羅正龍，袁崢，吳瑋

(1.寧波市阿拉圖數(shù)字科技有限公司，浙江 寧波 315042； 2.寧波市測繪和遙感技術(shù)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(tài)功能和資源價值，關(guān)系國家海洋生態(tài)安全，海洋經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展和沿海地區(qū)民生福祉，海岸線的調(diào)查、信息提取及變遷研究是海岸線研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。近十幾年來，依托海洋空間資源，海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。然而，不合理的空間開發(fā)布局和簡單粗放的開發(fā)利用方式，導(dǎo)致海岸線資源浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境惡化和區(qū)域承載力下降，已影響到沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。如何快速、準(zhǔn)確地獲取自然淤積區(qū)海岸線，對沿海地區(qū)編制國土空間規(guī)劃，科學(xué)制定自然岸線保有率管控目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)海岸線資源精細(xì)化管理具有重大意義。

沿海自然淤積區(qū)三維地理信息的精確獲取是海岸線勘定的重要前提。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)兼具快速、高效、準(zhǔn)確的特性已經(jīng)成為地表三維數(shù)據(jù)獲取的一種重要方法[2，3]。該技術(shù)穿透地表植被，經(jīng)過分類處理能夠獲取真實(shí)的地形地貌數(shù)據(jù)[4，5]。

本文以機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于自然淤積區(qū)海岸線勘定為例，闡述機(jī)載激光雷達(dá)測量方法在自然淤積區(qū)海岸線測量上的可行性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)海岸線測量技術(shù)無法準(zhǔn)確測量自然淤積區(qū)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(fēng)險。本文采用集成激光、GNSS和INS 3種技術(shù)的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，通過非接觸目標(biāo)的激光掃描測量的方法，對自然淤積區(qū)地表進(jìn)行高精度測量，以獲取地形地貌三維數(shù)據(jù)。

本次項(xiàng)目采用整體結(jié)構(gòu)小、重量輕的AS-900HL多平臺激光雷達(dá)測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(圖1)。通過高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，快速實(shí)時采集地表高精度三維數(shù)據(jù)。

圖1 AS-900HL多平臺激光雷達(dá)測量系統(tǒng)

自然淤積區(qū)海岸線測量主要作業(yè)流程為實(shí)地踏勘、控制測量、航線布設(shè)、外業(yè)航測、數(shù)據(jù)處理、實(shí)地檢核、潮位分區(qū)、海岸線位置計算。

2.1 實(shí)地踏勘

在工作開展前應(yīng)前往現(xiàn)場充分了解測區(qū)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(diǎn)是激光雷達(dá)測量的起算依據(jù)。應(yīng)根據(jù)踏勘情況，在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)滿足要求的平高控制點(diǎn)。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(zhǔn)測量施測。

2.3 航線布設(shè)

為滿足現(xiàn)行《CH/T 8023機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》航線規(guī)范的相關(guān)要求，基于激光點(diǎn)云精度要求出發(fā)，從航線重疊度、點(diǎn)云密度、測區(qū)GPS信號強(qiáng)度，進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)計飛行方向、生成最佳任務(wù)航線。為提高地面點(diǎn)的密度及激光雷達(dá)的穿透率，保證測量精度，可重新設(shè)計飛行路線重復(fù)航飛[6]。

2.4 外業(yè)航測

沿已規(guī)劃好的航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集之前，為保證移動測量系統(tǒng)精度，應(yīng)選用滿足CH/T 8023-2011的GPS接收機(jī)2Hz要求的設(shè)備作為基站儀器。

2.5 數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)解算

機(jī)載測量系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)解算是利用Waypoint軟件對POS數(shù)據(jù)、GPS基站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，流程如圖2所示。

圖2 POS數(shù)據(jù)處理流程

(2)點(diǎn)云解算

采用雙差分定位方法，在已知精確坐標(biāo)的點(diǎn)上架設(shè)地面基站，測定具有空間相關(guān)性的誤差或其對測量定位結(jié)果的影響，利用精密星歷和鐘差文件進(jìn)行改正解算，獲取高精度結(jié)果。將聯(lián)合定位信息加入處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理，獲得激光掃描儀機(jī)載測量系統(tǒng)模式的行跡文件，確定每一個激光點(diǎn)的坐標(biāo)值，對整個點(diǎn)云文件進(jìn)行定向。

(3)點(diǎn)云濾波

利用Terrasolid軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊，將經(jīng)過分塊后的點(diǎn)云文件進(jìn)行自動分類和人工分類。對于特定的難以區(qū)分的地物，在自動分類的基礎(chǔ)上采用手動將其分類提取。點(diǎn)云自動分類流程如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云分類流程

(4)DEM制作

利用Terrasolid中的TerraModel軟件將地面點(diǎn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，加入特征線數(shù)據(jù)輔助，進(jìn)行內(nèi)插提取高程值，獲得DEM產(chǎn)品。對于因地表模型存在局部不合理區(qū)域造成的DEM錯誤，利用人機(jī)交互分類工具進(jìn)行細(xì)節(jié)修正。

2.6 點(diǎn)云精度評價

因自然淤積區(qū)灘涂地植被分布不均且現(xiàn)場情況不一致，為確保機(jī)載激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)精度滿足需求，全部通過現(xiàn)場人工測量方式測量不同植被分布地測量原始地坪標(biāo)高，與機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測量成果進(jìn)行評價分析。

2.7 潮位分區(qū)[7]

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

2.8 海岸線位置計算

利用各分區(qū)平均大潮高潮位數(shù)值結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)可視化分析的方式將不同分區(qū)的海岸線計算出來：以分區(qū)潮位數(shù)值為分界點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)云分類兩色圖，計算海岸線位置。

3 點(diǎn)云精度評價

為了驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性，確保機(jī)載激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)精度滿足需求，對整個灘涂內(nèi)人工可達(dá)到的區(qū)域，采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法采集海岸線兩側(cè)范圍內(nèi)不同植被分布區(qū)域的檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并假定人工實(shí)地測量的數(shù)值是真實(shí)值，將其與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而評定機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量精度。

激光點(diǎn)云測量范圍覆蓋整個灘涂區(qū)域。本次獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云密度為212個/m2，優(yōu)于現(xiàn)行CH/T 8023對 1∶500地形圖密度16個點(diǎn)的要求，并采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法采集測區(qū)范圍內(nèi)的198個檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。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(jù)統(tǒng)計結(jié)果，說明機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

表1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與人工實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析表

續(xù)表1

4 注意問題

在本次測量及數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)，除硬件與軟件系統(tǒng)以外，以下兩個方面會對測量精度產(chǎn)生影響。

(1)起算基準(zhǔn)：機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)起算基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)均勻布設(shè)在沿海灘涂周邊穩(wěn)固的地面上，若灘涂內(nèi)存在人類活動產(chǎn)生的硬化土質(zhì)路面，宜根據(jù)實(shí)地條件增設(shè)起算基準(zhǔn)點(diǎn)；

(2)灘涂環(huán)境：自然淤積區(qū)內(nèi)植被的類型、高低、疏密會直接影響激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精度；植被過密會影響激光的穿透性，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)無法反映真實(shí)的地形。實(shí)地檢測時應(yīng)結(jié)合灘涂區(qū)域的高分辨率影像，并根據(jù)植被的分布特征來選取檢測的區(qū)域。

5 結(jié) 論

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

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在獲取地表三維地理信息數(shù)據(jù)具有高效、便捷、精確的特性，使自然淤積區(qū)海岸線動態(tài)變化監(jiān)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(xì)化管理提供決策支撐。