基于地面激光扫描仪的潮滩地貌研究初探

常直杨，王建，李晶冰，3，白世彪（.南京师范大学　地理科学学院，江苏　南京　20023；2.南京旅游职业学院，江苏　南京　200；3.南京林业大学　土木工程学院，江苏　南京　20037）

基于地面激光扫描仪的潮滩地貌研究初探

常直杨1，2，王建1，李晶冰1，3，白世彪1
（1.南京师范大学地理科学学院，江苏南京210023；2.南京旅游职业学院，江苏南京211100；3.南京林业大学土木工程学院，江苏南京210037）

传统潮滩地貌的研究方法难以刻画潮滩的微观地貌特征，地面激光扫描仪（TLS）的应用为潮滩地貌的研究提供了新的切入点，然而目前关于TLS在潮滩地貌研究中鲜有报道。以江苏东灶港海岸一段潮滩地貌为研究对象，基于野外扫描数据，对扫描区域的点云数据进行精度评估，并尝试利用反距离加权插值（IDW）与克里金插值（Kriging）方法构建了潮滩地貌的数字高程模型（DEM）。研究结果表明：（1）通过点云数据构建的DEM数据能够实现潮滩地貌的定量模拟；（2）利用IDW插值可以便捷高效构建潮滩海量数据点的DEM；（3）利用TLS量化短期地貌变化如潮汐沉积旋回效果并不好。本研究可为利用TLS在潮滩微观地貌中的量化研究提供参考。

地面激光扫描仪 （TLS）；潮滩；点云；数字高程模型（DEM）

潮滩，又称之为滩涂，处于陆海相互作用的敏感地带，是海岸系统的重要组成单元。潮滩上发生的地貌过程，主要包括有潮沟的迁移，潮滩的沉积，以及河流、海洋、风对其的侵蚀。其地貌形态相对较为平坦，在外力作用下被刻蚀的程度并不是很大，如潮沟（宽深均为几厘米，长约数米）、潮滩纹痕（约十厘米高，十几厘米宽）等。传统潮滩地貌的研究，主要包括应用沉积物收集器、沉降板、沉降棒、超声波测高计等仪器设备对潮滩沉积通量及地貌形态变化的实地测量，这些研究多集中潮滩的局部区域，难以开展潮滩大面积区域地貌形态定量研究。近些年，遥感及LiDAR技术的发展则为地貌的研究提供了新的视角。然而目前大部分研究多是基于航空LiDAR构建DEM，开展大尺度区域地貌形态及地貌发育过程的定量研究，或利用地面LiDAR开展滑坡、岩崩等自然灾害及海岸峭壁的研究，而利用地面LiDAR技术开展微观尺度潮滩地貌研究尚无先例。因此，本文尝试探讨利用地面激光扫描仪（TLS）在江苏沿海潮滩地貌研究中的应用，以期为潮滩地貌的定量研究提供必要的基础性参考。

1　研究区概括

研究区位于江苏省东南部沿海东灶港（32°08′10″N，121°28′59″E） （图1），该区是典型的粉砂淤泥质海岸。东灶港受人类活动影响较为剧烈，涨潮时渔船来往频繁，滩面有明显的围垦现象。此外，该扫描点所处的海岸堤坝也是人工建造的，堤坝侧面覆盖有防御海浪冲击的水泥方砖。人造堤坝向海突出的岬角位置，建有一座高约12 m的瞭望塔，为在该点进行扫描工作提供了良好的仪器架设平台。扫描时间选取在潮滩面尽可能多出露于水面的大潮时段，本研究野外测试及扫描获取数据的时间为2013年7月9日（农历六月初二）。

图1　研究区位置及背景

2　潮滩数据获取及其DEM构建

2.1点云的获取

本研究采用的地面LiDAR型号为Riegl LMSZ420i，为了获得扫描范围较广、更多高程点信息，扫描位置固定在约12 m的瞭望塔上。通过Riscan Pro软件把野外获取的原始点云数据导出为ASCII文件，包含有每个数据点的X、Y、Z属性。原始点云数据需要经过可视化处理与降噪处理，以便用于进一步的研究与分析。为了使得基于点云数据的DEM空间插值更加平滑准确，利用CloudCompare软件对人为钉在滩面上的木桩等数据冗余点进行剔除。

2.2点云数据精度评估

由于点云数据的定位不易直接用其它仪器测量，因而给精度评定带来了一定困难。本文采用堤坝上6个石桩表面的点位高程进行评估，理论上，石桩表面是近乎水平，高程接近一致。通过每个石桩点位高程值与点位平均高程的差值统计，可以在一定程度上指示测量误差的范围。

