常直楊，王建，李晶冰，3，白世彪（.南京師范大學(xué)　地理科學(xué)學(xué)院，江蘇　南京　20023；2.南京旅游職業(yè)學(xué)院，江蘇　南京　200；3.南京林業(yè)大學(xué)　土木工程學(xué)院，江蘇　南京　20037）

基于地面激光掃描儀的潮灘地貌研究初探

常直楊1，2，王建1，李晶冰1，3，白世彪1
（1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210023；2.南京旅游職業(yè)學(xué)院，江蘇南京211100；3.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210037）

傳統(tǒng)潮灘地貌的研究方法難以刻畫潮灘的微觀地貌特征，地面激光掃描儀（TLS）的應(yīng)用為潮灘地貌的研究提供了新的切入點(diǎn)，然而目前關(guān)于TLS在潮灘地貌研究中鮮有報(bào)道。以江蘇東灶港海岸一段潮灘地貌為研究對象，基于野外掃描數(shù)據(jù)，對掃描區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估，并嘗試?yán)梅淳嚯x加權(quán)插值（IDW）與克里金插值（Kriging）方法構(gòu)建了潮灘地貌的數(shù)字高程模型（DEM）。研究結(jié)果表明：（1）通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的DEM數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)潮灘地貌的定量模擬；（2）利用IDW插值可以便捷高效構(gòu)建潮灘海量數(shù)據(jù)點(diǎn)的DEM；（3）利用TLS量化短期地貌變化如潮汐沉積旋回效果并不好。本研究可為利用TLS在潮灘微觀地貌中的量化研究提供參考。

地面激光掃描儀 （TLS）；潮灘；點(diǎn)云；數(shù)字高程模型（DEM）

潮灘，又稱之為灘涂，處于陸海相互作用的敏感地帶，是海岸系統(tǒng)的重要組成單元。潮灘上發(fā)生的地貌過程，主要包括有潮溝的遷移，潮灘的沉積，以及河流、海洋、風(fēng)對其的侵蝕。其地貌形態(tài)相對較為平坦，在外力作用下被刻蝕的程度并不是很大，如潮溝（寬深均為幾厘米，長約數(shù)米）、潮灘紋痕（約十厘米高，十幾厘米寬）等。傳統(tǒng)潮灘地貌的研究，主要包括應(yīng)用沉積物收集器、沉降板、沉降棒、超聲波測高計(jì)等儀器設(shè)備對潮灘沉積通量及地貌形態(tài)變化的實(shí)地測量，這些研究多集中潮灘的局部區(qū)域，難以開展潮灘大面積區(qū)域地貌形態(tài)定量研究。近些年，遙感及LiDAR技術(shù)的發(fā)展則為地貌的研究提供了新的視角。然而目前大部分研究多是基于航空LiDAR構(gòu)建DEM，開展大尺度區(qū)域地貌形態(tài)及地貌發(fā)育過程的定量研究，或利用地面LiDAR開展滑坡、巖崩等自然災(zāi)害及海岸峭壁的研究，而利用地面LiDAR技術(shù)開展微觀尺度潮灘地貌研究尚無先例。因此，本文嘗試探討利用地面激光掃描儀（TLS）在江蘇沿海潮灘地貌研究中的應(yīng)用，以期為潮灘地貌的定量研究提供必要的基礎(chǔ)性參考。

1　研究區(qū)概括

研究區(qū)位于江蘇省東南部沿海東灶港（32°08′10″N，121°28′59″E） （圖1），該區(qū)是典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸。東灶港受人類活動(dòng)影響較為劇烈，漲潮時(shí)漁船來往頻繁，灘面有明顯的圍墾現(xiàn)象。此外，該掃描點(diǎn)所處的海岸堤壩也是人工建造的，堤壩側(cè)面覆蓋有防御海浪沖擊的水泥方磚。人造堤壩向海突出的岬角位置，建有一座高約12 m的瞭望塔，為在該點(diǎn)進(jìn)行掃描工作提供了良好的儀器架設(shè)平臺。掃描時(shí)間選取在潮灘面盡可能多出露于水面的大潮時(shí)段，本研究野外測試及掃描獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間為2013年7月9日（農(nóng)歷六月初二）。

