基于lidar數(shù)據(jù)的航線提取方法綜述

海岸是海洋和陸地之間的邊界，也是地球地圖上最重要的地形要素之一。國際地理信息委員會(huì)（igsd）確定了27個(gè)最重要的地表特征之一。如何全面、快速、準(zhǔn)確地測繪海岸線的位置及監(jiān)測其動(dòng)態(tài)變化,對于海岸帶的科學(xué)管理和持續(xù)利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,也是實(shí)現(xiàn)海洋可持續(xù)發(fā)展的有效方法之一。海岸線包括大陸海岸線和島嶼海岸線,在我國,兩者總長達(dá)32000多千米,且海岸類型多種多樣。如果采用傳統(tǒng)的岸線測量方法,測量周期長,且需耗費(fèi)大量的人力物力,不同的測量工作人員由于各自的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的不同,測量的岸線也存在著差異。遙感影像提取海岸線的方法,能夠快速、大范圍、高效率地提取岸線,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量方法的缺點(diǎn)。但是由于受到影像分辨率和成像時(shí)間的限制,大多數(shù)學(xué)者從影像中提取到的是成像時(shí)刻的水邊線,而非嚴(yán)格意義上的海岸線。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的LiDAR技術(shù)能直接、快速、高精度、高密度地獲取地面三維信息,不受時(shí)間、空間限制,彌補(bǔ)了遙感影像不足,且LiDAR的一個(gè)重要應(yīng)用特點(diǎn)是能夠在一些使用傳統(tǒng)測量方法比較困難甚至危險(xiǎn)的地區(qū)進(jìn)行作業(yè),如海岸帶、島礁等。隨著高精度LiDAR在海岸測量中的應(yīng)用,利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取海岸線的技術(shù)在國外特別是美國發(fā)展迅速,而在國內(nèi)則處于起步階段。1海岸海岸為實(shí)驗(yàn)線見圖1海岸線是海洋與陸地的分界線。廣義上,瞬時(shí)水位線是海洋與陸地的直觀分界,因此可認(rèn)為是海岸線。目前,海岸線的確定與變化趨勢研究仍大多基于海洋調(diào)查目的,旨在查明海岸的基本狀況,普遍將瞬時(shí)水位線等同于海岸線。特別是利用遙感影像動(dòng)態(tài)監(jiān)測海岸線的變化時(shí),通常會(huì)將成像時(shí)刻的水邊線(或痕跡線)代替為海岸線。狹義上,海陸分界線是資源屬性(土地或海洋)與法律管轄權(quán)的分割線,同時(shí)海島岸線是海島形狀描繪與面積量算的依據(jù)。此時(shí),海岸線的空間位置應(yīng)與時(shí)間基本無關(guān),且通常定義為某種特征潮位面。《海道測量規(guī)范》(GB12327-1998)、《中國海圖圖式》(GB12319-1998)和《地形圖圖式》(GB/T7929-1995)等國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,海岸線是指平均大潮高潮的痕跡所形成的水陸分界線。國家與地方法律以及相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都采用相似的定義。但實(shí)際上,海岸線的定義并不明確,具體體現(xiàn)為實(shí)地測量時(shí)是測量痕跡線還是截取平均大潮高潮線。目前未見關(guān)于平均大潮高潮面與痕跡岸線的吻合度以及統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法的系統(tǒng)研究,包括潮汐類型、時(shí)間跨度(歷元)等問題的研究。這造成在相同海岸線的定義下,因施測人員對定義的理解差異、測量時(shí)間不同而導(dǎo)致標(biāo)繪的海岸線間存在較大差異。這不符合測繪對地形要素幾何和物理意義準(zhǔn)確、唯一表示的要求。2測跡痕跡線的確定長期以來,測繪海岸線通常采用實(shí)地測量法,這也是最原始的常規(guī)海岸線測量方法,即采用光學(xué)測量儀器(經(jīng)緯儀、全站儀等)在高潮潮位線附近每隔一定距離采集海岸線特征點(diǎn),標(biāo)劃在數(shù)字地形圖上并連接成線得到海岸線。隨著GPS定位測量技術(shù)的發(fā)展,雖然能夠全天候、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)進(jìn)行,但仍需人工攜帶GPS移動(dòng)站到現(xiàn)場定位。