LiDAR技术用于海岸线测量的优势对比分析.docx

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1、1.iDAR技术用于海岸线测量的优势对比分析一、引言我国海岸线总长35800多千米（含港澳台），其中，大陆岸线19000多千米，岛屿岸线16700多千米。全面、高效、精准地测定海岸线位置、属性及其动态变化，对经济建设和国防建设具有十分重大的现实意义。我国海岸线资源丰富，传统人工实地测量法曾为我国全面、准确测量海岸线发挥了重要作用，但如今不能满足快速、准确的测定海岸线位置的现实需求，因此发展全新的海岸线测量技术势在必行。我国对海岸线的定义及测量方法有明确的规定，国家标准海道测量规范MGBI2327-1998）中明确规定“海岸线以平均大潮高潮时所形成的实际痕迹进行测绘”。目前海岸线测量的方法分为传

2、统人工实地测量法、摄影测量法、SARZlnSAR测量法和1.iDAR测量法，其中后3种方法应用于海岸线测量时其核心技术是海岸线提取（为方便读者后面阅读，这里进行说明）。1.iDAR技术是继GPS技术以来在测绘领域内的又一场技术革命。从本世纪初开始，美国利用了约十年时间开发、测试和完善了基于1.iDAR技术的海岸带测绘程序，海岸线提取结果符合相关国际标准的要求。本文对比分析了当前海岸线测量的方法的优缺点，重点阐述了1.iDAR技术用于我国海岸线测量的可行性与必要性。二、我国海岸线传统测量长期以来，我国海岸线测量主要采用光学仪器或卫星定位测量等实地测量的传统模式，针对该方法的特点并结合我国海岸类型

3、情况，海岸线传统测量现状具有以下特点。不同测量人员因判别经验不同导致对痕迹线位置的判断有一定差异，同一测量人员在不同时刻观测同一痕迹线时位置也有差异。因此，人工量测痕迹线的误差可能很大，且难以被量化；我国基岩岸线和淤泥质岸线分别占海岸线总数的38.75%和5.61%,这两种岸线由于特殊的地质构造，传统测量法施测困难，且在测量时具有极大的危险性；实地测量法在采集大范围数据时费时费力，难以满足地理信息产业对数据快速采集及更新需求。三、基于1.iDAR技术海岸线提取方法目前1.iDAR技术提取海岸线主要有两种方法：交叉海岸剖面法和等值线追踪法。1.交叉海岸剖面法StoCkdOn等提出的交叉海岸剖面法

4、提取海岸线，其流程见图1,该方法提取的海岸线精度取决于海岸剖面数N,N越大则提取的海岸线与实际海岸线越吻合，因此存在计算量大的缺点，其实用性不高。图1交叉海岸剖面法流程图2等值线追踪法Robertson等将等值线追踪法提取的海岸线与高分辨率影像提取的海岸线做了对比分析，结果显示机载1.iDAR技术比摄影测量技术提取的海岸线更精确；美国国家大地测量局(NGS)采用等值线追踪法提取海岸线，这也是当前1.iDAR技术提取海岸线的主流方法，其核心流程见图2。图2等值线追踪法流程图由于受地形条件影响，等值线追踪法提取的海岸线过于破碎和曲折，这增加了后期数据处理的工作量。于彩霞、张良等在等值线追踪法的基础

5、上对海岸线进行了平滑，但平滑过程中不可避免的会降低提取精度且步骤相对繁琐，若要提取多种潮汐基准面等值线时，需重复将海岸带DEM或点云数据转化为水陆二值图像，降低了作业效率。四、1.iDAR技术海岸线测量优势及技术比较从美国国家大地测量局(NGS)海岸线产品数据源中可以看出(图3),可见光影像是其海岸线资料更新的主要数据来源。目前1.iDAR技术无法完全取代摄影测量技术，但大量国内外研究表明，除极为平缓的淤泥质岸滩处，1.iDAR技术适用于所有类型岸线的提取，本文对几种提取海岸线的技术手段进行了对比。航空影像卫星影像1.iDARInSAR图3NGS海岸线产品数据源构成示意图1 .1.iDAR技术

