LIDAR技术在海域使用变化信息识别中的应用研究

孙钦帮　陈兆林　孙丽艳　王阳

摘 要：激光雷达技术已成为当前海岸带、海岛礁及滩涂测绘的重要新途径和新方法。该文通过建立LIDAR技术提取海域使用变化信息的技术流程，利用多时相、高精度机载LIDAR获取的DEM数据进行海岸线和海域使用变化信息提取并结合GIS技术分析海岸线变化速率，研究表明LIDAR技术可以有效的对海岸线变化进行监测，特别在对短期的海岸线环境变化及海岸微地貌变化速率分析方面可获取很好的结果，因此LIDAR技术可以应用到海岸线环境变化、海域使用变化监测及海岸微地貌变化识别与监测中，从而为海域演变的动态监视监测提供新的技术手段。

关键词：LIDAR 海岸线 信息提取 海域管理

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0012-05

Abstract：LIDAR has become an important new surveying technology for coastal zone、reefs and shoals topology. This article establishes technical workflow of extracting change information in sea using area with LIDAR， which extracts changes of shoreline and sea using area by using DEM acquired by multi-temporal and high-resolution LIDAR； and analyzes shoreline changing rate by combining GIS analysis. This research shows that LIDAR technology can effectively monitor changes of shoreline， especially can better analyze short-term coastal environment change and coast microgeomorphology changing rate. In summary， LIDAR technology can be applied in identifying and monitoring the change of coastal environment、sea using area and coast microgeomorphology， therefor providing a new technique for the dynamic surveillance and monitoring of the evolution of coastal area.

Key Words：LIDAR； Shoreline； Information extraction； Coastal area management

激光雷达技术（Light Detect And Ranging，LIDAR）已成为当前海岸带、海岛礁及滩涂测绘的重要新途径和新方法[1-2]。随着该项技术的成熟，实现高精度三维海域使用变化信息的识别成为可能。LIDAR技术应用到海岸带数据获取和研究起始于20世纪末，主要在发达国家的海岸带测量中开始应用。例如，2001年至今，美国地质调查局先后在密西西比海岸带、德克萨斯海岸带、佛罗里达和阿拉巴马州的海岸带利用机载LIDAR获取海岸带、潮间带及近海水下的地形数据[3-4]。近年来，在“908专项”及其他海洋和海岸学科研究的支持下，我国相关机构和研究学者尝试将LIDAR技术应用到了海岸带的调查和研究领域[5]。

目前，国内针对利用LIDAR技术进行海域使用变化信息识别的技术路线、流程及信息提取方法尚没有大范围的研究。同时，利用多期高精度LIDAR获取的DEM数据进行海岸线提取及其变化研究、海岸带地质灾害监测等方面的研究也较少，从而制约了LIDAR技术在海域使用变化监测、海岸线变化研究及海岸带地质灾害等方面的进一步应用。基于此，该研究利用实验区域内两期海岸带LIDAR测量数据，结合GIS技术研究实验区的海岸线变化速率提取方法，为海域变化信息提取与识别、海域使用管理提供技术手段和支撑。

1 基于LIDAR技术海域使用信息变化提取与识别方法

1.1 LIDAR的技术原理

LIDAR产生于20世纪70年代，该技术最初在美国应用到海岸带的地形数据获取，美国地质调查局（USGS）首先在美国部分地区的海岸带进行了机载LIDAR获取地面及水下数据的实验。LIDAR技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、精确地获取，并根据实时摄影的数码像片，通过计算机重构来实现大型实体或场景目标的3D数据模型，再现客观事物的实时的、真实的形态特性，为快速获取空间信息提供了简单有效手段。在LIDAR系统中，结合GPS（全球定位系统）得到的激光器位置坐标信息，INS（惯性导航系统）得到的激光方向信息，就可以准确地计算出每一个激光点的空间直角坐标X、Y、Z，大量的激光点聚集成激光点云，组成被测区域的点云图像，这就是机载激光雷达的测高原理[7]。