由于在進(jìn)行實(shí)際測繪時(shí)無法測量平均大潮高潮線,因此《海岸帶地形圖測繪規(guī)范》(CHB3.3-01)中規(guī)定“海岸線以平均大潮高潮時(shí)所形成的實(shí)際痕跡進(jìn)行測繪”,即以測量的痕跡線來代替海岸線。海岸的類型很多,包括(粉砂)淤泥質(zhì)海岸、沙(礫)質(zhì)海岸、基巖海岸、人工海岸和生物海岸五大類型。不同的海岸類型,其痕跡線的確定原則也不同。在不同類型的海岸上準(zhǔn)確測量海岸線并不容易,測繪人員較容易進(jìn)入實(shí)地測量的有部分(粉砂)淤泥質(zhì)海岸、沙(礫)質(zhì)海岸和人工海岸;對于其他海岸類型,測繪人員難以到達(dá)或需要采取特殊措施才能到達(dá),特別是當(dāng)進(jìn)行巖石陡岸測量時(shí),有時(shí)需要測繪工作人員爬上懸崖采集特征點(diǎn),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,也存在著極大的危險(xiǎn)性。痕跡岸線在許多海岸并不明顯、不連續(xù)、有一定寬度,難以辨認(rèn),隨海岸類型、走向的不同而存在差異,小范圍內(nèi)岸線高程不一致現(xiàn)象普遍存在。進(jìn)行測量時(shí)受人為影響較大,不同測量人員對于相同岸段的痕跡線位置的判斷有所不同。即便是同一人,在測量相同性質(zhì)的不同岸段時(shí)測取的痕跡線也會(huì)不同。該測量方法實(shí)地性強(qiáng),但效率低下,安全系數(shù)低,時(shí)效性差,獲取的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一。3岸線動(dòng)態(tài)變化的遙感方法遙感技術(shù)由于其多時(shí)相、多平臺(tái)的特征,且具有宏觀、快速、綜合、動(dòng)態(tài)和低成本等突出優(yōu)勢,已成為監(jiān)測海岸線動(dòng)態(tài)變化的重要方法,具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著遙感手段的發(fā)展,岸線確定及其變化已大多基于遙感技術(shù)。早期受限于遙感資料分辨率等的影響,基本都直接將瞬時(shí)水邊線作為海岸線,后來發(fā)展為將濕/干線(wet/dryline)、平均大潮面(MHW)、植物生長分界線等作為海岸線。3.1非光催化氧化法提取法水邊線提取的實(shí)質(zhì)是遙感影像邊緣的提取,可分為人工目視解譯與自動(dòng)解譯。目視解譯通過人機(jī)交互方式把水邊線描繪出來并保存成線性矢量圖層,方法簡單,但工作量大,精度受人為主觀因素的影響;自動(dòng)解譯提取方法快捷,計(jì)算過程可以多次重復(fù),方法較多。JooHyungRyu等根據(jù)TM4和TM5兩個(gè)波段對水體和陸地反射率的區(qū)別,選擇出合適的閾值,把單純的淤泥質(zhì)海岸與混濁的海水分開,但在海水比較混濁的近岸,該方法的誤差較大,他們同時(shí)指出水邊線的提取不僅受到波段組合的影響,還受到所處位置的坡度等的影響。AndreasNiedermeier等利用SAR影像,采用小波邊緣檢測等算法實(shí)現(xiàn)了對水邊線的提取。張朝陽等基于色差Canny和形態(tài)學(xué)色差從彩色遙感影像中提取海岸線,這種方法兼顧了梯度幅值計(jì)算中邊緣定位準(zhǔn)確和抑制噪聲的要求,充分利用了彩色信息,較好地實(shí)現(xiàn)了海岸線的半自動(dòng)提取。沈芳等采用了多時(shí)相陸地衛(wèi)星提取潮灘水邊線的方法,探討在不同潮情條件下,各光譜波段對淤泥質(zhì)潮灘水邊線判斷的敏感性,分析表明沙質(zhì)海岸與淤泥質(zhì)海岸水邊線的確定方法存在較大差異。由于海岸線的動(dòng)態(tài)性,又不同于常規(guī)的陸地要素(如道路)特征的提取。所以,也有學(xué)者結(jié)合地學(xué)知識(shí)采用不同的岸線提取方法,如張鷹等運(yùn)用地學(xué)分析方法對遙感信息提取的對象進(jìn)行專題分解,將實(shí)地調(diào)查的樣本信息與遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行提取,屬于人工分析與計(jì)算機(jī)處理相結(jié)合的半自動(dòng)方法。3.2潮位校正水邊線目前大多數(shù)研究提取的海岸線都是瞬時(shí)水邊線(成像時(shí)刻的水崖線),是一條動(dòng)態(tài)變化的邊界,并不是真正意義上的岸線。因此,部分學(xué)者在提取水邊線的基礎(chǔ)上,結(jié)合潮汐或生物生長分界等信息進(jìn)行修正,以期提取真正意義上的海岸線。