江苏滩涂机载LiDAR测量数据处理技术
一、引言
江苏滩涂位于江苏省东部沿海区域，地处长江、淮河下游，分布有国内首屈一指的海底沙脊群—辐射状沙洲。20世纪60年代，我国有关部门曾组织过测量，当时由于我国缺乏无线电定位设备和技术上的原因，测量成果不合格，未能使用。1979年我国再次组织江苏滩涂测量，采用近海地形测量技术，完成1:5万系列海图测量任务，从而结束了江苏东部海区无实测资料及海图空白区的历史。受当时的技术、装备、作业方法等制约，测量精度、成果质量都有一定局限性。
随着近40年的快速建设发展，江苏北部沿海地区发生了巨大变化，造成海图现势性严重落后。针对海岸地形和干出滩，江苏省测绘地理信息局多次组织航空摄影测量和机载LiDAR测量，用于海岸地形图编制和更新。2013年组织实施了大规模海岸地形航空摄影测量，编制完成一套1:10000地形图；同时应用机载LiDAR测量技术实施了滩涂测量[2]。此后，地方测绘部门每年组织航空摄影测量，主要针对海岸带陆地区域，完成海岸地形图修测。而滩涂和海部区域，由于技术难度大、工作条件差，一直未能组织全面、系统测量。针对滩涂测量，如何将常规测量技术与航空测量技术相结合，科学、高效、精确实施测绘，是迫切需要解决的技术问题。
二、江苏滩涂测量特点和需求
江苏滩涂从长江口北缘至射阳河口，以滩涂、沙洲、潮沟、养殖区、围堰、海堤等为主，滩涂坡度平缓，水下岸坡面积大，明暗沙洲多。近些年，由于泥沙淤积和经济开发，滩涂不断向外扩展、地形地貌变化很大。特别是浅滩面积宏大，最宽处约40km，涨潮时为海水淹没，落潮时沟沟坎坎。滩涂主要由淤泥组成，车辆、人员行走困难。江苏滩涂潮汐特殊，有神秘和恐怖的“怪潮”之称。受东海前进波、黄海旋转波以及苏北沿岸流的共同作用，不同流系在前进过程中达到某一谐振状态，加之此处的“巨掌”辐射沙脊地形，极可能产生局部怪潮。在很短的时间内，海水潮位急剧上涨，流速激增，来势汹涌，瞬间就能将船打翻；退潮时杳无声息，一泻千里，而且潮时很短，危及海上作业人员的安全。采用常规海岸地形测量手段工作量巨大，作业条件异常复杂、艰苦，造成江苏滩涂测量近40年未能全面复测，更新周期长，海图现势性弱。
近年来，我国相关部门重新启动了江苏滩涂测量任务。要求对江苏滩涂实施全面、系统、精细测量，完成测区大比例尺海岸地形图测绘工作。江苏滩涂测量任务包括水深测量和海岸地形测量两部分。水深测量目前只能采用常规的船载声纳测量技术，工作内容包括：单波束水深测量、临时验潮、水文调查等；高潮时作业区域为测量船能安全航行的浅海水域。而海岸地形测量，主要包括海岸线、航行方位物、干出滩等测量，可以采用地面常规测量、航空摄影测量和卫星遥感等多种方法，目前作业单位主要采用数字全站仪、GPS RTK等人工实地测量模式[3]。考虑江苏滩涂特殊的地理特征，滩涂面积大，潮汐怪异，环境危险，交通不便、工作量巨大等，完全采用常规测量手段作业难度大、效率低、人员安全无法保证，所以，作业单位提出了引入新的测量方法和技术的要求，辅助解决作业效率低、环境危险、重点区域无法作业等难题。
目前，航空、航天遥感技术发展很快，卫星遥感、航空摄影测量、无人机测绘和机载LiDAR测量等技术广泛应用于海岸地形测绘，代表了未来该领域技术发展趋势[4]。针对江苏滩涂测量，卫星遥感可以掌控测区全貌，宏观分析地形结构，测绘基础地理信息，但是无法用于干出滩大比例尺测图；航空摄影测量可以测绘大比例尺地形图，但是受测区地貌特征和立体测图技术能力的影响，干出滩的高程测量精度较低，不能满足海道测量规范要求；无人机测绘系统可以实现局部区域的精细测量，获取干出滩微地貌，但是高程测量精度依然偏低，而且不适合大区域测量作业；机载LiDAR测量可以获取干出滩高精度DEM数据，测量范围大，作业效率高，是解决江苏东部海岸干出滩测量的有效方法。
三、机载LiDAR测量技术设计
江苏滩涂测量任务及其成果，主要用于编绘海图，须具备规范性和权威性，因此，无论采用哪种技术，都应以《海道测量规范》和海洋测绘沿岸测量的技术要求为标准[5]。
1.机载LiDAR测量技术分析
⑴《海道测量规范》对大面积滩涂测量的技术要求
①重要的大面积干出滩的海岸地形测量，可采用水深测量和航空摄影测量相结合的方法进行。在高潮时进行水深测量，以求得断面点的干出深度；低潮时进行航空摄影测量，以判读干出滩上地形起伏和微地貌特征。内业处理时根据两种资料进行综合，绘制出干出滩地形图(海道测量规范7.4.2.6)。