和传统的遥感手段相比，LIDAR具有以下的优势：（1）LIDAR是对地表三维坐标的直接测量，摄影测量或者雷达干涉测量InSAR都是通过间接的方法获得地表三维数据；（2）激光雷达能部分地透射植被，有效去除植被高度的影响，传统摄影测量则只能通过估算植被高度的方法去除植被的影响 大大影响精度；（3）LIDAR是主动式传感器，不受光照影响，受天气的影响比光学遥感要小；（4）在某些困难地区，如沙漠、海岸带、高差较大的地形复杂地区等，使用传统的遥感手段很难甚至无法获得高精度高分辨率的DEM数据，而LIDAR则受上述地形条件影像较小。

1.2 基于LIDAR技术海域使用信息变化提取技术流程

海岸线即是陆地与海洋的分界线，一般指海潮时高潮所到达的界线，在我国系指多年大潮平均高潮位时的海陆分界线[8]。海岸线的变化对于海域管理和规划是非常重要的，因此海岸线的提取是海域使用信息变化分析的重要前提条件。传统的海岸线测量采取现场海岸测绘方式，目前常用的方法是摄影测量技术，GPS测量技术配合陆上车载技术也被用于大比例尺的岸线测绘（Ruggiero， 2000）。这些方法效率低，工作周期长，精度低，难以反映海岸线及海域使用的快速动态变化。Stockdon等（2002）采用机载LIDAR数据和潮汐数据，利用剖面叠加分析方式自动提取海岸线。Robertson等（2004）采用跟踪特定高程单条等高线的方式，从LIDAR点云数据中提取海岸线。Liu等（2007）采用分割LIDAR获取的高精度DEM的方式自动提取海岸线。这些基于LIDAR技术获取的海岸线精度远高于摄影测量方式，同时能够采集潮间带的地形地貌数据[9]。

基于LIDAR技术的海域使用信息变化提取技术需要通过对LIDAR点云数据进行预处理和分类处理，利用均值移动算法并结合卫星遥感影像数据提取海岸线信息，最后结合GIS技术构建海岸线变化速率模型，具体工作流程参见图1所示。

1.3 基于GIS技术的海岸线变化速率分析

海岸带作为一个水陆交界的动态地理单元，其变化受多种动力机制的影响。Woolard等（2002）利用机载LIDAR数据和GIS软件平台，使用统计方法对美国北卡罗莱纳州哈特拉斯角地区海岸带的多时相和多分辨率的海滩沙丘进行变化识别。Shrestha等（2005）使用机载LIDAR定期对佛罗里达州东北部35km海岸进行量测，采用剖面分析的方法对不同时相点云生产的DSM进行比较，监测佛罗里达的海岸线变化，由此得到高精度的海岸侵蚀速率。Robertson等（2007）利用机载LIDAR调查了佛罗里达巴拿马城由于飓风的事件引起的海岸线迁徙和海岸侵蚀。Chust等（2008）利用机载LIDAR数据和从点云中获取的坡度、坡向等地形信息，结合点云强度信息，通过融合多光谱影像，采取最大似然法对Bidasoa地区沿海河口岩石区域和潮间带进行动态变化识别和海岸变化监测。LIDAR技术应用于海岸线侵蚀的调查与研究大大提高了海岸线侵蚀的观测精度[10]。

该文利用多时相的LIDAR数据按照海岸岸线演化状态的不动点（向海淤积为正，向陆侵蚀为负）和一定间隔的垂向海岸剖面线分割岸段，形成两期岸线变化多边形，求取多边形的面积与基线岸段的长度之比，即研究岸段上空间连续的海岸变化速率。计算步骤如下。

（1）指定基年海岸线位置，在GIS环境中对两期海岸线数据进行拓扑分割，求取海岸线变化的不动点，按照侵蚀和淤积实际状态，指定海岸演化方向（向海淤积为正，向陆侵蚀为负）。

（2）按照海岸线断点剖面抽取原则，按照一定采样距离，生成一组海岸剖面线，同时利用GIS拓扑分析，将剖面线和两期海岸线进行空间拓扑叠加，形成海岸变化的多边形。运用空间统计，输出每个多边形面积和对应得基年海岸的岸段的长度。

（3）按照公式计算一定时间阶段的海岸线变化速率。式中Vi为岸段i在t1-t0时间段内的平均海岸线变化速率，Si是岸段i在海岸线变化形成的多边形面积，Li表示岸段i的长度（见图2）。

