機載LiDAR技術(shù)在灘涂地形圖生產(chǎn)中的應用

發(fā)布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：9775

　　1、前言

　　灘涂是海岸帶平均高潮線與平均低潮線之間向海洋和緩傾斜的灘面，由淤泥質(zhì)或沙質(zhì)河海沉積物組成，其灘涂為海岸帶的重要組成部分。浙江沿海灘涂大部分為淤泥質(zhì)平原海岸帶，灘地比較開闊。灘涂會隨著潮汐周期的變化和水位的升降交替性變化，區(qū)域內(nèi)難以布置有效測圖控制點，又因為灘涂地勢較為平坦，灘涂影像較為單一，立體模型測標點對貼近灘涂面不敏感，等高線走向較難把握。沿用傳統(tǒng)的航空攝影測量手段很難獲得精確的海岸帶地理信息。

　　機載激光雷達（LiDAR）是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng)，是集激光掃描儀（Scanner）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一體的空間測量技術(shù)，能夠快速、準確地獲取地表三維空間信息。無需大量的地面控制點，卻能夠獲取到海岸帶灘涂地理信息。同時將獲取的LiDAR激光點云數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與編輯，最終能得到灘涂的DSM、DEM、DOM、DLG等地形圖產(chǎn)品。

　　2、灘涂地形圖生產(chǎn)

　　2.1 灘涂地形圖生產(chǎn)流程

　　灘涂數(shù)字線劃圖生產(chǎn)范圍是海岸線到理論深度0米之間的帶狀區(qū)域。利用機載LiDAR技術(shù)生產(chǎn)灘涂地形圖主要是通過獲取的點云數(shù)據(jù)，在TerraSolid中進行濾波分類，生成數(shù)字高程模型DEM，并結(jié)合數(shù)字正射影像圖DOM 在Microstation V8環(huán)境下進行海部要素的提取和采集，再經(jīng)過調(diào)繪核查，內(nèi)外業(yè)一體化生產(chǎn)方式編輯成圖。灘涂地形圖還需與海岸線上的基礎(chǔ)測繪地形圖和理論深度0米以下的水下地形圖進行無縫銜接。綜合利用現(xiàn)代測繪技術(shù)與信息，構(gòu)建灘涂海岸帶的現(xiàn)代測繪技術(shù)體系，實現(xiàn)海、陸地理信息一體化。

　　2.2 海岸線位置確立

　　海岸線是指平均大潮高潮位的水陸分界線，也是海洋與陸地的分界線。海岸線是基礎(chǔ)地理信息的重要數(shù)據(jù)，在灘涂DLG生產(chǎn)中，海岸線位置的確立是一個很關(guān)鍵的工作。灘涂地形圖的海岸線是以最新基礎(chǔ)測繪1∶10000為基礎(chǔ)，海岸線發(fā)生變化部分利用了LiDAR點云成果，以岸線理論高程值（如杭州灣3.2米）生成高程等值線結(jié)合DOM影像痕跡線進行人工海岸線、自然海岸線、河口海岸線位置精化。海岸線與內(nèi)陸河流的具體分界點參照我省大陸海岸線測量成果，原則上以水閘、橋或河口作為分界點，保持海岸線空間形態(tài)特征。

　　新增的人工岸線按點云生成等值線與新增碼頭、無灘加固岸等DOM影像及點云生成模型套和采集海岸線，確保海岸線采集精度。

　　海岸線的線面必須保持一致性，海域面的邊緣線與海岸線、河口岸線重合構(gòu)面。灘涂線與海岸線重疊進行灘涂構(gòu)面，DLG疊加DOM顯示的灘涂海岸帶。

　　2.3 碼頭與海岸線要素關(guān)系

　　港口是海岸帶最重要的人工設(shè)施，浙江沿海經(jīng)濟發(fā)達，擁有眾多港口、碼頭。機載LiDAR技術(shù)掃描的點云數(shù)據(jù)除了三維坐標，還具有反射強度信息，它能反映出地表物體對激光的作用信息，一般堤壩、碼頭都是由石沙、混凝土等構(gòu)筑，因而堤壩、碼頭反射率較其周圍地物要高，在點云數(shù)據(jù)濾波分類時保留防洪堤、調(diào)節(jié)閘這些地物頂部的點云數(shù)據(jù)，便于灘涂地形圖地理要素的采集。激光點云能完整呈現(xiàn)地物地貌的細節(jié)，因此數(shù)據(jù)的采集可通過紋理、形態(tài)、顏色解譯判讀，確認防洪堤、碼頭等水工建筑要素和位置。

