機(jī)載LiDAR在高精度灘涂DEM制作中的關(guān)鍵技術(shù)分析

文學(xué)東，李俊峰，林 昀

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 寧波市自然資源和規(guī)劃局，浙江 寧波 315042； 3. 寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042)

灘涂是指海陸交界處的過渡地帶，其擁有非常重要的資源價(jià)值和生態(tài)價(jià)值[1]。一方面，灘涂資源是重要的后備土地資源，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的亮點(diǎn)；另一方面，灘涂在調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)生物多樣性、凈化海岸環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。合理利用和科學(xué)開發(fā)灘涂資源，必須準(zhǔn)確掌握灘涂資源的現(xiàn)狀及變遷趨勢(shì)，這對(duì)促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2-6]。為了查清海洋灘涂區(qū)域的最新測繪資料，從而為推動(dòng)沿海地區(qū)的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和現(xiàn)代化提供基礎(chǔ)支撐，寧波市開展了海洋測繪灘涂地形測量和海岸帶資源調(diào)查項(xiàng)目。

由于灘涂具有動(dòng)態(tài)變化性、生態(tài)性等獨(dú)特性，受到潮汐周期的影響，水位升降變化大，難以布置有效的地面控制點(diǎn)，因此，傳統(tǒng)的測量方式在一定程度上受到限制：測量船在海上風(fēng)浪中劇烈顛簸，定點(diǎn)測點(diǎn)困難；GPS測量是點(diǎn)測量，后續(xù)需要經(jīng)過數(shù)值內(nèi)插處理，灘涂區(qū)域打點(diǎn)困難，測量密度較小，內(nèi)插精度受到影響；傳統(tǒng)的航空攝影方法測量由于缺乏高程信息，難以獲得高精度的灘涂測繪數(shù)據(jù)[3,7]。

考慮到傳統(tǒng)測量方式的局限及灘涂地形的特殊性，寧波市海洋測繪灘涂地形測量項(xiàng)目決定采用機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行灘涂地形測量，測區(qū)約3500 km2，后續(xù)使用LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件LiDAR_Suite對(duì)項(xiàng)目中獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 機(jī)載LiDAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)

機(jī)載LiDAR是一種集GNSS、INS系統(tǒng)和激光掃描儀于一體的用于獲取三維空間信息的遙感系統(tǒng)[8]。它通過測量激光脈沖的往返時(shí)間，結(jié)合高精度定位系統(tǒng)提供的定位、定姿數(shù)據(jù)，獲取高精度的地面三維坐標(biāo)[9-10]。LiDAR提供了一種全新的技術(shù)手段，由傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取，是數(shù)據(jù)獲取向自動(dòng)化和智能化方向的發(fā)展[11]。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要為：①激光脈沖不受陰影和太陽角度的影響[12]，因此其高程數(shù)據(jù)的精度不受航高限制；②數(shù)據(jù)處理效率高；③所需外業(yè)控制點(diǎn)較少，大大減輕了野外測量的工作量，特別適合應(yīng)用于灘涂地形測量。綜上所述，機(jī)載LiDAR具有控制測量依賴性少、受天氣影響小、自動(dòng)化程度高、成圖周期短等特點(diǎn)，將為測繪行業(yè)帶來一場新的技術(shù)革命[13]。

1.2 數(shù)據(jù)處理一般流程

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括原始影像數(shù)據(jù)、激光掃描記錄、DGPS基站數(shù)據(jù)、空中GPS和IMU數(shù)據(jù)[14]。數(shù)據(jù)處理一般分為數(shù)據(jù)前期處理和后處理。

數(shù)據(jù)前期處理是指利用DGPS基站數(shù)據(jù)對(duì)空中GPS和IMU數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)差分處理解算精確軌跡，然后與原始的激光掃描記錄結(jié)合生成最終的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)[15]。

數(shù)據(jù)后處理是指在數(shù)據(jù)前期處理的基礎(chǔ)上，作進(jìn)一步檢校、濾波、分類，根據(jù)分類后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作相應(yīng)的DEM、DLG等測繪產(chǎn)品。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理工藝流程如圖1所示。

2 灘涂測繪的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理

寧波市灘涂測量項(xiàng)目測區(qū)內(nèi)地形地貌豐富，包含灘涂、堤壩、河流、居民區(qū)、山地等，影像與點(diǎn)云覆蓋范圍基本相同。主要內(nèi)容有：點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、激光點(diǎn)云分類、1∶10 000比例尺DEM制作。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：主要包括平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與似大地水準(zhǔn)面精化。

(2) 點(diǎn)云分塊：海量數(shù)據(jù)點(diǎn)云造成數(shù)據(jù)處理難度加大，為此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊，將數(shù)據(jù)分割為2 km×2 km數(shù)據(jù)塊，每塊點(diǎn)云大小不超過200 MB。

