移動激光掃描測量系統(tǒng)在海島海岸帶測量中的應(yīng)用

徐良，沈蔚，王林振

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

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移動激光掃描測量系統(tǒng)在海島海岸帶測量中的應(yīng)用

徐良1*，沈蔚2，王林振2

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

以海島海岸帶為研究對象，對移動激光掃描測量系統(tǒng)的原理、組成、優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，對機載和船載移動激光掃描測量在海島海岸帶測量中的技術(shù)流程、應(yīng)用方法及注意事項進行了探討，并對其當前的發(fā)展進行了初步總結(jié)，對其未來良好的應(yīng)用前景進行了展望。

移動激光掃描測量系統(tǒng)；機載；船載；海島海岸帶測量

1 前 言

海島通常是指海洋中四面環(huán)海水并在高潮時高于海面的面積不小于 500 m2的小塊陸地，我國是海洋大國，海島眾多，數(shù)量多達6 500個以上，總面積為 6 600多平方千米，根據(jù)海島不同的屬性，可將其分為大陸島、列島、群島、陸連島、特大島等[1]。

海島是我國海洋經(jīng)濟發(fā)展的重要依托，隨著海島開發(fā)利用活動的增加，海島經(jīng)濟對國民經(jīng)濟的總體貢獻不斷攀升。但隨之出現(xiàn)的環(huán)境問題也日益增多，因此保護海洋環(huán)境是維護國家海洋權(quán)益，保障海洋生態(tài)平衡是我們的首要任務(wù)，為此，國家相繼發(fā)布《海島保護法》和《全國海島保護規(guī)劃》，為保護海島生態(tài)環(huán)境，維持海島生態(tài)系統(tǒng)平衡，合理開發(fā)海島資源，促進海島地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供法律保障。我國雖有 6 500多個海島，但只有6%的海島有人居住，絕大多數(shù)海島面積狹小、地形復雜、交通不便，利用常規(guī)測量方法，通常難以登島測量，且受海島復雜惡劣地形的限制，人員裝備通常難以登島開展工作。

海岸帶是人類工程活動和經(jīng)濟發(fā)展的主要區(qū)域，是重要生態(tài)資源和后備土地資源。通常指每天受潮汐漲落海水影響的潮間帶(灘涂)及其兩側(cè)一定范圍的陸地和淺海的海陸過渡地帶，為在海陸之間相互作用的地帶。其中，灘涂海岸面積大、分布集中且區(qū)位條件好，農(nóng)牧漁業(yè)綜合開發(fā)潛力大，是海岸帶資源與環(huán)境保護的重要對象。因此，測量灘涂的地形和范圍，為其合理開發(fā)、最大限度地利用和保護，準確掌握灘涂海岸的現(xiàn)狀和變遷具有重要意義[2]。

灘涂水下地形測量范圍涉及潮上帶、潮間帶和潮下帶三大塊區(qū)域。

潮上帶(高灘)是指大潮期最高潮位以上的區(qū)域，由于潮上帶的區(qū)域高程相對較高，因此常年露出水面，一般情況常采用全站儀、GPS等方法進行測量工作。該區(qū)域地面蘆葦雜草眾多，或淤泥質(zhì)海灘，人和車難以通行。

潮間帶是指海水從漲到最高點時所淹沒的地方到潮水退至最低點時露出水面的范圍，也就是最高潮位和大潮期的最低潮位間的區(qū)域。在這一特殊地帶，高潮位時水深較淺，測量船只吃水受到限制，水下測量難以實現(xiàn)；低潮時露出淤泥灘面，人和車難以在其上開展測量。 因此，廣大的淤泥潮間帶灘涂是測量最困難區(qū)域，目前無有效的測量手段。

潮下帶地形測量目前主要采用信標GPS接收機和單波束測深儀，結(jié)合驗潮站水位改正數(shù)據(jù)進行測量，存在效率低下，水淺處船只無法到達的問題[3]。

