激光雷達(dá)在灘涂海岸地形測量中的應(yīng)用

 

 

　　海岸帶和沿海灘涂是海陸結(jié)合部，對這片廣闊與富饒的區(qū)域進(jìn)行科學(xué)、有效、有序、可持續(xù)性的開發(fā)具有極大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)雙重效益。因環(huán)境復(fù)雜、條件困難，使得通過傳統(tǒng)的陸地測量與航測手段很難獲得精確的地理信息資料，造成在實(shí)際工作中一直沿用以前不準(zhǔn)確的資料。這些資料已經(jīng)不能滿足迅速發(fā)展的沿海經(jīng)濟(jì)的需要，更無法與沿海已建立的完善的測繪基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)相匹配。
　　基于激光掃描技術(shù)的航空遙感調(diào)查能夠快速、準(zhǔn)確地獲取地表高精度、高密度的高程數(shù)據(jù)，在高精度全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和慣性測量裝置(inertial measurement unit，IMU)的支持下，無需大量地面控制點(diǎn)，即可生成高精度的數(shù)字地形模型(digital terrain model，DTM)，在潮汐修正、海岸帶信息提取和分類等方面極具優(yōu)勢，是未來海岸帶和海島調(diào)查最具潛力的重要手段。

 

 

　　激光雷達(dá)技術(shù)(1ight detection and ranging，LIDAR)集激光測距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測量裝置／差分全球定位技術(shù)于一體，該技術(shù)在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重大突破，為獲取高時(shí)空分辨率的地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。機(jī)載LIDAR系統(tǒng)不僅能快速獲取高程數(shù)據(jù)，而且在地形測繪、環(huán)境監(jiān)測、三維城市建模、海洋科學(xué)、地球科學(xué)、行星科學(xué)等諸多領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景。機(jī)載LIDAR系統(tǒng)與其他遙感技術(shù)相比較具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等技術(shù)特點(diǎn)，是目前最先進(jìn)的能實(shí)時(shí)獲取地形表面三維空間信息和影像的航空遙感系統(tǒng)。

2.1 LIDAR定位原理

　　LIDAR系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)射激光脈沖，精確記錄傳感器發(fā)射和接收激光脈沖信號瞬時(shí)時(shí)刻，利用光速恒定的原理，將發(fā)射和反射時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為斜距量測，疊加傳感器的高度、激光掃描角度，以及從GPS得到的傳感器的位置信息后，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出激光脈沖所到達(dá)地面的每個(gè)光斑的三維坐標(biāo)。此外，由點(diǎn)形成線靠行掃描技術(shù)，由線形成面靠觀測平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)完成，最終使激光點(diǎn)均勻布滿整個(gè)面，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

 

　　假設(shè)三維空間中一點(diǎn)O的坐標(biāo)(X_o，Y_o，Z_o)已知，求出該點(diǎn)到地面上某一待定點(diǎn)P的向量S，則P點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y，Z)就可以用0坐標(biāo)聯(lián)合向量計(jì)算所得。通常已知點(diǎn)O的三維坐標(biāo)由GPS提供，方向余弦由觀測平臺(tái)法線的俯仰角φ、側(cè)滾角w、偏航角k，及觀測方向與法線間夾角θ組成的矢量矩陣算出，其中觀測平臺(tái)法線的φ、w、k，(由IMU給出，向量的大小由激光測距儀給出。當(dāng)上述X_o、Y_o、Z_o、φ、w、k、θ、S已知，那么任意待定點(diǎn)P的三維坐標(biāo)即可求出。

2.2 LIDAR的技術(shù)特點(diǎn)

　　LIDAR作為一種新型的遙感技術(shù)，它具有鮮明的特點(diǎn)。

　�、� 主動(dòng)發(fā)射激光來掃描地面和地面上的目標(biāo)，是一個(gè)全天時(shí)全天候的獲取地面三維數(shù)據(jù)的系統(tǒng)；

　�、� 激光脈沖信號能部分穿透植被等，可同時(shí)測量地面和非地面層；

　�、� 不需要或極少需要進(jìn)行測量現(xiàn)場干擾，不需要大量地面控制點(diǎn)；

　　④ 獲取的數(shù)據(jù)量大，且平面和高程精度高，數(shù)據(jù)的絕對精度在0.30m以內(nèi)；

　　⑤ 數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高；

　�、� 集成了先進(jìn)的遙感(remote sensing，RS)和GPS技術(shù)，其所獲得的數(shù)據(jù)可直接作為地理信息系統(tǒng)(GIS)的數(shù)據(jù)源。

 

 

　　LIDAR是遙感技術(shù)的最新成果，它在灘涂海岸帶中主要用于數(shù)據(jù)采集，包括獲取地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程；提取地物以及輸出多種數(shù)字產(chǎn)品，即數(shù)字地形模型(DTM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字柵格地圖(DRG)和數(shù)字線劃地圖(DLG)。另外，在適應(yīng)灘涂海岸帶的特點(diǎn)上，與傳統(tǒng)的遙感及航空攝影測量相比，LIDAR有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 灘涂海岸帶特點(diǎn)

