基于机载激光雷达的滩涂测绘关键技术研究

张荣华，林 昀

（宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波315042）

滩涂资源是重要的后备土地资源，具有面积大、分布集中、区位条件好、农牧渔业综合开发潜力大的特点，随着海洋建设的发展，准确掌握滩涂资源和海岸带状资源的现状和变迁状况十分迫切和重要。因此，滩涂测绘所采用的方法需具备精度高、周期短等特点。

机载激光雷达（Light Detection And Ranging，Li DAR）技术，自20世纪60年代以来，已有40余年的发展历史。国内外对激光雷达技术的应用日趋成熟，广泛应用于森林调查、资源勘探、城市规划、农业开发、环境监测、防震减灾、测绘和军事等方面。本文通过机载激光雷达技术获取海岸滩涂的地形地貌与3 D产品，从而快速重构地表三维仿真模型，结合GIS系统的数据管理与对象描述能力，适应宁波滩涂测绘的精度要求，实现快速高效的滩涂资源管理［1－2］。

1 关键技术分析

1．1 滩涂测绘面临的问题

宁波市大陆海岸线涉及海洋和陆地面积总计3 500 k m2以上，海岸带滩涂资源丰富，发展潜力巨大，因此，开展滩涂测绘具有重要意义。传统航空摄影测量与遥感手段需要密集布设像控点，但因滩涂内部难以到达而无法布置长期有效的地面控制点，且该方式对地表落水和纹理特征有一定要求，水域与滩涂接合部分不易分辨；同时，项目时间紧、任务急、范围大，传统方法在航飞作业和数据生产时间上难以满足要求，成果精度相对较低，与水下地形测量成果接边也比较困难。

因此，需要引入更加有效的测绘方式来完成滩涂测绘工作。机载激光雷达是一种全三维测量模式，集成机载GPS、I MU、激光扫描仪、可量测数码相机等设备，配合地面基站，就能完成大区域的遥感数据采集，且只需要少量地面控制点，采集精度高、效率快、后续处理相对简单，自动化程度高，节省大量人工作业时间。

1．2 技术路线研究

该项目的作业流程可以分为3个阶段：数据采集、数据预处理和产品制作，如图1所示。

数据采集主要是航飞获取点云数据的过程，包括设备安装调试、检校场选择和布设、航线设计、外业GPS基站布设、外业航飞采集、数据整理与质量检查等内容。

数据预处理主要是将航飞过程中获得的点云数据、GPS数据和I MU数据进行转换处理，计算获取差分GPS和I MU的联合定位定向数据，对点云数据滤波去除噪声、实施坐标转换等。

产品制作主要包含DEM、DOM和DLG等产品的制作，此外，还可以此为基础，针对需要制作地表、地貌和地物的三维模型，作为GIS管理平台的空间信息数据源。

图1 技术路线图

2 激光雷达滩涂测绘应用

2．1 外业数据采集

外业数据采集过程中，依据滩涂测量工作的实际需求，将激光雷达设备搭载于小型载人飞机上。在航飞前根据海岸线的走向设计航飞路线和航高，避免因高程起伏过大导致数据缺失或点云密度差异过大；同时，在每架次飞行线路附近10～30 k m2区域内的已知高等级控制点上均匀设置1～3个GPS基站，以便航飞时同步观测［3］。航飞作业必须在符合要求的潮位条件下进行，保证滩涂暴露面积为最大。

2．2 数据预处理

对航飞过程中随激光点云数据同步采集的GPS数据、I MU数据和系统所提供的各类参数等进行联合解算，获取每一个激光点的空间坐标和每张影像粗略的外方位元素。进行空间纠正解算后的点云数据已经可以分辨出大量地物。根据成果要求可转换到地方坐标系或CGCS2000国家坐标系。此外，因激光点云的数据量很大，需要对其进行分割处理，以适应后续产品制作。

2．3 点云分类与DEM提取

根据滩涂测量的需求，将激光点云按地面、建筑物、植被、水体、航带重叠点等类别完成分类，分类流程如图2所示。分类过程中，对于难以自动识别的地物，需人工提取；水体一般无激光回波，但也存在浑浊水体稀疏回波现象，需要结合影像和周围地形判断；航带重叠点可自动滤除。地面点和建筑物是分类重点，需要自动和人工方法结合进行精细分类，确保产品精度。

图2 激光点云自动分类流程

自动分类后的数据可以获得大致的地形地貌，但结果往往不能完全满足生产的要求，主要是一些植被点和建筑物点被分类为地面点，一些小的地形不连续部分被平滑或去掉，需要利用TIN构网的方式人工除去噪声点。成功分离出的地表点云经过格网内插后即为高精度的DEM（见图3）。

图3 DEM（DSM）成果

2．4 DOM、DLG生产

对于DOM的生产，以数据预处理中得到的影像外方位元素为初值，以单幅相邻影像的同名点为已知值，通过光束法平差，最终得到修正后的影像外方位元素；在影像拼接线两侧寻找合理的匀光点，并调整拼接线走向，保证影像图面质量。结合已经生成的DEM，可以获得高分辨正射影像（见图4）。同时利用DEM可以自动生成滩涂区域的等高线，并插入高程注记点。

图4 正射影像成果

对于DLG，将DOM以及对应经滤波、粗差剔除后的地面点云到相应成图软件中，设置比例尺，对不同地物进行分类分层矢量化，并对建筑物进行校正，完成DLG的绘制。

2．5 三维GIS系统集成

为了进行三维可视化的滩涂资源管理，可在三维GIS平台中导入滩涂测绘成果——DOM 和DEM，并以机载激光点云及相应测绘成果并使用相应的影像提供的纹理，构建地物真实三维模型，且一同导入平台中，最终形成滩涂三维可视化管理平台（见图5）。

图5 三维可视化平台中的空间构建

目前该平台已顺利投入到当地海洋与渔业部门的规划管理、防台抗灾、渔船监控救援等工作中，已取得良好的效果。

3 结束语

本文针对目前正在开展的海岸线滩涂测绘工作提出了新的作业方案，将目前流行的激光雷达技术和三维GIS平台引入滩涂测绘地理信息领域。成熟、可靠、高精度、高密度的激光雷达测量技术为实现获取地表高精度三维信息，快速提取滩涂及其周边地物提供了保障，并且较大程度地降低了测绘部门的经费预算，减轻劳动强度，节约作业时间，提高工作效率，并可在此基础上全面建设三维可视化海岸线滩涂管理平台，为海岸滩涂资源的合理开发利用提供测绘保障。机载激光雷达技术必将在海洋测绘领域逐渐普及，并发挥越来越重要的作用。

［1］ 王俊刚，李新科．机载激光雷达技术在 电网工程建设中的应用［J］．广东电力，2009（9）：46－49．

［2］ 徐祖舰，王滋政，阳锋．机载激光雷达测量技术及工程应用实践［M］．武汉：武汉大学出版社，2009．

［3］ 林昀，吴敦，李丹农．基于机载激光雷达的高精度电力巡线测量［J］．城市勘测，2011（5）：71－74．

［4］ 汤武，兰增荣，隆华平，等．机械Li DAR数据的公路二、三维一体化技术［J］．测绘科学，2014，39（2）：121－124．

［5］ 陈云，丁思磊，王铁军．基于TerraSolid软件的Lidar数据处理初探［J］．测 绘与空 间地理 信息，2009（8）：40－42．

［6］ 徐祖舰，王滋政，阳锋．机载激光雷达测量技术及工程应用实践［M］．武汉：武汉大学出版社，2009．

［7］ 舒宁．激光成像［M］．武汉：武汉大学出版社，2005．