6、与SARZInSAR技术对比20世纪90年代以来，大量学者利用SAR影像对海岸线提取进行了研究，如：1.ee等提出的边界追踪算法；Malladi等提出的水平截集法等分别实现了对瞬时水边线的提取；王志勇等利用InSAR影像构建了海岛DEM及瞬时水边线。该方法提取的皆为瞬时水边线，其只能在精度要求不高的情况下作为海岸线的替代产品，且相对于其他技术手段而言，SAR/InSAR的定位精度不高。SAR/InSAR作为主动式遥感探测技术，与1.iDAR技术有一定相似性，主要区别表现如下。(I)1.iDAR技术与SAR/InSAR技术相比具有更强的穿透力，在植被茂密地区和近海浅水区的地形测量方面具有更大优势

7、；(2)1.iDAR技术直接获取目标的空间位置、回波强度等信息，且自动化程度较高，而SAR/InSAR影像在实际应用中存在影像覆盖范围大、地面控制点布设困难、数据解译困难以及数据后期处理成本高等问题；(3)SARInSAR影像在地形复杂区域存在阴影和层叠现象，导致地形数据缺失,而1.iDAR技术不受阴影影响且其生成的产品具有更高的精度；(4)SARlnSAR技术能在偏远易受云雾遮挡地区获得高分辨率影像数据，且其获取数据效率更高，在大范围地形变化监测方面更有优势。2 .1.iDAR技术与摄影测量技术对比美国国家大地测量局(NGS)测绘海岸线的主要方式是在数字摄影测量系统立体模式下利用潮汐数据进行

8、采集的人工提取法，从本质上分析，该方法是实地测量法在遥感影像上的另一种实现。李传龙等、申家双等分别利用计算机自动解译法提取了海岸线，但该方法多为提取瞬时水边线或在其基础上进行了位置改正，未考虑瞬时水边线位置具有不确定性的特点，存在提取方法不通用且精度受限于影像分辨率的问题。1.iDAR技术和摄影测量技术在某些方面具有相似性，如两者皆需要GPS/IMS和摄影测量传感器；采集数据时都会受到天气影响；都能满足大比例尺地形测量精度要求，1.iDAR技术与摄影测量技术主要区别见表K表1摄影测量技术与1.iDAR技术对比财比口搬影演V技术IjDAK邮N技术平台适合不同安装平台时平台瞿求较B.I1.往往雷安

9、改装操控件作业计划箍小,对掾控人M要求不高作业计划和掾作相对我杂探测距肉可达数有米以上探酒距肉在般在几r米以内用于曲部地杉港HM实现海圈Jt缝对接成像位阳大.采集效率高赛场向Ml时较小.采蛆效率较而系忧构成睛m.可族性好系统构成M架.影响溶t精度因点多系统分命可达数十年Il造价低系统右命的为100hIl造价AiIZnTirIlE受人气.光艇及阴影影典较大爻人气影响较小;不受光照.阴影影响采集的数据含仃匕富的形状.大小.偏色.纹耳等用读能松伊：堆坐林、强度.光源波段，偏振等使特征于辐射9几何校正的信息理论上回川波段型无限的所确定的河川激光波段有限穿透能力较弱穿透能力较强I)SMj)EMJMM.D

10、1.G生产技术或热刖过界贪杂生成USM.DEM方使高效：尚无成照方法生成IMtM和D1.G牛产能效率和成本容切估算Ild以选步降低效率印成本谀依据和产品而定11降低审间火自动化程度较低自动化程度离平而精度高.比高程精度高1/3A程精度高.比y面ttA25fftu11J.受人的1：观内奈影响大受人的士观因点影响小1.iDAR技术能与摄影测量技术优势互补，其无需布控、定向等复杂处理过程，在效率、精度和成本上得到的新突破为海岸线严谨与客观测绘提供了契机。五、不同类型1.iDAR系统应用于海洋测量的技术特性分析根据测绘领域所关注的探测精度、探测距离及对目标识别分类能力的不同，可将1.iDAR系统按照以