2.3潮滩DEM的构建

虽然，对潮滩地貌特征制图与定量的分析，均可以通过点云数据直接实现，但鉴于GIS软件强大的空间分析功能及在地貌研究中的广泛应用，本文基于Arcgis9.3软件利用反距离加权插值法（IDW）及克里金插值法（Kriging）建立潮滩扫描区DEM，并针对所建立的DEM进行坡度、起伏度、山体阴影的地学分析。反距离加权插值法，是基于相近相似的原理：即两个物体离得近，它们的性质就越相似，反之，离得越远则相似性越小，它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。克里金插值法是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法。

2.4DEM精度评估

目前，DEM精度评估的方法较多，其中，检查点法具有直观、精确和易操作性的特点，因此本文采用此种方法检验DEM的精度。检查点法是将模型高程与相同位置实测点的高程进行比较，经过对比分析以评估DEM精度。在数据预处理中，经过运算随机产生5%的实测点，用以评价DEM精度。模型高程与实测点高程差的绝对值为绝对误差，绝对误差与实测点高程的比为相对误差。

3　结果与讨论

3.1点云

由于滩面地势起伏低，获取的滩面反射信号较少，而距陆较远处滩面受水浸泡，滩面较暗，反射信号也不强烈，因此通过扫描只获取了滩面最远约150 m的数据点。图2是由经过扫描共约2 236 144个点云数据组成，扫描面积约9 766 m2。通过激光扫描仪获取的滩面点云数据并非均匀分布，经统计，每平方米大约分布200-800个点云数据且在靠近扫描仪的滩面分布较为密集，随着距离的增加点云分布逐渐稀疏。另外扫描期间受潮滩水面及扫描视线的影响，部分滩面上没有点云分布。

图2　研究区点云数据

3.2点云数据精度评估

6个石桩随距扫描仪的远近，TLS测量的点云数据由752至30发生变化，总计1210个点。图3a为每个石桩的误差统计，从图中可以看出，50%的数据点偏差小于0.3 cm，第一个石桩误差统计范围较大，最大偏差可达1.8 cm，可能是由于其样本数较多（752个），因而会存在相对较多的异常值致使误差统计增大，其它石桩统计误差范围均在±1 cm之内。图3b为1 210个数据点整体误差分布统计，从图中可以看出误差统计分布近似正态分布，80%的数据点误差小于0.5 cm，42.6%的数据点误差小于0.2 cm。如果对同一潮滩区域多期扫描成像，可以定量观测潮沟摆动、潮滩沉积过程的时空变化，但是通过点云数据的精度评估，可知在短期内毫米级地貌变化过程中（潮汐旋回等）的应用效果可能并不明显。

图3　雷达扫描误差分析（a：每个石桩误差统计（1=752，2=254，3=96，4=41，5=37，6=30，全部=210）b：全部石桩误差分布直方图）

3.3DEM构建及精度评估

在Arcmap中加载地统计分析模块（Geostatistical Analyst），应用模块中的Greate Subsets工具按随机方式分解成两部分，一部分占95%，共2 124 338个观测点，用以构建DEM；另一部分占5%，共111 807个观测点，用以评价DEM精度。应用地统计向导中的IDW插值及普通Kriging插值完成对2 124 338个点的插值运算，其中，反距离加权法的距离权重指数设为2，站点搜索范围设为12，普通克里金插值法采用系统默认的球状模型、主自相关阈值为60.78，步长为5.13，步长组的数目为12，输出栅格大小为1 cm×1 cm的格网DEM（图4，图5），图4是在surfer软件中生成的三维曲面图。表1是DEM误差平均值统计结果。

表1　DEM误差统计表

图4　扫描区3D曲面图

图5　扫描区DEM及主要地貌参数（a：DEM高程分布b：山体阴影c：起伏度分布d：坡度分布）

从表1中可知，IDW插值的平均绝对误差为0.012 2 m，平均相对误差为0.6%；Kriging插值的平均绝对误差和平均相对误差为0.0097m和0.5%。根据数字高程模型标准中对高程误差的规定，高程中误差最低的平地为0.5 m。因此，检查点法评估结果表明利用IDW插值法和Kriging插值法所建立的格网DEM精度是符合要求的。Kriging插值效果略优于IDW插值，但是考虑到插值运算的时间（表1），这里建议利用IDW插值完成潮滩DEM的构建。