(3) 系統(tǒng)檢校：在進(jìn)行數(shù)據(jù)分類前，利用檢校功能模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)檢校，消除測區(qū)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差。LiDAR點(diǎn)云的檢校分兩步進(jìn)行。首先通過對(duì)檢校場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算檢校參數(shù)(主要包括安置角改正參數(shù))，然后利用檢校參數(shù)糾正測區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 自動(dòng)濾波

數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，使用自動(dòng)濾波算法對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。首先，濾除航帶重疊點(diǎn)。其次，使用濾波算法剔除噪聲點(diǎn)。再次，根據(jù)測區(qū)的地形選取合適的濾波算法進(jìn)行濾波，分離出地面點(diǎn)。如適用范圍較廣的TIN加密濾波算法、針對(duì)山地分類效果較好的曲面濾波算法及適用于平坦地表的平面濾波算法等。最后，使用距離地面高度算法對(duì)植被和建筑物點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)分。自動(dòng)濾波流程如圖2所示。

2.3 人工檢查編輯

機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)濾波結(jié)果不可能100%達(dá)到生產(chǎn)要求，會(huì)存在少量錯(cuò)分現(xiàn)象，如地面點(diǎn)缺失、地物難以區(qū)分及局部區(qū)域出現(xiàn)坑點(diǎn)或突出點(diǎn)等分類不理想的情況。因此，在自動(dòng)濾波的基礎(chǔ)上利用人工編輯工具進(jìn)行手動(dòng)分類，使分類結(jié)果更為精確。三維視圖編輯工具中部分工具的使用示意圖如圖3所示。

人工編輯后，使用地形渲染圖模塊生成高程渲染圖。通過目測生成的渲染圖對(duì)分類效果進(jìn)行檢查，在地形渲染圖中不同的顏色定義不同的高程，顏色突變的地方表示點(diǎn)云錯(cuò)分的概率較大，需要對(duì)其進(jìn)行檢查編輯。人工編輯時(shí)也可以參考相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。地形高程光澤渲染示意圖如圖4所示。

根據(jù)生產(chǎn)要求，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行反復(fù)檢查和編輯，使分類效果滿足要求。經(jīng)過處理后的成果數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖5所示。

2.4 DEM制作

點(diǎn)云分類達(dá)到要求后，根據(jù)1∶10 000 DEM的制作要求，按5 m格網(wǎng)內(nèi)插提取高程點(diǎn)，獲得DEM產(chǎn)品。需要注意的是，灘涂位于海陸交界處，由于潮汐的作用，灘涂有時(shí)被水淹沒，有時(shí)露出水面，高低潮位間水面高程變化幅度大，灘涂面積變化范圍大，導(dǎo)致不同時(shí)間獲取的海域點(diǎn)云間存在高差，生成DEM時(shí)海面不是一個(gè)平面，而是存在分層現(xiàn)象。針對(duì)這一難點(diǎn)，采用語義內(nèi)插生成DEM的方法進(jìn)行地形修復(fù)。

未進(jìn)行語義內(nèi)插的DEM中航帶重疊區(qū)域，由于潮汐作用，兩個(gè)航帶的數(shù)據(jù)存在高差，生成DEM時(shí)表面凹凸不平；而語義內(nèi)插生成的DEM中航帶重疊區(qū)域則表面平整。

2.5 精度評(píng)定

精度評(píng)定采用外業(yè)實(shí)測并與1∶500 DLG比對(duì)方式檢查，精度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 DEM高程檢測誤差分布狀況統(tǒng)計(jì)

檢測結(jié)果表明，采用本文技術(shù)流程制作的DEM精度為0.3 m，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中誤差，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論與展望

本項(xiàng)目對(duì)3500 km2測區(qū)內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，歷時(shí)6個(gè)月完成任務(wù)，分類結(jié)果滿足質(zhì)量要求，最后以1∶10 000比例尺制作生成DEM，高程精度經(jīng)檢驗(yàn)符合規(guī)范要求。與傳統(tǒng)測量方法相比，機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于灘涂測量有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①克服了灘涂面積隨著潮汐周期的變化；②由于外業(yè)作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)，人不易到達(dá)，難以布置有效的地面控制點(diǎn)和實(shí)施人工灘涂測點(diǎn)，LiDAR技術(shù)所需控制點(diǎn)少，大大減少了外業(yè)工作量；③提高了灘涂測繪精度，由于灘涂地形測繪的特殊性，傳統(tǒng)測量方式很難獲得高精度灘涂測繪數(shù)據(jù)；④機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高，大大提高了工作效率。

機(jī)載LiDAR作為一種先進(jìn)的測量手段，是常規(guī)航攝作業(yè)方法的有益補(bǔ)充和提高。目前，機(jī)載LiDAR已應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、電力線路、地形地理測繪等領(lǐng)域，隨著機(jī)載LiDAR技術(shù)及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件的不斷發(fā)展和升級(jí)完善，機(jī)載LiDAR自動(dòng)化程度和作業(yè)效率將會(huì)進(jìn)一步提高，在海洋測繪領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。