11、下3种方式划分类型，根据平台不同，可分为机载、船载和车载1.iDAR系统；根据激光器所发射激光波段的不同，可分为不同波段的1.iDAR系统；根据探测体制的不同，可分为线性探测体制1.iDAR系统和光子计数1.iDAR系统，现将不同1.iDAR系统特点进行分析。1.不同平台1.iDAR系统特点对比为使1.iDAR系统能够满足不同精度及不同目标模型的重建需求，会将其搭载在不同平台上。车载和机载1.iDAR系统在数据获取上具有高效、高精度的特点，在城市三维建模，目标提取等方面应用广泛；船载1.iDAR系统有着特定工作环境，能采集到地面和空中平台所不能采集到的数据，在海岸带海岛礁测量方面具有重要的实用

12、价值，其与车载1.iDAR系统在扫描角度和扫描距离上具有很大相似性，很多搭载在车载平台上的1.iDAR系统也可以搭载在船载平台。不同平台1.iDAR系统获取的数据具有很多相同点，但因扫描视角、扫描距离和扫描方式不同，造成采集的点云数据有很大差异。本文对不同平台的1.iDAR系统之间及所采集数据的不同点进行比较分析。视场角不同机载1.iDAR系统采用俯视角度进行观测，获取的侧面点云数据较少，对于坡度较陡的海岸，机载1.iDAR系统难以开展有效作业；车载1.iDAR系统受道路限制其机动性能无法适应海岸带地形，且其在岸上对海岸带以斜下视的角度进行扫描会存在较大盲区；船载1.iDAR系统可采集到机载1

13、.iDAR系统无法获取到的立面信息，通视性好、灵活性和可靠性较高。因此，从视场角方面分析，机载和船载1.iDAR系统更适合海岸线测量。数据在三维特性上有差异机载1.iDAR系统获得的是目标顶部信息，因此，平面坐标XY与高程坐标Z一一对应，即2.5维特性；车载和船载1.iDAR系统获取的是目标侧面信息，不仅平面坐标XY不与高程坐标Z一一对应，且YZ坐标与X坐标及XZ坐标与Y坐标也不对应。数据精度不同车载和船载1.iDAR系统扫描距离较近,数据精度能达到亳米级;机载1.iDAR系统扫描距离一般在几百米以上，数据精度能达到IOcm,有关文献表明，点云数据精度越高，所采集的海岸线精度越高，因此，根据船

14、载1.iDAR点云衍生出的海岸线精度较高。点云密度不同不同平台的1.iDAR系统移动速度、扫描距离和扫描角度不同，使得点云密度差别很大，机载1.iDAR系统获得的点云密度一般在每平米几个到几十个，无法有效反映一些较小目标的细节信息；车载和船载1.iDAR系统扫描距离较短，获得的点云密度在每平米几十个到上千之间；船载平台会随波浪在水面上左右摇动和上下起伏，造成点云数据存在过密或过稀区域。作业效率不同机载平台机动性强，作业效率高；车载和船载平台易受工作环境影响，机动性远不如机载平台，作业效率相对较低。系统组成不同工作环境不同导致搭载平台的不同；视场角不同使得激光器扫描构件不同，机载测量系统主要采用

15、之字形、椭圆形等俯视方式扫描，而车载和船载测量系统在水平方向和垂直方向进行侧视双轴扫描。应用范围不同机载1.iDAR系统适用于大部分海陆目标测绘、三维建模及短时间大范围地形动态应急监测；船载1.iDAR系统仅用于海岸带和海岛礁等水上目标的测绘；车载1.iDAR系统多用于道路测绘、城市建模等。3 .不同波段的1.iDAR系统从红外波段到紫外波段都有激光的存在，除普通光所具有的特点外，激光还具有亮度高、方向性好、对地物具有一定穿透性等优点。在对地观测领域，激光发射材料和粒子能级跃迁所确定的可用激光波段是有限的，常见的1.iDAR系统采用绿色532nm和近红外1064nm、1550nm的3个波段之一。海岸带地物丰富，大致可分为植被、岩石、沙滩、粉沙淤泥、人工地物、海水6类，这些地物对不同波段的激光有着不同的反射光谱特性，主要表现在对激光的反射率和点云数据回波强度的不同，见图4。100r水泥混凝土右手沥青蒙脱石石英外石灰岩粉沙淤泥细沙里沙海水波长nm图4海岸带常见地物反射光谱曲线示意图由图4可知，海岸带地物反射光谱曲线总体差异较大，但在个别波段处会有所接近或