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機載LiDAR技術在灘涂地形圖生產(chǎn)中的應用

發(fā)布日期:2018-06-21 00:00 瀏覽量:9973

  1、 前言

  灘涂是海岸帶平均高潮線與平均低潮線之間向海洋和緩傾斜的灘面,由淤泥質(zhì)或沙質(zhì)河海沉積物組成,其灘涂為海岸帶的重要組成部分。浙江沿海灘涂大部分為淤泥質(zhì)平原海岸帶,灘地比較開闊。灘涂會隨著潮汐周期的變化和水位的升降交替性變化,區(qū)域內(nèi)難以布置有效測圖控制點,又因為灘涂地勢較為平坦, 灘涂影像較為單一,立體模型測標點對貼近灘涂面不敏感,等高線走向較難把握。沿用傳統(tǒng)的航空攝影測量手段很難獲得精確的海岸帶地理信息。


  機載激光雷達(LiDAR)是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng),是集激光掃描儀(Scanner)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導航系統(tǒng)(INS)三種技術于一體的空間測量技術,能夠快速、準確地獲取地表三維空間信息。無需大量的地面控制點,卻能夠獲取到海岸帶灘涂地理信息。同時將獲取的LiDAR激光點云數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與編輯,最終能得到灘涂的DSM、DEMDOM、DLG等地形圖產(chǎn)品。


  2、 灘涂地形圖生產(chǎn)

  2.1 灘涂地形圖生產(chǎn)流程

  灘涂數(shù)字線劃圖生產(chǎn)范圍是海岸線到理論深度0米之間的帶狀區(qū)域。利用機載LiDAR技術生產(chǎn)灘涂地形圖主要是通過獲取的點云數(shù)據(jù),在TerraSolid中進行濾波分類,生成數(shù)字高程模型DEM,并結合數(shù)字正射影像圖DOM 在Microstation V8環(huán)境下進行海部要素的提取和采集,再經(jīng)過調(diào)繪核查,內(nèi)外業(yè)一體化生產(chǎn)方式編輯成圖。灘涂地形圖還需與海岸線上的基礎測繪地形圖和理論深度0米以下的水下地形圖進行無縫銜接。綜合利用現(xiàn)代測繪技術與信息,構建灘涂海岸帶的現(xiàn)代測繪技術體系,實現(xiàn)海、陸地理信息一體化。


  2.2 海岸線位置確立

  海岸線是指平均大潮高潮位的水陸分界線,也是海洋與陸地的分界線。海岸線是基礎地理信息的重要數(shù)據(jù),在灘涂DLG生產(chǎn)中,海岸線位置的確立是一個很關鍵的工作。灘涂地形圖的海岸線是以最新基礎測繪1∶10000為基礎,海岸線發(fā)生變化部分利用了LiDAR點云成果,以岸線理論高程值(如杭州灣3.2米)生成高程等值線結合DOM影像痕跡線進行人工海岸線、自然海岸線、河口海岸線位置精化。海岸線與內(nèi)陸河流的具體分界點參照我省大陸海岸線測量成果,原則上以水閘、橋或河口作為分界點,保持海岸線空間形態(tài)特征。

  新增的人工岸線按點云生成等值線與新增碼頭、無灘加固岸等DOM影像及點云生成模型套和采集海岸線,確保海岸線采集精度。

  海岸線的線面必須保持一致性,海域面的邊緣線與海岸線、河口岸線重合構面。灘涂線與海岸線重疊進行灘涂構面,DLG疊加DOM顯示的灘涂海岸帶。


  2.3 碼頭與海岸線要素關系

  港口是海岸帶最重要的人工設施,浙江沿海經(jīng)濟發(fā)達,擁有眾多港口、碼頭。機載LiDAR技術掃描的點云數(shù)據(jù)除了三維坐標,還具有反射強度信息,它能反映出地表物體對激光的作用信息,一般堤壩、碼頭都是由石沙、混凝土等構筑,因而堤壩、碼頭反射率較其周圍地物要高,在點云數(shù)據(jù)濾波分類時保留防洪堤、調(diào)節(jié)閘這些地物頂部的點云數(shù)據(jù),便于灘涂地形圖地理要素的采集。激光點云能完整呈現(xiàn)地物地貌的細節(jié),因此數(shù)據(jù)的采集可通過紋理、形態(tài)、顏色解譯判讀,確認防洪堤、碼頭等水工建筑要素和位置。