常規(guī)的三角測量、導線測量、水準測量、GPS測量等地形測量手段，難以在潮漲潮落淤泥質(zhì)的灘涂地上開展。傳統(tǒng)攝影測量在進行灘涂測量時，外業(yè)較難布設(shè)像控點，且因為灘涂紋理單一、坡度平緩等原因，內(nèi)業(yè)較難進行影像匹配，難以高效的獲取高精度的灘涂DEM數(shù)據(jù)。[2]

面對灘涂這一特殊地形測量的難題，急需一種高效而又準確的測量技術(shù)，而近年出現(xiàn)的移動激光掃描測量系統(tǒng)，隨著精度和性能的提高，成本的降低，為這一難題提供了有效的破解手段。

2 移動激光掃描測量系統(tǒng)

2.1 原理及技術(shù)關(guān)鍵

移動激光三維測量系統(tǒng)可以非常便捷安裝在汽車、飛機、船舶等其他移動載體上，它是將三維激光掃描設(shè)備(SCANNER)、衛(wèi)星定位模塊(GNSS)、慣性測量裝置(IMU)、360°全景相機、總成控制模塊和高性能板卡計算機高度集成然后封裝在剛性平臺之中，利用載體的移動，高校、快速、便捷地快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點云和高清連續(xù)全景影像數(shù)據(jù)[4]。移動激光掃描測量的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

(1)GPS、IMU、SCANNER的集成與檢校

移動激光掃描測量系統(tǒng)由GPS、POS、激光系統(tǒng)組成，每個分系統(tǒng)的測量精度與頻率、不同分系統(tǒng)的時間同步、空間同步都決定了最終點云的測量精度。

移動激光掃描測量的關(guān)鍵技術(shù)之一就是對系統(tǒng)的精度校準，通常需要在機場附近設(shè)計必要的合適的校準場，并采用RTK-GPS對校準場進行必要的控制測量，且每飛行架次的起始段和結(jié)束段都會通過校準場，從而保證LiDAR系統(tǒng)精準可靠地獲取地面高程數(shù)據(jù)。

(2)連續(xù)高精度定位服務(wù)

連續(xù)的高精度定位服務(wù)，可通過單基站RTK實現(xiàn)，也可通過CORS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，根據(jù)觀測范圍和實際條件決定。高精度的定位數(shù)據(jù)，是移動激光測量精度的保證，通常也是事后解算高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

(3)似大地水準面成果(GEOID)數(shù)據(jù)的引用與外推[5]

利用移動激光掃描系統(tǒng)測繪符合標準的測繪產(chǎn)品，前提是必須進行水準測量。目前，最有效快捷的方法就是利用測繪區(qū)域內(nèi)已有的精確大地水準面成果(GEOIO)。但是全國各地絕大多數(shù)地區(qū)精確大地水準面成果(GEOIO)匱乏，故需要對已有的大地水準面成果進行外推，外推數(shù)據(jù)經(jīng)過實地水準測量檢驗或者第三方檢測后方可用于測繪實踐工作。

(4)高效的LiDAR數(shù)據(jù)處理算法

一系列高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理算法，是移動激光測量實用化的關(guān)鍵。首先，需要開發(fā)高效準確的目標分類與自動提取算法，快速分類出灘涂海岸或海島等不同地物的點云數(shù)據(jù)；其次需要利用多種濾波算法，過濾非地形點，獲得灘涂地形數(shù)據(jù)；最后對于不完整的激光點云進行空間插值，獲得完整真實的DEM也是研究的熱點之一。