3.4地貌参数分析

通过Surfer软件完成扫描区域3D曲面图的构建（图4）及Arcgis软件完成扫描区DEM、山体阴影、起伏度及坡度的地学分析（图5）。从两幅图中可以看出，宏观上，扫描区域从防波堤到碎石堆再到整个滩面，地貌形态得到了很好的展现，防波堤相对规则，碎石堆比较杂乱，堤坝和碎石堆相比平坦的滩面地貌起伏度和坡度均较大、而潮沟受水流侵蚀作用较强烈，相比平坦潮滩面起伏度和坡度值比较大。微观尺度上，通过对山体阴影图局部区域的放大（图6a），可以清楚的看到潮滩面上一些生物的脚印，一些更加细小的潮沟及潮滩纹状地貌（宽约15~20 cm，长约50~70 cm） （图6b）。从扫描区域宏观和微观尺度上的地貌分析，也验证了建立DEM的可靠性，因此利用IDW插值构建的DEM是对潮滩真实地貌的模拟。但是需要注意的是，在潮滩地貌中，受局部区域地形起伏、扫描方向及水面的影响，地面激光扫描仪不能获得潮沟深处及一些纹状面背面处的数据信息（图6c中空白处）。

4　结论与展望

传统潮滩地貌的研究多集中在局部点上，费时费力，定量化程度不高，而TLS则可以实现不同时间尺度较大范围的地貌定量化观测，最近，Waldemar等成功利用TLS技术精细刻画了极地环境下Scott河流河床空间变化的地貌过程。本文将TLS应用到江苏沿海潮滩微观地貌研究中，通过初步分析有以下认识。通过点云数据及由点云数据构建的DEM能够便捷高效的实现潮滩微观地貌定量模拟；利用GIS软件构建潮滩DEM能够更有效的分析潮滩地貌特征，可以有效地刻画出厘米、分米尺度的地貌；在利用点云数据构建DEM时，IDW方法相比Kriging方法计算耗时短、计算精度接近Kriging法，推荐在海量数据点构建潮滩DEM时首选IDW法；由于LiDAR扫描仪器自身的数据误差，测量短期内潮沟变化、潮滩沉积等地貌过程其效果不太理想，但如果这些地貌变化远大于仪器自身的误差，则仍可使用地貌激光扫描仪进行观测；受潮滩水面及雷达扫描方向的影响，一些滩面、潮沟深处及纹状地貌背面处较难获取数据信息，在今后的研究中可以考虑采用多角度扫描的方法。

图6　扫描区微观地貌特征（a：潮滩上生物脚印；b：纹状地貌；c：Arcmap中点图层示意）

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（本文编辑：李晓光）

Preliminary study about the geomorphology in the tidal flat based on the terrestrial laser scanning

CHANG Zhi-yang1,2,WANG Jian1,LI Jing-bing1,3,BAI Shi-biao1
（1.School of Geography Science,Nanjing Normal University,Nanjing 210023,China；2.Nanjing Institute of Tourism and Hospitality, Nanjing 211100,China；3.College of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China）

Traditional tidal geomorphology research methods are difficult to characterize the micro tidal geomorphology, and the emergence of terrestrial laser scanning（TLS）provides a new sight in studying tidal geomorphology.However, there is little study about using the TLS technique in tidal geomorphology studies currently.We use field scan data to obtain the point clouds in the coastal tidal flatof Dongzaogang.Firstly,we carried out the noise reduction of the point clouds,and then the accuracy of the measurements was assessed by the analysis of elevation deviations for flat and horizontal concrete blocks.Finally,we attempted to construct tidal flat DEM using the method of IDW and Kriging interpolation.It can be concluded that the constructed DEM based on point clouds can quantitatively model the real topography of tidal flat.The interpolation method of IDW can construct DEM quickly.Due to the data error of the LiDAR scanners itself,it may be not good to measure the short term changes in geomorphological processes such as tidal creeks and tidal deposition.But TLS can be still used if the change of the landscape is much larger than the error of the instrument itself.The results provide a reference for using TLS to study microscopic landscape quantitatively.

terrestrial laser scanning；tidal flats；point clouds；digital elevation model

王建，教授，博士生导师，电子邮箱：jwang169@vip.sina.com。

P714

A

1001-6932（2016）03-0258-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.003

2015-03-21；

2015-06-09

中国博士后科学基金面上项目（2012M511298）。

常直杨（1987-），男，博士，从事GIS及RS在地貌研究中的应用，电子邮箱：changzhiyang1@126.com。