（4）求取两期海岸线之间的变化速率，按照平均速率法计算海岸变化速率。

2 应用与分析

2.1 LIDAR数据源

该文实验研究数据由http：//ngom.usgs.gov网站下载，实验区域选择美国加利福尼亚州圣迭戈县卡尔斯巴德作为研究区域（图3），研究岸线长度离约9.0 km。

为了减小季节性的潮差和波浪等因素对LIDAR数据的获取影响，该文实验数据选择2003年3月28日和2006年3月24日的LIDAR数据。LIDAR数据高程精度为0.10～0.19 m，坐标系统为NAD1983，投影为UTM投影，中央子午线-117°。

2.2 数据处理与分析

该文采用等高线跟踪法[4]对海岸线信息进行数字化提取；利用芬兰Terrasolid软件TerraScan模块对LIDAR数据进行预处理和分类处理，数据处理后生成DEM（Digital Elevation Model）。为了获取高精度的海岸线数据，该文利用ArcGIS对2003年3月28日DEM数据中的波段1进行拉伸处理，对2006年3月24日DEM数据中的波段2进行拉伸处理（图4）；拉伸处理后利用ArcGIS的空间分析模块生成海岸线（图5）。

为了定量化评价基于LIDAR数据获取海岸线的精度，分别选择四个区域内的构筑物作为基准（图6），利用试验区高精度正射影像数据提取基准岸线，并与LIDAR后处理的DEM数据进行比对分析，结果参见表1。

根据表1统计分析，基于LIDAR数据获取海岸线精度是非常高的，可以满足中小比例尺海岸线测绘的需要。为了便于分析实验区海岸线变化速率，该文将试验区数据化成四个研究区（图5）。借助GIS软件按照该文1.3节的统计模型统计计算研究区域岸线变化速率，统计结果见表2。统计结果表明，利用LIDAR进行海岸线变化监测，可以有效地对短期海岸线环境变化进行监测。

3 结语

该文主要研究利用多时相、高精度LIDAR获取的DEM数据进行海岸线提取和海域使用变化信息识别，从而对海岸线变化速率进行分析。初步建立LIDAR技术在海域使用信息变化提取中的技术流程，结合GIS技术对实验区的海岸线变化信息进行了提取并计算海岸线变化速率，研究表明LIDAR技术可以有效的对海岸线变化进行监测，特别在对短期的海岸线环境变化及海岸微地貌变化速率分析方面可获取很好的结果，因此LIDAR技术可以应用到海岸线环境变化、海域使用变化监测及海岸微地貌变化识别与监测中。

参考文献

[1] 史照良，曹敏.LIDAR技术在海岛礁、滩涂测绘中的应用[J].现代测绘，2007，30（1）：7-9.

[2] 杜国庆，史照良，龚越新，等.LIDAR技术在江苏沿海滩涂测绘中的应用研究[J].城市勘测，2007（5）：23-26.

[3] Hilary F. Stockdon，Rob A.Holman.Estimation of Shoreline Position and Change using Airborne Topographic Lidar Data[J].Journal of Coastal Research，2002，18（3）：502-513.

[4] William Robertson V， Dean Whitman， Keqi Zhang， et al. Mapping Shoreline Position Using Airborne Laser Altimetry [J].Journal of Coastal Research，2004，20（3）：884-892.

[5] 郭清风，张峰，范巍.关于Lidar数据的滩涂、海岸带主要地物提取方法[J].地理空间信息，2011，9（4）：25-27.

[6] 赖祖龙，张汉德，万幼川，等.激光雷达在滩涂海岸地形测量中的应用[J].海洋测绘，2008，28（2）：37-39.

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[8] 赵明才，章大初.海岸线定义问题的讨论[J].海岸工程，1990（Z1）：91-99.

[9] 乔纪纲，黎夏，刘小平.基于地面约束的滨岸湿地微地貌LiDAR检测研究[J].中山大学学报：自然科学版，2009，48（4）：118-124.

[10] Adam P. Young，Scott A. Ashford. Application of Airborne LIDAR for Seacliff Volumetric Change and Beach-Sediment Budget Contributions[J].Journal of Coastal Research，2006，22（2）：307-318.