　　沿海灘涂大部分為淤泥質(zhì)平原海岸帶，灘地比較開闊，此外灘涂地形、地貌、自然植被等具有特殊性，故其測量也不同于一般的地面測量。

　�、� 灘涂屬于典型的開放系統(tǒng)，具有自然的空間動(dòng)態(tài)遷移特性，對外部干擾敏感。因此，弄清沿海灘涂的形成機(jī)理及其演變特征，發(fā)展空間監(jiān)測技術(shù)，實(shí)施沿海灘涂定量動(dòng)態(tài)監(jiān)測，掌握灘涂變化規(guī)律，是進(jìn)行沿海灘涂開發(fā)應(yīng)用研究的前提。由于灘涂覆被層的空間特征不但隨灘涂本身發(fā)生變化，且存在季節(jié)和年度變化，使得用于數(shù)據(jù)采集的傳感器能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測且成本低廉。

　�、� 潮灘是海陸交匯的特殊地帶，隨著潮汐周期的變化和水位的升降，漲與落的潮流往復(fù)于灘坡上，使潮灘出現(xiàn)淹沒和露出水面的交替性變化。因此，人不易到達(dá)，在此難以布置有效的地面控制點(diǎn)，使得進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)不需要大量的地面控制點(diǎn)且不需要或很少需要進(jìn)入測量現(xiàn)場。

　　通過上面論述，發(fā)現(xiàn)機(jī)載LIDAR技術(shù)在灘涂海岸地形測量中的應(yīng)用具有實(shí)際意義，運(yùn)用機(jī)載LIDAR系統(tǒng)進(jìn)行沿海灘涂高精度測圖，解決傳統(tǒng)航測必需在測圖區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量控制點(diǎn)而實(shí)際人員難以到達(dá)的難題，填補(bǔ)我國灘涂海岸帶高精度測圖技術(shù)與手段的空白。

3.2 LIDAR的應(yīng)用

3.2.1 LIDAR數(shù)據(jù)處理流程

　　機(jī)載LIDAR系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后可以與其他各種數(shù)字圖像進(jìn)行融合，輸出各種測繪和遙感產(chǎn)品。LIDAR系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集到產(chǎn)品輸出可分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云濾波分類、LIDAR數(shù)據(jù)與其他遙感數(shù)據(jù)的融合與應(yīng)用、基于LIDAR數(shù)據(jù)地物檢測和建模等6個(gè)主要數(shù)據(jù)處理流程，詳細(xì)處理流程如圖2所示。

 

3.2.2 建立數(shù)字地形模型

　　LIDAR技術(shù)最主要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是高密度、高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接反映激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)，使得生產(chǎn)高精度、高分辨率的DTM成為可能，它是解決快速進(jìn)行DTM數(shù)據(jù)采集的最有效方法。DTM的制作過程為：通過自動(dòng)或人工交互處理，把入射到植被、房屋、建筑物等非地面點(diǎn)云進(jìn)行分類、濾波或去除，然后構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，就可以快速提取DTM。

3.2.3 采集灘涂海岸測繪的基礎(chǔ)地理信息

　　LIDAR系統(tǒng)除了構(gòu)建數(shù)字地形模型外，還可以結(jié)合其他數(shù)據(jù)(數(shù)字影像)制作其他基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品，主要有DOM、DLG和DRG。

　�、� DOM制作。先對LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和相關(guān)處理，然后依據(jù)LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)對CCD影像數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正與鑲嵌，即可生成DOM數(shù)據(jù)。

　�、� DLG制作。由LIDAR點(diǎn)云建立DTM，接著生成等高線和高程注記點(diǎn)，然后依據(jù)DOM、DTM、等高線及高程點(diǎn)進(jìn)行道路、水系與植被等地物要素的綜合分類和提取，最終形成DLG數(shù)據(jù)，如圖3所示。

 

　�、� 高精度的高程測量。機(jī)載LIDAR技術(shù)和精化大地水準(zhǔn)面成果相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)直接利用GPS測量數(shù)據(jù)替代水準(zhǔn)高程測量而滿足制作1:5000(甚至更大比例尺)的DEM、等高線、DOM和DLG產(chǎn)品的高程測量精度。

3.2.4 快速生成海岸帶與海島的三維地形模型

　　數(shù)字海岸還需要構(gòu)建高精度、真三維、可量測，具有真實(shí)感的海岸帶三維模型作為管理海岸的虛擬平臺(tái)。但是采用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行海岸三維建模時(shí)，工作量大，效率低，且效果并不好，影響了數(shù)字海岸服務(wù)面的寬度和深度。利用LIDAR技術(shù)對海岸帶進(jìn)行空中激光掃描或地面多角度激光掃描，可以快速獲取目標(biāo)高密度、高精度的三維點(diǎn)坐標(biāo)，在軟件支持下對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建和紋理映射，很方便地構(gòu)建大面積的海岸三維模型。并可以實(shí)施快速動(dòng)態(tài)更新，為數(shù)字海岸建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的持續(xù)性、歷史性提供了確實(shí)的保障。

 

 

　　激光雷達(dá)技術(shù)是遙感技術(shù)的新發(fā)展，其在灘涂海岸中有著廣泛的應(yīng)用前景，為數(shù)字海岸提供了更加豐富的數(shù)據(jù)來源。不斷加強(qiáng)和拓寬激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)字海岸中的應(yīng)用有著巨大的潛力和深遠(yuǎn)的意義。