  碼頭與人工岸線在圖形結構上是組合關系,由于碼頭類型不同,在圖形與要素間關系的處理上與基礎測繪地形圖一致,固定順岸式碼頭、固定堤壩式碼頭是沿人工岸線或由陸地延伸到海域中的碼頭,碼頭符號按其形狀用相應要素線沿人工岸線重合表示;棧橋式、浮碼頭是由架空建筑物從陸地向海域延伸并架空于海面上的碼頭,碼頭符號按其形狀用相應要素線表示,靠岸部分要素線與人工岸線重合,符號其余部分疊加在海面上。


  2.4 灘涂要素表達

  灘涂是海岸帶的重要組成部分,是海岸線與理論低潮界之間的潮浸地帶,高潮時被海水淹沒,低潮時露出。灘涂可分為泥灘、巖灘、沙灘,灘涂性質(zhì)依據(jù)最新基礎測繪1∶10000資料和DOM影像內(nèi)業(yè)進行判讀確定,灘涂要素用相應的填充符號以面狀表示,范圍由海岸線與理論深度0米線進行構面,當依比例尺的干出礁在灘涂上時,干出灘面鏤空,面、線重合表示。


  2.5 等高線與高程點要素的提取

  由于LiDAR技術沒有三維立體測圖環(huán)境,灘涂等高線成果是利用已濾波、分類好的地面點成果數(shù)據(jù),結合帶有高程信息的特征線就可在TerraSolid的TerraScan與TerraModerler模塊完成粗DEM生產(chǎn),精細的DEM需要在ArcToolbox中3D Analyst Tools\Raster Surface\Contour List中處理,然后獲得等高線。由于LiDAR點云密度較大,生成等高線節(jié)點過密,局部等高線會出現(xiàn)紊亂,產(chǎn)生小毛刺以及多余封閉曲線等問題。因此需要套合DOM影像,根據(jù)地形地貌形態(tài),剔除多余封閉曲線,并對等高線進行修飾、圓滑處理,從而得到美觀無冗余數(shù)據(jù)等高線成果。

  灘涂高程點成果是利用TerraSolid軟件TerraModeler模塊中相關功能,從點云數(shù)據(jù)中提取高程注記點。高程注記點密度為10~20點/平方千米。提取的高程點和等高線在MicroStation V8環(huán)境下進行點線矛盾檢測與修改。等高線及高程點提取效果圖如圖2。


  2.6 成果一致性

  由于機載LiDAR獲取的點云坐標是在WGS-84坐標系下建立的,而我們需要的是CGCS2000坐標,因此需要進行坐標轉換。

  一是通過TerraSolid軟件對點云進行平面和高程系統(tǒng)的轉換,將WGS84系統(tǒng)的UTM投影的平面坐標,轉換為2000國家大地坐標系統(tǒng)的高斯投影平面坐標;將WGS84系統(tǒng)的大地高,通過應用浙江省似大地水準面數(shù)據(jù)轉換為1985高程基準的正常高,實現(xiàn)LiDAR測高數(shù)據(jù)的坐標轉換和高程轉換。

  其次將基礎測繪1∶10000數(shù)字線劃圖作為生產(chǎn)的基礎底圖,保證灘涂地形圖與基礎測繪1:10000圖無縫拼接。灘涂地形圖所表示的點、線、面要素分類代碼統(tǒng)一采用標準DB33/T 817-2010(浙江省《基礎地理信息要素分類與圖形表達代碼》的要求執(zhí)行。

  采用投影轉換、坐標變換等方式實現(xiàn)LiDAR的點云數(shù)據(jù)與基礎測繪1∶10000成果一致,通過幾何位置融合消除了海岸線位置上的差異。浙江首次利用機載LiDAR技術生產(chǎn)的灘涂地形圖,經(jīng)質(zhì)檢部門檢查驗收合格,良級品率達到83%。


  3、 結語

  浙江沿海地形復雜,海岸帶狹長,灘涂寬度不一,灘涂大部分為淤泥質(zhì),對外部干擾敏感,具有自然的空間動態(tài)遷移特性。傳統(tǒng)的航測手段很難獲得精確的灘涂地理信息。因此灘涂地形圖生產(chǎn)關鍵技術在于采用了機載激光LiDAR技術,IMU/DGPS導航技術,解決了傳統(tǒng)航測必需在測圖區(qū)域布設一定數(shù)量控制點而實際人員難以到達的難題。其次運用了連續(xù)運行參考站衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)和似大地水準面精化成果,減少灘涂和海島礁成圖高程獲取的外業(yè)工作量。

  利用機載LiDAR技術進行灘涂地形圖生產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢,不僅突破傳統(tǒng)航測作業(yè)的瓶頸,而且提高了測繪成果精度,為灘涂的地形圖生產(chǎn)提供了新的測繪技術手段。


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