②测绘干出滩范围、性质，干出滩上的地物、地貌，干出高度点(从深度基准面起算)等要素。
③对于大面积干出滩一般采用断面线法进行测量，断面线一般应垂直海岸线布设，断面线间距一般以图上间隔2～5cm布设，断面线上测点间距依比例尺为100m(1:2000)、200m(1:5000，1:1万)、300m(1:2.5万)、500m(1:5万)。
④干出滩范围从海岸线至水深零米线，干出滩的外缘采用水深测量资料。
⑤干出滩性质分为岩石滩、珊瑚滩、泥滩、沙滩、砾滩、泥沙混合滩、沙泥混合滩、沙砾混合滩以及芦苇滩、从草滩、红树滩。
⑥不同性质干出滩的分界线必须测绘。
⑦滩涂上明礁、干出礁均应测定其位置、高程。
⑧滩涂及其上的地物测量，平面位置中误差不大于图上1mm，高程中误差不大于0.2m，特殊区域高程中误差可以放宽0.5倍。
⑨对于靠岸的礁石应视其分布，综合测定其位置和高度。
⑩干出滩上的干出沟，应尽量测绘。
⑵机载LiDAR测量技术滩涂测量能力及作业模式
①针对大面积干出滩测量，航空摄影测量和机载LiDAR测量是《海道测量规范》规定的主要作业模式之一，而且机载LiDAR测量能获取高精度DEM数据，比航空摄影测量更有效。
②机载LiDAR集成了小型航摄相机，包含影像数据，可以测绘干出滩水陆动态变化范围，干出滩上的地物、地貌，干出高度点等要素。高程点密度达到0.25点/m2，远远高于常规断面线测量法。但是只能对露出水面的滩涂、地物进行测绘。
③机载LiDAR测量能高精度获取海岸线、瞬时水位线、明礁、干出礁、干出沟等要素信息。
④机载LiDAR测量可以提取主要干出滩性质，如岩石滩、珊瑚滩、泥滩、沙滩、砾滩以及从草滩。但对于泥沙混合滩、沙泥混合滩、芦苇滩、从草滩、红树滩等精细分类需要外业调绘。不同性质干出滩的分界线亦需要实地调绘。
⑤机载LiDAR测量平面位置中误差不大于5m(1:1万比例尺，平坦测区)，高程中误差不大于0.15～0.35m，略低于《海道测量规范》要求的0.2m。
通过比较分析，机载LiDAR测量技术是海道测量规范确定的技术方法，具有规范性和权威性，可以用于大面积干出滩测绘，测量成果主要指标符合《海道测量规范》要求，其中地物属性及滩涂精细分类需要外业调绘加强和补充[6-12]。
2.机载LiDAR数据处理技术设计
⑴技术要求
干出滩测量主要内容为：高程、范围、类型以及干出滩上的地物、地貌等，测图比例尺为1:2.5万，平面定位精度：优于7.5m，高程测量精度优于0.2m，特殊区域适当放宽。
⑵机载LiDAR数据
江苏滩涂机载LiDAR数据包含两类：激光点云数据和数码影像。激光点云数据用于制作数字高程模型(DEM)，进而生成等高线；数码影像用于判绘地物、地貌(除等高线)信息，生成数字正射影像图和数字线划图。江苏滩涂机载LiDAR数据满足1:1万比例尺地形图成图指标要求，点云数据平面定位精度优于5m，高程精度优于0.25m(由数据检测报告提供)，基本满足海道测量规范技术要求。
⑶技术方案
以低潮线为界，分别采用机载LiDAR测量技术和船载声纳测量技术，实施干出滩DEM测量和滩涂水深测量，然后将两种测量成果拼接，实现整个滩涂地形测量目的。针对干出滩机载LiDAR测量，具体技术路线见图1。
图1 江苏滩涂机载LiDAR数据处理技术流程图
①机载LiDAR测量数据获取。江苏省金威测绘公司，2013年12月～2014年6月组织实施了江苏滩涂机载LiDAR测量，获取了完整的测量数据，整个测区分为5个分区，其中2个分区分别进行了精度检测，高程中误差分别为0.130m和0.108m[2]，均小于海道测量规范要求的高程测量精度优于0.2m的指标要求，奠定了江苏滩涂机载LiDAR测量技术应用的基础。
②点云数据精度检测。激光点云数据是2014年获取的，考虑到滩涂地形变化和数据时效性，加之作业单位首次应用机载LiDAR测量数据，并直接应用于年度测量任务，所以，对点云数据进行精度检测十分必要。根据滩涂测量的主要内容和机载LiDAR测量技术特点，精度检测主要针对高程测量精度。点云数据精度检测方法为：在每个航摄分区内，布设一个垂直于航线的剖面，采用常规方法测量干出滩高程检查点，同时，在其他区域均匀布设数个高程检查点，与点云数据比对分析。点云数据精度是否满足江苏滩涂测量任务要求，是该技术设计可行性的前提。