2.2 海島海岸帶測量中優(yōu)勢

移動激光掃描測量相對傳統(tǒng)測量方法具有巨大優(yōu)勢：首先，對蘆葦?shù)戎脖痪哂幸欢ǖ拇┩改芰Γ绕溥m合人車無法到達的生長了大量蘆葦和低矮植被的灘涂海岸的地形測量，在海島灘涂等惡劣地形區(qū)域，移動激光掃描測量可高效地獲取三維表面數(shù)據(jù)；其次，可實現(xiàn)對復雜海岸的全覆蓋測量、內(nèi)外業(yè)效率高，移動激光掃描可在保證較高密度點云條件下，通常機載LiDAR每小時可采集 100 km2～200 km2灘涂海岸數(shù)據(jù)。隨著國內(nèi)外處理軟件的日益成熟，其數(shù)據(jù)處理自動化程度越來越大高，在少量人工干預下，可快速生成所測區(qū)域的DEM 和DOM，號稱是“隔夜”任務(wù)。第三，測量精度高、點云密度大。在高精度POS系統(tǒng)的支持下，移動LiDAR數(shù)據(jù)的平面和高程精度均可達到 10 cm；根據(jù)激光掃描頻率、掃描視場角、載體移動速度和測量距離，每平方米海岸實測高程點可達數(shù)個至數(shù)十個。 第四，受時間、天氣影響小。為了獲取較大面積的灘涂數(shù)據(jù)，普通航飛需要在較低潮位進行( 可航飛低潮位一般為 1 h～3 h) 。而移動激光是一種主動式測量，可穿透一定的云霧，可在夜間進行航攝，大大增加了可測量時間。最后，移動激光掃描的三維數(shù)據(jù)結(jié)合全景影像，可用于海島海岸地形測繪、監(jiān)測海岸變化及動態(tài)侵蝕情況，進行洪水淹沒分析、災(zāi)害預警和災(zāi)害評估等。

2.3 海島海岸測量技術(shù)流程

移動掃描系統(tǒng)海島海岸測量技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 移動LiDAR掃描測量流程圖

3 機載LiDAR海島海岸三維地形測量

機載LiDAR技術(shù)是利用返回的激光脈沖獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，采集的數(shù)據(jù)一般包括激光點云數(shù)據(jù)、定位定向數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

傳統(tǒng)的海(島)岸線人工測量和遙感攝影測量，都需要人工勾繪岸線，無法進行快速的自動化海岸線繪制[6]。基于機載LiDAR點云數(shù)據(jù)和平均大潮高潮面，可快速提取海(島)岸線；基于三維的LiDAR點云可快速生成海島海岸帶的DSM和DEM。利用機載LiDAR數(shù)據(jù)，可自動化提取海(島)岸線和DEM，無需高分辨率影像，大大縮短DLG、DOM、DEM等數(shù)字化測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，如圖3所示。

4 船載LiDAR海島海岸三維地形測量

傳統(tǒng)的海島海岸測繪工作，需要人工登島測量，工作環(huán)境艱苦，且受環(huán)境影響限制較大，通常伴有一定的危險性。利用船載LiDAR激光掃描，對海島海岸進行遠距離(根據(jù)激光器的性能，可達 2 km以上)非接觸的測量，則可避免傳統(tǒng)測量的缺陷，還可以獲得傳統(tǒng)測量無法獲取的小地物高密度點云數(shù)據(jù)，為三維建模和空間分析提供高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)保障。此外，船載LiDAR激光掃描相對于機載LiDAR成本低，且對船只和設(shè)備要求較低，易于操作實施。

圖3 機載LiDAR獲取海島輪廓和三維地形

船載LiDAR系統(tǒng)主要由以下三個主要部分構(gòu)成：①空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般包括三維激光掃描儀，多波束測深儀、和GPS接收機等；②輔助設(shè)備，主要負責姿態(tài)、聲速等改正數(shù)據(jù)的采集；③設(shè)備控制程序，主要用于控制三維激光掃描儀等儀器工作狀態(tài)的控制，并并具備數(shù)據(jù)采集、存儲、可視化和初步校準功。船載LiDAR系統(tǒng)利用三維激光掃描技術(shù)對陸地進行掃描獲得點云數(shù)據(jù)，通過多波束獲取水下地形的三維數(shù)據(jù)。GPS提供船體導航定位信息，并通過輔助設(shè)備得到船體的橫搖、縱搖和艏向偏差等運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，主要技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 船載激光三維掃描系統(tǒng)技術(shù)路線

如圖5所示，船載LiDAR激光掃描，主要采集海島的立面數(shù)據(jù)，受激光發(fā)射角度和地形起伏限制，往往海島頂部數(shù)據(jù)無法獲得。而機載LiDAR激光掃描，采集的都是海島的蓬頂數(shù)據(jù)，陡峭的巖壁和復雜的溝壑，往往數(shù)據(jù)稀疏甚至沒有，故二者存在優(yōu)勢互補，集成化測量的趨勢。