圖1　研究區(qū)位置及背景

2　潮灘數(shù)據(jù)獲取及其DEM構(gòu)建

2.1點(diǎn)云的獲取

本研究采用的地面LiDAR型號為Riegl LMSZ420i，為了獲得掃描范圍較廣、更多高程點(diǎn)信息，掃描位置固定在約12 m的瞭望塔上。通過Riscan Pro軟件把野外獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為ASCII文件，包含有每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的X、Y、Z屬性。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過可視化處理與降噪處理，以便用于進(jìn)一步的研究與分析。為了使得基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的DEM空間插值更加平滑準(zhǔn)確，利用CloudCompare軟件對人為釘在灘面上的木樁等數(shù)據(jù)冗余點(diǎn)進(jìn)行剔除。

2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評估

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位不易直接用其它儀器測量，因而給精度評定帶來了一定困難。本文采用堤壩上6個(gè)石樁表面的點(diǎn)位高程進(jìn)行評估，理論上，石樁表面是近乎水平，高程接近一致。通過每個(gè)石樁點(diǎn)位高程值與點(diǎn)位平均高程的差值統(tǒng)計(jì)，可以在一定程度上指示測量誤差的范圍。

2.3潮灘DEM的構(gòu)建

雖然，對潮灘地貌特征制圖與定量的分析，均可以通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接實(shí)現(xiàn)，但鑒于GIS軟件強(qiáng)大的空間分析功能及在地貌研究中的廣泛應(yīng)用，本文基于Arcgis9.3軟件利用反距離加權(quán)插值法（IDW）及克里金插值法（Kriging）建立潮灘掃描區(qū)DEM，并針對所建立的DEM進(jìn)行坡度、起伏度、山體陰影的地學(xué)分析。反距離加權(quán)插值法，是基于相近相似的原理：即兩個(gè)物體離得近，它們的性質(zhì)就越相似，反之，離得越遠(yuǎn)則相似性越小，它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大?？死锝鸩逯捣ㄊ且宰儺惡瘮?shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法。

2.4DEM精度評估

目前，DEM精度評估的方法較多，其中，檢查點(diǎn)法具有直觀、精確和易操作性的特點(diǎn)，因此本文采用此種方法檢驗(yàn)DEM的精度。檢查點(diǎn)法是將模型高程與相同位置實(shí)測點(diǎn)的高程進(jìn)行比較，經(jīng)過對比分析以評估DEM精度。在數(shù)據(jù)預(yù)處理中，經(jīng)過運(yùn)算隨機(jī)產(chǎn)生5%的實(shí)測點(diǎn)，用以評價(jià)DEM精度。模型高程與實(shí)測點(diǎn)高程差的絕對值為絕對誤差，絕對誤差與實(shí)測點(diǎn)高程的比為相對誤差。

3　結(jié)果與討論

3.1點(diǎn)云

由于灘面地勢起伏低，獲取的灘面反射信號較少，而距陸較遠(yuǎn)處灘面受水浸泡，灘面較暗，反射信號也不強(qiáng)烈，因此通過掃描只獲取了灘面最遠(yuǎn)約150 m的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖2是由經(jīng)過掃描共約2 236 144個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成，掃描面積約9 766 m2。通過激光掃描儀獲取的灘面點(diǎn)云數(shù)據(jù)并非均勻分布，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每平方米大約分布200-800個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)且在靠近掃描儀的灘面分布較為密集，隨著距離的增加點(diǎn)云分布逐漸稀疏。另外掃描期間受潮灘水面及掃描視線的影響，部分灘面上沒有點(diǎn)云分布。