③点云数据的粗差滤除与地形编辑。点云数据的粗差剔除和分类可以自动进行，后期进行人工编辑。人工编辑需参照影像的判读和解译信息，辨别地物、地貌，去除噪声。影像数据预处理主要是基于POS数据进行影像快速拼接，形成初级影像产品，支持点云数据处理。江苏滩涂地物类型较少，但是，干出滩上水道、潮沟、水洼等分布密集、结构复杂，使点云数据的分类和编辑工作量增大。
④空中三角测量。与传统航测方法空三加密不同，LiDAR航测是以点云数据生成的数字地面模型为参考，通过POS系统直接进行全自动空三加密，数据处理过程不需要外业控制点，只需要计算公共加密点的较差，对基本定向点的精度进行分析和评价即可[6]。
⑤DEM、DOM、DLG产品制作。在对点云数据进行分类、编辑后，自动构建三角网，一般按5m间距构建数字高程模型(DEM)，并自动勾绘等高线。在DEM支持下，对数字影像进行镶嵌、匀色、整饰等处理，输出正射影像产品(DOM)。在立体模式或单片上进行地物要素采集，并结合外业调绘，补充、更新地物信息，制作DLG产品[7]。
⑥数据拼接与精度分析。将水深测量数据与DEM数据进行拼接，需要格式转换、基准转换、数据抽稀、对接比对分析等。制作沿岸测量图版成果，支撑江苏滩涂地形测量任务。
3技术设计可行性
江苏滩涂机载LiDAR测量数据应用的可行性主要体现在三个方面：一是机载LiDAR测量的技术能力；二是数据源保证及其质量；三是与现行海洋测绘业务体系的对接。通过前面的分析，从权威性、规范性和测量指标等多方面论证了机载LiDAR测量技术能够达到海洋测绘应用要求。
航测数据获取占机载LiDAR测量工作量的60%～80%，是一项庞大和复杂的工作，幸运的是江苏省测绘部门2014年已经获取了完整的测区外业航测数据，经精度检测，高程中误差分别优于0.15m，奠定了江苏滩涂机载LiDAR测量技术应用的数据基础。但是由于时间过去了两年，而且应用目的和要求略有不同，所以进行精度检测分析是必要的。对精度检测工作，作业单位有坚实的基础、经验和能力。机载LiDAR数据精度是江苏滩涂测量应用的关键问题。
海洋测绘生产体系是一个专业的、规范的、完整的、业务化运行的体系，引入机载LiDAR测量数据仅仅是为了解决干出滩测量难题，其成果如何与水深测量、海岸地形测量和部分干出滩常规测量成果的对接是一个现实的问题。需要考虑数据格式、数学基础(坐标系、投影、高程基准、比例尺等)、成果形式等统一问题。机载LiDAR测量技术是地形测绘的成熟技术，生成标准测绘产品，其格式和数学基础与海洋测绘沿岸测量成果一致。海洋测绘已将标准测绘产品纳入海图编绘业务化生产体系，建立了完备的数据融合方法和标准，机载LiDAR测量成果的转化与应用不存在技术问题，只是数据处理的平台工具需要重构。
江苏滩涂机载LiDAR测量技术应用是可行的，除了干出滩以外，机载LiDAR数据还可用于海岸线、航行方位物等海岸地形测绘，提高海洋测绘技术水平。
四、结束语
由于江苏滩涂水浅、滩阔、浪大、流急、沙洲多，采用常规测量方法难度很大。特别是干出滩地带，人工实地测量条件艰苦，船载声纳测量依然困难重重，引入新的测量手段势在必行。机载LiDAR测量技术符合海道测量规范要求，技术成熟，应用广泛，逐步成为测绘领域的主要方法。针对江苏滩涂测量，通过机载LiDAR测量数据分析得出如下结论和建议。
①机载LiDAR技术测量精度高，解决了滩涂高程测量难题，满足海洋测绘应用要求，具有广阔应用前景。
②尽管机载LiDAR测量精度高，但是江苏滩涂变化急剧的特点，导致2014年获取的机载LiDAR测量数据实效降低，可能无法应用于后续开展的江苏滩涂测量任务。
③滩涂测量不要求点云数据的密度，但对滩涂上特征点、地貌和地物的测量要求较高，所以，可以通过降低点云密度，来提高测量精度和作业效率，而借助遥感影像提取微地貌信息。
④针对滩涂水陆交互的特点，海陆一体化激光测量技术更具针对性和发展前景。
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【作者简介】第一作者滕惠忠，1963出生，男，吉林长春人，高级工程师，硕士，主要从事海洋测绘遥感技术应用与研究；本文来自《海洋测绘》（2018年第2期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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