嚴(yán)海兵等根據(jù)衛(wèi)星成像時(shí)刻的潮位高度、平均大潮高潮位的潮水高度以及海岸坡度等信息,計(jì)算出水邊線至高潮線的水平距離,由此來確定海岸線的位置。這種潮位校正水邊線的方法需要詳細(xì)的潮位觀測資料,且適于地形起伏小的海域。申家雙等利用水邊線信息,結(jié)合潮汐模型(或驗(yàn)潮數(shù)據(jù))推斷出水邊線的高程值,一系列不同潮位條件下獲得的遙感水邊線即可形成一系列已知高程信息的等高線,利用這些等高線和海圖的零米線通過空間插值進(jìn)而得到潮間帶DEM,最后根據(jù)潮汐模型計(jì)算當(dāng)?shù)仄骄蟪备叱泵娴母叱?以此為高程參考面與DEM橫切得到海岸線,但并未做相關(guān)計(jì)算來進(jìn)行驗(yàn)證。張祥國等認(rèn)為通過間接地物更容易確認(rèn)淤泥質(zhì)海岸線,白茅草、鹽蒿等耐鹽堿植物一般稀疏分布在高潮位以上,可視其邊界為海岸線。該方法在精度要求不高的情況下,可作海岸線計(jì)算,但不宜做定量分析。3.3遙感資料提取的海岸帶地區(qū)缺乏遙感影像作為傳統(tǒng)的海岸線測量方法之一的航空攝影測量法同樣需要在野外采集海岸線特征點(diǎn),這些特征點(diǎn)的采集工作與實(shí)地測量法的工作量同樣繁重且效率低下、危險(xiǎn)系數(shù)高,并且要求影像清晰,當(dāng)影像缺乏明顯高潮潮位線特征時(shí),往往難以進(jìn)行判讀。目前,利用遙感影像進(jìn)行海岸線的確定與變化趨勢研究仍大多基于海洋調(diào)查目的,且因遙感資料成像時(shí)間、分辨率的限制,一般提取的是瞬時(shí)水邊線(成像時(shí)刻的水涯線),并非海岸線(平均大潮高潮線),或者利用灘涂上沙礫的堆積或植物的分布情況進(jìn)行人為的修正。這種對于海岸線的提取旨在對海岸線進(jìn)行資源調(diào)查,即查明海岸的基本情況,而不是擁有明確精度指標(biāo)的地理信息表示。并且提取的水邊線精度受到遙感資料分辨率、成像時(shí)間的限制。一方面,我國海岸帶地區(qū)缺少遙感影像,尤其是高分辨遙感影像(如IK-NOS衛(wèi)星的遙感資料地面分辨率為4m,最高可達(dá)1m;QuickBird數(shù)據(jù)的地面分辨率為2.44m,最高可達(dá)0.61m);另一方面,受到可見光遙感本身的限制,遙感成像時(shí)需要無云遮擋,即資料獲取時(shí)受到一定的天氣條件限制。當(dāng)然,也可選用微波遙感傳感器如合成孔徑雷達(dá)(SAR)影像,其不受天氣限制,但成本較高。4采用ladar技術(shù)提取海岸法LiDAR技術(shù)可基于航空平臺(tái),獲取海岸帶的高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù),具有速度快、精度高的特點(diǎn),成為海岸線提取的新技術(shù)。4.1基于lidar數(shù)據(jù)的方法在國外,LiDAR測量已經(jīng)應(yīng)用于大比例尺的海灘地形(Stockdon等)、海岸帶的人為影響(Thornton等)、海崖破壞(Sallenger等)以及颶風(fēng)引起的海岸變化(Sallenger等)。LiDAR數(shù)據(jù)能夠生成基于潮汐基準(zhǔn)的垂直參考岸線(Allan等;Moore等;Parker;Robertson等;Stockdon等)。Limber等通過數(shù)據(jù)和觀察對平均高潮面和濕/干線進(jìn)行對比,并且評(píng)估了從LiDAR數(shù)據(jù)中提取平均高潮面的兩種常用方法:一種方法是基于線性的離散原始LiDAR高程值來得到MHW(Stockdon等;Weber等);另一種方法是基于從垂直校正的LiDAR數(shù)字高程模型(DEM或者格網(wǎng))中提取等值線(Hess等;Parker等)。兩者的不同主要體現(xiàn)在從LiDAR數(shù)據(jù)中提取MHW的方法不同,即基于剖面方法和基于VDatum方法。得出的結(jié)論是:后一種方法比前一種方法得出的海岸線更靠岸近些,原因主要是MHW高程和定義的差異,以及處理LiDAR數(shù)據(jù)方法而產(chǎn)生的偏差。Smith等利用北卡羅萊納州部分海岸的LiDAR數(shù)據(jù)與VDatum方法提取了岸線。VDatum中的MHW高程是沿岸連續(xù)變化的,所以海岸線上兩段相近的岸線可能有不同的MHW值。由于VDatum中的DEM分辨率為1m或更高,岸線可以勾畫出許多小規(guī)模的地形特征,例如起伏的海灘嘴和十字水道。這種連續(xù)的地形經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生有噪音的岸線,必須人工平滑。