圖2　研究區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評估

6個(gè)石樁隨距掃描儀的遠(yuǎn)近，TLS測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由752至30發(fā)生變化，總計(jì)1210個(gè)點(diǎn)。圖3a為每個(gè)石樁的誤差統(tǒng)計(jì)，從圖中可以看出，50%的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差小于0.3 cm，第一個(gè)石樁誤差統(tǒng)計(jì)范圍較大，最大偏差可達(dá)1.8 cm，可能是由于其樣本數(shù)較多（752個(gè)），因而會存在相對較多的異常值致使誤差統(tǒng)計(jì)增大，其它石樁統(tǒng)計(jì)誤差范圍均在±1 cm之內(nèi)。圖3b為1 210個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)整體誤差分布統(tǒng)計(jì)，從圖中可以看出誤差統(tǒng)計(jì)分布近似正態(tài)分布，80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差小于0.5 cm，42.6%的數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差小于0.2 cm。如果對同一潮灘區(qū)域多期掃描成像，可以定量觀測潮溝擺動(dòng)、潮灘沉積過程的時(shí)空變化，但是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度評估，可知在短期內(nèi)毫米級地貌變化過程中（潮汐旋回等）的應(yīng)用效果可能并不明顯。

圖3　雷達(dá)掃描誤差分析（a：每個(gè)石樁誤差統(tǒng)計(jì)（1=752，2=254，3=96，4=41，5=37，6=30，全部=210）b：全部石樁誤差分布直方圖）

3.3DEM構(gòu)建及精度評估

在Arcmap中加載地統(tǒng)計(jì)分析模塊（Geostatistical Analyst），應(yīng)用模塊中的Greate Subsets工具按隨機(jī)方式分解成兩部分，一部分占95%，共2 124 338個(gè)觀測點(diǎn)，用以構(gòu)建DEM；另一部分占5%，共111 807個(gè)觀測點(diǎn)，用以評價(jià)DEM精度。應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)向?qū)е械腎DW插值及普通Kriging插值完成對2 124 338個(gè)點(diǎn)的插值運(yùn)算，其中，反距離加權(quán)法的距離權(quán)重指數(shù)設(shè)為2，站點(diǎn)搜索范圍設(shè)為12，普通克里金插值法采用系統(tǒng)默認(rèn)的球狀模型、主自相關(guān)閾值為60.78，步長為5.13，步長組的數(shù)目為12，輸出柵格大小為1 cm×1 cm的格網(wǎng)DEM（圖4，圖5），圖4是在surfer軟件中生成的三維曲面圖。表1是DEM誤差平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1　DEM誤差統(tǒng)計(jì)表

圖4　掃描區(qū)3D曲面圖

圖5　掃描區(qū)DEM及主要地貌參數(shù)（a：DEM高程分布b：山體陰影c：起伏度分布d：坡度分布）

從表1中可知，IDW插值的平均絕對誤差為0.012 2 m，平均相對誤差為0.6%；Kriging插值的平均絕對誤差和平均相對誤差為0.0097m和0.5%。根據(jù)數(shù)字高程模型標(biāo)準(zhǔn)中對高程誤差的規(guī)定，高程中誤差最低的平地為0.5 m。因此，檢查點(diǎn)法評估結(jié)果表明利用IDW插值法和Kriging插值法所建立的格網(wǎng)DEM精度是符合要求的。Kriging插值效果略優(yōu)于IDW插值，但是考慮到插值運(yùn)算的時(shí)間（表1），這里建議利用IDW插值完成潮灘DEM的構(gòu)建。