　　碼頭與人工岸線在圖形結(jié)構(gòu)上是組合關(guān)系，由于碼頭類型不同，在圖形與要素間關(guān)系的處理上與基礎(chǔ)測繪地形圖一致，固定順岸式碼頭、固定堤壩式碼頭是沿人工岸線或由陸地延伸到海域中的碼頭，碼頭符號按其形狀用相應要素線沿人工岸線重合表示；棧橋式、浮碼頭是由架空建筑物從陸地向海域延伸并架空于海面上的碼頭，碼頭符號按其形狀用相應要素線表示，靠岸部分要素線與人工岸線重合，符號其余部分疊加在海面上。

　　2.4 灘涂要素表達

　　灘涂是海岸帶的重要組成部分，是海岸線與理論低潮界之間的潮浸地帶，高潮時被海水淹沒，低潮時露出。灘涂可分為泥灘、巖灘、沙灘，灘涂性質(zhì)依據(jù)最新基礎(chǔ)測繪1∶10000資料和DOM影像內(nèi)業(yè)進行判讀確定，灘涂要素用相應的填充符號以面狀表示，范圍由海岸線與理論深度0米線進行構(gòu)面，當依比例尺的干出礁在灘涂上時，干出灘面鏤空，面、線重合表示。

　　2.5 等高線與高程點要素的提取

　　由于LiDAR技術(shù)沒有三維立體測圖環(huán)境，灘涂等高線成果是利用已濾波、分類好的地面點成果數(shù)據(jù)，結(jié)合帶有高程信息的特征線就可在TerraSolid的TerraScan與TerraModerler模塊完成粗DEM生產(chǎn)，精細的DEM需要在ArcToolbox中3D Analyst Tools＼Raster Surface＼Contour List中處理，然后獲得等高線。由于LiDAR點云密度較大，生成等高線節(jié)點過密，局部等高線會出現(xiàn)紊亂，產(chǎn)生小毛刺以及多余封閉曲線等問題。因此需要套合DOM影像，根據(jù)地形地貌形態(tài)，剔除多余封閉曲線，并對等高線進行修飾、圓滑處理，從而得到美觀無冗余數(shù)據(jù)等高線成果。

　　灘涂高程點成果是利用TerraSolid軟件TerraModeler模塊中相關(guān)功能，從點云數(shù)據(jù)中提取高程注記點。高程注記點密度為10～20點/平方千米。提取的高程點和等高線在MicroStation V8環(huán)境下進行點線矛盾檢測與修改。等高線及高程點提取效果圖如圖2。

　　2.6 成果一致性

　　由于機載LiDAR獲取的點云坐標是在WGS-84坐標系下建立的，而我們需要的是CGCS2000坐標，因此需要進行坐標轉(zhuǎn)換。

　　一是通過TerraSolid軟件對點云進行平面和高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，將WGS84系統(tǒng)的UTM投影的平面坐標，轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標系統(tǒng)的高斯投影平面坐標；將WGS84系統(tǒng)的大地高，通過應用浙江省似大地水準面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1985高程基準的正常高，實現(xiàn)LiDAR測高數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換。

　　其次將基礎(chǔ)測繪1∶10000數(shù)字線劃圖作為生產(chǎn)的基礎(chǔ)底圖，保證灘涂地形圖與基礎(chǔ)測繪1：10000圖無縫拼接。灘涂地形圖所表示的點、線、面要素分類代碼統(tǒng)一采用標準DB33/T 817-2010（浙江省《基礎(chǔ)地理信息要素分類與圖形表達代碼》的要求執(zhí)行。

　　采用投影轉(zhuǎn)換、坐標變換等方式實現(xiàn)LiDAR的點云數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)測繪1∶10000成果一致，通過幾何位置融合消除了海岸線位置上的差異。浙江首次利用機載LiDAR技術(shù)生產(chǎn)的灘涂地形圖，經(jīng)質(zhì)檢部門檢查驗收合格，良級品率達到83%。

　　3、結(jié)語

　　浙江沿海地形復雜，海岸帶狹長，灘涂寬度不一，灘涂大部分為淤泥質(zhì)，對外部干擾敏感，具有自然的空間動態(tài)遷移特性。傳統(tǒng)的航測手段很難獲得精確的灘涂地理信息。因此灘涂地形圖生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)在于采用了機載激光LiDAR技術(shù)，IMU/DGPS導航技術(shù)，解決了傳統(tǒng)航測必需在測圖區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量控制點而實際人員難以到達的難題。其次運用了連續(xù)運行參考站衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)和似大地水準面精化成果，減少灘涂和海島礁成圖高程獲取的外業(yè)工作量。

　　利用機載LiDAR技術(shù)進行灘涂地形圖生產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢，不僅突破傳統(tǒng)航測作業(yè)的瓶頸，而且提高了測繪成果精度，為灘涂的地形圖生產(chǎn)提供了新的測繪技術(shù)手段。

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