圖5 船載LiDAR獲取海島三維地形

5 總結(jié)與展望

移動激光掃描測量技術(shù)，目前在歐美等發(fā)達國家已是一種廣泛運用的測量手段。奧地利RIEGL、瑞士Leica、加拿大Optech、英國MDL、日本Topcon等推出的移動激光掃描設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品也較為成熟，國內(nèi)的設(shè)備研發(fā)和代理商(如中海達、地海儀器)等，也通過利用國外的先進軟硬件實現(xiàn)了移動激光掃描測量系統(tǒng)的集成。

近年隨著測量需求的不斷拓展，應(yīng)用于海島海岸帶地形測量的案例在國外很多；在國內(nèi)，目前據(jù)不完全統(tǒng)計，已有江蘇、山東、浙江、福建和河北等沿海地區(qū)進行了移動海島海岸激光測量方面的嘗試[7]。移動激光掃描測量能快速獲取地表三維點云，隨著大數(shù)據(jù)處理手段的不斷完善，它能夠完成三維地理數(shù)據(jù)制作、街景數(shù)據(jù)生產(chǎn)和矢量地圖數(shù)據(jù)建庫，廣泛應(yīng)用于三維數(shù)字城市、街景地圖服務(wù)、交通基礎(chǔ)設(shè)施測量、城管部件普查、航道堤岸測量、礦山三維測量、海島礁岸線三維測量等領(lǐng)域，呈現(xiàn)出地面車載一體化、機載車載一體化、室內(nèi)室外一體化、水上水下一體化、地上地下一體化等特點。隨著GPS、IMU、激光器硬件和處理軟件的發(fā)展，移動激光掃描測量精度和性能將不斷提高；隨著元器件國產(chǎn)化的加快，其成本將不斷降低，筆者預測未來5年，這一技術(shù)的推廣尤其是在地形測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，將呈井噴式發(fā)展。

[1] GB/T18190-2000. 海洋學術(shù)語 海洋地質(zhì)學[S].

[2] 樓燕敏，吳迪. 機載LiDAR技術(shù)在浙江省灘涂海岸測量中的應(yīng)用研究[J]. 測繪通報，2012，12：47～50.

[3] 徐雙全. 上海市灘涂水下地形測量研究[J]. 海洋測繪，2007，23(3)：71～74.

[4] 沈蔚. 基于LIDAR數(shù)據(jù)的地形、地物提取與三維模型重建——以馬來西亞吉隆坡中心區(qū)為例[D]. 北京：北京師范大學，2007.

[5] 杜國慶，史照良，龔越新等. LIDAR技術(shù)在江蘇沿海灘涂測繪中的應(yīng)用研究[J]. 城市勘測，2007，5：23～26.

[6] 劉善偉，張杰，馬毅等. 遙感與DEM相結(jié)合的海岸線高精度提取方法[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26(7)：613～618.

[7] 史照良，曹敏. 基于LiDAR技術(shù)的海島礁、灘涂測繪研究[J]. 測繪通報，2007，5：49～53.

The Application of Mobile LiDAR System in Island & Coast Mapping

Xu Liang1，Shen Wei2，Wang Linzhen2

(1.Changzhou Surveying & Mapping Institute，Changzhou 213002，China；2.College of Marine Sciences Shanghai Ocean University，Shanghai 213002，China)

The island & coastal zone was taken as a research object to analyze the principle，composition，advantages and key technologies of the mobile LiDAR system，and the technical processes，application methods and precautions was discussed of both airborne and shipborne mobile LiDAR system in island & coast mapping. On this basis，we made a preliminary summary of its current development and prospects of its future application.

mobile LiDAR system；airborne；shipborne；island & coast mapping

1672-8262(2016)05-76-04

P235

B

2016—08—08

徐良(1976—)，男，碩士，高級工程師，主要從事城市規(guī)劃測量工作。

上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(12ZZ159)；中科院空間光電技術(shù)重點實驗室開放基金項目(2013051)。