3.4地貌參數(shù)分析

通過Surfer軟件完成掃描區(qū)域3D曲面圖的構(gòu)建（圖4）及Arcgis軟件完成掃描區(qū)DEM、山體陰影、起伏度及坡度的地學(xué)分析（圖5）。從兩幅圖中可以看出，宏觀上，掃描區(qū)域從防波堤到碎石堆再到整個(gè)灘面，地貌形態(tài)得到了很好的展現(xiàn)，防波堤相對規(guī)則，碎石堆比較雜亂，堤壩和碎石堆相比平坦的灘面地貌起伏度和坡度均較大、而潮溝受水流侵蝕作用較強(qiáng)烈，相比平坦潮灘面起伏度和坡度值比較大。微觀尺度上，通過對山體陰影圖局部區(qū)域的放大（圖6a），可以清楚的看到潮灘面上一些生物的腳印，一些更加細(xì)小的潮溝及潮灘紋狀地貌（寬約15~20 cm，長約50~70 cm） （圖6b）。從掃描區(qū)域宏觀和微觀尺度上的地貌分析，也驗(yàn)證了建立DEM的可靠性，因此利用IDW插值構(gòu)建的DEM是對潮灘真實(shí)地貌的模擬。但是需要注意的是，在潮灘地貌中，受局部區(qū)域地形起伏、掃描方向及水面的影響，地面激光掃描儀不能獲得潮溝深處及一些紋狀面背面處的數(shù)據(jù)信息（圖6c中空白處）。

4　結(jié)論與展望

傳統(tǒng)潮灘地貌的研究多集中在局部點(diǎn)上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，定量化程度不高，而TLS則可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度較大范圍的地貌定量化觀測，最近，Waldemar等成功利用TLS技術(shù)精細(xì)刻畫了極地環(huán)境下Scott河流河床空間變化的地貌過程。本文將TLS應(yīng)用到江蘇沿海潮灘微觀地貌研究中，通過初步分析有以下認(rèn)識。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)及由點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的DEM能夠便捷高效的實(shí)現(xiàn)潮灘微觀地貌定量模擬；利用GIS軟件構(gòu)建潮灘DEM能夠更有效的分析潮灘地貌特征，可以有效地刻畫出厘米、分米尺度的地貌；在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM時(shí)，IDW方法相比Kriging方法計(jì)算耗時(shí)短、計(jì)算精度接近Kriging法，推薦在海量數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建潮灘DEM時(shí)首選IDW法；由于LiDAR掃描儀器自身的數(shù)據(jù)誤差，測量短期內(nèi)潮溝變化、潮灘沉積等地貌過程其效果不太理想，但如果這些地貌變化遠(yuǎn)大于儀器自身的誤差，則仍可使用地貌激光掃描儀進(jìn)行觀測；受潮灘水面及雷達(dá)掃描方向的影響，一些灘面、潮溝深處及紋狀地貌背面處較難獲取數(shù)據(jù)信息，在今后的研究中可以考慮采用多角度掃描的方法。

圖6　掃描區(qū)微觀地貌特征（a：潮灘上生物腳??；b：紋狀地貌；c：Arcmap中點(diǎn)圖層示意）

Cavalli M,Marchi L,2008.Characterisation of the surface morphology of an alpine alluvial fan using airborne LiDAR.Natural Hazards and Earth System Science,8:323-333.

Hapke C J,Reid D,Richmond B,2009.Rates and Trends of Coastal Change in California and the Regional Behavior of the Beach and Cliff System.Journal of Coastal Research,253:603-615.

Lim M,Rosser N J,Allison R J,et al,2010.Erosional processes in the hard rock coastal cliffs at Staithes,North Yorkshire.Geomorphology, 114（1-2）:12-21.

Marani M,Lanzoni S,Silvestri S,et al,2004.Tidal landforms,patterns of halophytic vegetation and the fate of the lagoon of Venice. Journal of Marine Systems,51（1-4）:191-210.

Marion C,Anthony E J,Trentesaux A,2009.Short-term（<2 yrs） estuarine mudflat and saltmarsh sedimentation:High-resolution data from ultrasonic altimetery,rod surface-elevation table,and filter traps.Estuarine Coastal and Shelf Science,83（4）:475-484.