依賴于該應(yīng)用過程,通過內(nèi)插或光滑原始LiDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)集來生成DEM的做法潛在地增加了其不確定性。Stockdon等不使用DEM,而使用原始的LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。淺灘的LiDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)密度足夠形成線性回歸,所以可以精確地定位MHW。另外,可以簡單地將置信區(qū)間應(yīng)用到MHW,用于解決回歸的不確定性,也可以從回歸線趨勢來近似出海灘傾斜角度。相對于VDatum,MHW的高程不是連續(xù)變化的,并且大面積的海岸線保持不變。如果計(jì)算機(jī)能夠處理這樣繁重的原始LiDAR數(shù)據(jù)庫(該數(shù)據(jù)庫包括了上千萬的高程點(diǎn)),從“真實(shí)”的角度,原始數(shù)據(jù)對于DEM就更具有優(yōu)越性,同時(shí)對比于內(nèi)插,高程值就可用來定位MHW。理論上,由海岸線(某個(gè)定義潮位面)的高程、高精度LiDAR數(shù)據(jù)生成的DEM就可以確定海岸線的平面位置,即提取出海岸線。具體可采用交叉海岸剖面法CSP(Cross-ShoreProfileMethod)或等值線法(ContouringMethod)。交叉海岸剖面法需花費(fèi)較長的時(shí)間,等值線法簡單易操作,許多數(shù)據(jù)處理軟件中都有生成等值線的功能,某個(gè)定義潮位面高程所在的等值線即為海岸線。但實(shí)際確定的海岸線存在一定的問題:岸線的平面位置抖動(dòng)較大,空間位置不連續(xù),存在零碎的線段。造成這種情況的原因很多:靠近水線的LiDAR測量受到了波浪和潮汐的影響,淺灘的藻類海草沉積過厚,沙丘和濱后階地脊部地形的精確分類,LiDAR信號(hào)的噪聲,以及濕地、海峽和洪水洼地的數(shù)據(jù)空缺等。因此,通常需要對提取的岸線進(jìn)行人工識(shí)別、編輯與調(diào)整以確定最終空間位置連續(xù)、平滑的海岸線。針對上述情況,HongxingLiu等提出一種方法來自動(dòng)識(shí)別和修正錯(cuò)誤岸線段,從而生成一條可靠的海岸線。在Texas灣海岸獲得了較好的效果。4.2基于lidar的海島地形測量技術(shù)國內(nèi)對LiDAR點(diǎn)云處理技術(shù)的研究起步較晚,大都集中在如何利用LiDAR數(shù)據(jù)提取樹木、建筑物、橋梁、車輛、三維城市建模,以及道路等陸地地物,而在海岸帶測量方面的應(yīng)用研究卻鮮有。史照良等運(yùn)用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行沿海灘涂、海島礁測繪,開創(chuàng)了我國沿海灘涂、海島礁高精度測圖技術(shù)的新途徑。于慶國等使用ALS50海島(礁)測繪生產(chǎn)技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到應(yīng)用的全數(shù)字化過程,彌補(bǔ)了我國在島(礁)測繪方面的技術(shù)、裝備和生產(chǎn)條件儲(chǔ)備的不足。樓燕敏等介紹了機(jī)載LiDAR技術(shù)在浙江省灘涂海岸地形測量項(xiàng)目中的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用情況,并就航飛潮位選擇、數(shù)據(jù)精度控制和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了簡單介紹。這些研究是從LiDAR作業(yè)和應(yīng)用的角度出發(fā),并未對后期的從三維數(shù)據(jù)中提取海岸線技術(shù)作進(jìn)一步的更深層次的探究。4.3基于lidar的相關(guān)測量算法LiDAR數(shù)據(jù)是高密度、高精度的三維數(shù)據(jù),理論上通過其提取的海岸線精度高,符合岸線提取要求,但其精度驗(yàn)證困難,絕大多數(shù)是通過與部分地區(qū)實(shí)地測量的結(jié)果相比較,或是同原圖像進(jìn)行疊加比較。利用LiDAR測量海岸帶及海岸線的相關(guān)方法與技術(shù)在國外研究較早,并得到了大量應(yīng)用,特別是在美國,對海岸線的定義與算法很明確。該技術(shù)已逐漸成熟,并且具有VDatum軟件的支持,但是該軟件并未覆蓋整個(gè)北卡羅來納州,因此具有一定的局限性。目前,國內(nèi)對Li