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線提取及其變化研究、海岸帶地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面的研究也較少，從而制約了LIDAR技術(shù)在海域使用變化監(jiān)測(cè)、海岸線變化研究及海岸帶地質(zhì)災(zāi)害等方面的進(jìn)一步應(yīng)用?；诖?，該研究利用實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)兩期海岸帶LIDAR測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)區(qū)的海岸線變化速率提取方法，為海域變化信息提取與識(shí)別、海域使用管理提供技術(shù)手段和支撐。

1 基于LIDAR技術(shù)海域使用信息變化提取與識(shí)別方法

1.1 LIDAR的技術(shù)原理

LIDAR產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，該技術(shù)最初在美國(guó)應(yīng)用到海岸帶的地形數(shù)據(jù)獲取，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）首先在美國(guó)部分地區(qū)的海岸帶進(jìn)行了機(jī)載LIDAR獲取地面及水下數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)。LIDAR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的同步、快速、精確地獲取，并根據(jù)實(shí)時(shí)攝影的數(shù)碼像片，通過(guò)計(jì)算機(jī)重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大型實(shí)體或場(chǎng)景目標(biāo)的3D數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物的實(shí)時(shí)的、真實(shí)的形態(tài)特性，為快速獲取空間信息提供了簡(jiǎn)單有效手段。在LIDAR系統(tǒng)中，結(jié)合GPS（全球定位系統(tǒng)）得到的激光器位置坐標(biāo)信息，INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）得到的激光方向信息，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)激光點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)X、Y、Z，大量的激光點(diǎn)聚集成激光點(diǎn)云，組成被測(cè)區(qū)域的點(diǎn)云圖像，這就是機(jī)載激光雷達(dá)的測(cè)高原理[7]。

和傳統(tǒng)的遙感手段相比，LIDAR具有以下的優(yōu)勢(shì)：（1）LIDAR是對(duì)地表三維坐標(biāo)的直接測(cè)量，攝影測(cè)量或者雷達(dá)干涉測(cè)量InSAR都是通過(guò)間接的方法獲得地表三維數(shù)據(jù)；（2）激光雷達(dá)能部分地透射植被，有效去除植被高度的影響，傳統(tǒng)攝影測(cè)量則只能通過(guò)估算植被高度的方法去除植被的影響 大大影響精度；（3）LIDAR是主動(dòng)式傳感器，不受光照影響，受天氣的影響比光學(xué)遙感要??；（4）在某些困難地區(qū)，如沙漠、海岸帶、高差較大的地形復(fù)雜地區(qū)等，使用傳統(tǒng)的遙感手段很難甚至無(wú)法獲得高精度高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，而LIDAR則受上述地形條件影像較小。

1.2 基于LIDAR技術(shù)海域使用信息變化提取技術(shù)流程

海岸線即是陸地與海洋的分界線，一般指海潮時(shí)高潮所到達(dá)的界線，在我國(guó)系指多年大潮平均高潮位時(shí)的海陸分界線[8]。海岸線的變化對(duì)于海域管理和規(guī)劃是非常重要的，因此海岸線的提取是海域使用信息變化分析的重要前提條件。傳統(tǒng)的海岸線測(cè)量采取現(xiàn)場(chǎng)海岸測(cè)繪方式，目前常用的方法是攝影測(cè)量技術(shù)，GPS測(cè)量技術(shù)配合陸上車載技術(shù)也被用于大比例尺的岸線測(cè)繪（Ruggiero， 2000）。這些方法效率低，工作周期長(zhǎng)，精度低，難以反映海岸線及海域使用的快速動(dòng)態(tài)變化。Stockdon等（2002）采用機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)和潮汐數(shù)據(jù)，利用剖面疊加分析方式自動(dòng)提取海岸線。Robertson等（2004）采用跟蹤特定高程單條等高線的方式，從LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取海岸線。Liu等（2007）采用分割LIDAR獲取的高精度DEM的方式自動(dòng)提取海岸線。這些基于LIDAR技術(shù)獲取的海岸線精度遠(yuǎn)高于攝影測(cè)量方式，同時(shí)能夠采集潮間帶的地形地貌數(shù)據(jù)[9]。

基于LIDAR技術(shù)的海域使用信息變化提取技術(shù)需要通過(guò)對(duì)LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分類處理，利用均值移動(dòng)算法并結(jié)合衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)提取海岸線信息，最后結(jié)合GIS技術(shù)構(gòu)建海岸線變化速率模型，具體工作流程參見圖1所示。

1.3 基于GIS技術(shù)的海岸線變化速率分析

海岸帶作為一個(gè)水陸交界的動(dòng)態(tài)地理單元，其變化受多種動(dòng)力機(jī)制的影響。Woolard等（2002）利用機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)和GIS軟件平臺(tái)，使用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)美國(guó)北卡羅萊納州哈特拉斯角地區(qū)海岸帶的多時(shí)相和多分辨率的海灘沙丘進(jìn)行變化識(shí)別。Shrestha等（2005）使用機(jī)載LIDAR定期對(duì)佛羅里達(dá)州東北部35km海岸進(jìn)行量測(cè)，采用剖面分析的方法對(duì)不同時(shí)相點(diǎn)云生產(chǎn)的DSM進(jìn)行比較，監(jiān)測(cè)佛羅里達(dá)的海岸線變化，由此得到高精度的海岸侵蝕速率。Robertson等（2007）利用機(jī)載LIDAR調(diào)查了佛羅里達(dá)巴拿馬城由于颶風(fēng)的事件引起的海岸線遷徙和海岸侵蝕。Chust等（2008）利用機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)和從點(diǎn)云中獲取的坡度、坡向等地形信息，結(jié)合點(diǎn)云強(qiáng)度信息，通過(guò)融合多光譜影像，采取最大似然法對(duì)Bidasoa地區(qū)沿海河口巖石區(qū)域和潮間帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化識(shí)別和海岸變化監(jiān)測(cè)。LIDAR技術(shù)應(yīng)用于海岸線侵蝕的調(diào)查與研究大大提高了海岸線侵蝕的觀測(cè)精度[10]。