Sekiguchi T，Sato H P,2004.Mapping of micro topography using airborne laser scanning.Landslides,1（3）：195-202.

Waldemar Kociuba,Waldemar Kubisz,Piotr Zagorski.Use of terrestrial laser scanning（TLS） for monitoring and modeling of geomorphic processes and phenomena at a small and medium spatial sale in Polar environment（Scott River-Spitsbergen） .Geomorphology, 212,84-96.

Wang J,Bai C,Xu Y,et al,2010.Tidal Couplet Formation and Preservation,and Criteria for Discriminating Storm-Surge Sedimentation on the Tidal Flats of Central Jiangsu Province,China.Journal of Coastal Research,26（5）:976-981.

Yoshikawa S,Nemoto K,2010.Seasonal variations of sediment transport to a canyon and coastal erosion along the Shimizu coast,Suruga Bay, Japan.Marine Geology,271（1-2）:165-176.

Zhang L,Ma H,Wu J,2012.Utilization of LiDAR and tidal gauge data for automatic extracting high and low tide lines.Journal of Remote Sensing，16（2）：405-416.

何茂兵，吳健平，2008.基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的九段沙潮灘高程獲取.長江流域資源與環(huán)境，17（2）：310-316.

林先秀，2012.基于LIDAR技術(shù)的海岸區(qū)域地形圖獲取.地理空間信息，10（1）：37-39.

任岳森，羅美雪.ArcGIS支持下的海岸帶DEM構(gòu)建與精度評估分析.地理空間信息，9（6）：93-95.

湯國安，楊昕，2011.ArcGis地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程.北京:科學(xué)出版社，2006：308-435.

王建，柏春廣，徐永輝，2006.江蘇中部淤泥質(zhì)潮灘潮汐層理成因機(jī)理和風(fēng)暴沉積判別標(biāo)識.沉積學(xué)報(bào)，24（4）：562-569.

王建，2012.江蘇省海岸灘涂及其利用潛力.海洋出版社：19.

王勇，熊愛武，2013.機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評定方法的研究.測繪與空間地理信息，36（8）：130-134.

（本文編輯：李曉光）

Preliminary study about the geomorphology in the tidal flat based on the terrestrial laser scanning

CHANG Zhi-yang1,2,WANG Jian1,LI Jing-bing1,3,BAI Shi-biao1
（1.School of Geography Science,Nanjing Normal University,Nanjing 210023,China；2.Nanjing Institute of Tourism and Hospitality, Nanjing 211100,China；3.College of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China）

Traditional tidal geomorphology research methods are difficult to characterize the micro tidal geomorphology, and the emergence of terrestrial laser scanning（TLS）provides a new sight in studying tidal geomorphology.However, there is little study about using the TLS technique in tidal geomorphology studies currently.We use field scan data to obtain the point clouds in the coastal tidal flatof Dongzaogang.Firstly,we carried out the noise reduction of the point clouds,and then the accuracy of the measurements was assessed by the analysis of elevation deviations for flat and horizontal concrete blocks.Finally,we attempted to construct tidal flat DEM using the method of IDW and Kriging interpolation.It can be concluded that the constructed DEM based on point clouds can quantitatively model the real topography of tidal flat.The interpolation method of IDW can construct DEM quickly.Due to the data error of the LiDAR scanners itself,it may be not good to measure the short term changes in geomorphological processes such as tidal creeks and tidal deposition.But TLS can be still used if the change of the landscape is much larger than the error of the instrument itself.The results provide a reference for using TLS to study microscopic landscape quantitatively.

terrestrial laser scanning；tidal flats；point clouds；digital elevation model

王建，教授，博士生導(dǎo)師，電子郵箱：jwang169@vip.sina.com。

P714

A

1001-6932（2016）03-0258-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.003

2015-03-21；

2015-06-09

中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2012M511298）。

常直楊（1987-），男，博士，從事GIS及RS在地貌研究中的應(yīng)用，電子郵箱：changzhiyang1@126.com。