該文利用多時(shí)相的LIDAR數(shù)據(jù)按照海岸岸線演化狀態(tài)的不動(dòng)點(diǎn)（向海淤積為正，向陸侵蝕為負(fù)）和一定間隔的垂向海岸剖面線分割岸段，形成兩期岸線變化多邊形，求取多邊形的面積與基線岸段的長(zhǎng)度之比，即研究岸段上空間連續(xù)的海岸變化速率。計(jì)算步驟如下。

（1）指定基年海岸線位置，在GIS環(huán)境中對(duì)兩期海岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浞指?，求取海岸線變化的不動(dòng)點(diǎn)，按照侵蝕和淤積實(shí)際狀態(tài)，指定海岸演化方向（向海淤積為正，向陸侵蝕為負(fù)）。

（2）按照海岸線斷點(diǎn)剖面抽取原則，按照一定采樣距離，生成一組海岸剖面線，同時(shí)利用GIS拓?fù)浞治?，將剖面線和兩期海岸線進(jìn)行空間拓?fù)浏B加，形成海岸變化的多邊形。運(yùn)用空間統(tǒng)計(jì)，輸出每個(gè)多邊形面積和對(duì)應(yīng)得基年海岸的岸段的長(zhǎng)度。

（3）按照公式計(jì)算一定時(shí)間階段的海岸線變化速率。式中Vi為岸段i在t1-t0時(shí)間段內(nèi)的平均海岸線變化速率，Si是岸段i在海岸線變化形成的多邊形面積，Li表示岸段i的長(zhǎng)度（見圖2）。

（4）求取兩期海岸線之間的變化速率，按照平均速率法計(jì)算海岸變化速率。

2 應(yīng)用與分析

2.1 LIDAR數(shù)據(jù)源

該文實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)由http：//ngom.usgs.gov網(wǎng)站下載，實(shí)驗(yàn)區(qū)域選擇美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈縣卡爾斯巴德作為研究區(qū)域（圖3），研究岸線長(zhǎng)度離約9.0 km。

為了減小季節(jié)性的潮差和波浪等因素對(duì)LIDAR數(shù)據(jù)的獲取影響，該文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇2003年3月28日和2006年3月24日的LIDAR數(shù)據(jù)。LIDAR數(shù)據(jù)高程精度為0.10～0.19 m，坐標(biāo)系統(tǒng)為NAD1983，投影為UTM投影，中央子午線-117°。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

該文采用等高線跟蹤法[4]對(duì)海岸線信息進(jìn)行數(shù)字化提??；利用芬蘭Terrasolid軟件TerraScan模塊對(duì)LIDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分類處理，數(shù)據(jù)處理后生成DEM（Digital Elevation Model）。為了獲取高精度的海岸線數(shù)據(jù)，該文利用ArcGIS對(duì)2003年3月28日DEM數(shù)據(jù)中的波段1進(jìn)行拉伸處理，對(duì)2006年3月24日DEM數(shù)據(jù)中的波段2進(jìn)行拉伸處理（圖4）；拉伸處理后利用ArcGIS的空間分析模塊生成海岸線（圖5）。

為了定量化評(píng)價(jià)基于LIDAR數(shù)據(jù)獲取海岸線的精度，分別選擇四個(gè)區(qū)域內(nèi)的構(gòu)筑物作為基準(zhǔn)（圖6），利用試驗(yàn)區(qū)高精度正射影像數(shù)據(jù)提取基準(zhǔn)岸線，并與LIDAR后處理的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果參見表1。

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)分析，基于LIDAR數(shù)據(jù)獲取海岸線精度是非常高的，可以滿足中小比例尺海岸線測(cè)繪的需要。為了便于分析實(shí)驗(yàn)區(qū)海岸線變化速率，該文將試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)化成四個(gè)研究區(qū)（圖5）。借助GIS軟件按照該文1.3節(jié)的統(tǒng)計(jì)模型統(tǒng)計(jì)計(jì)算研究區(qū)域岸線變化速率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，利用LIDAR進(jìn)行海岸線變化監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)短期海岸線環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

該文主要研究利用多時(shí)相、高精度LIDAR獲取的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線提取和海域使用變化信息識(shí)別，從而對(duì)海岸線變化速率進(jìn)行分析。初步建立LIDAR技術(shù)在海域使用信息變化提取中的技術(shù)流程，結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的海岸線變化信息進(jìn)行了提取并計(jì)算海岸線變化速率，研究表明LIDAR技術(shù)可以有效的對(duì)海岸線變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別在對(duì)短期的海岸線環(huán)境變化及海岸微地貌變化速率分析方面可獲取很好的結(jié)果，因此LIDAR技術(shù)可以應(yīng)用到海岸線環(huán)境變化、海域使用變化監(jiān)測(cè)及海岸微地貌變化識(shí)別與監(jiān)測(cè)中。

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