基于机载LiDAR与潮汐推算的海岸带自然岸线遥感提取方法研究_倪绍起

本文基于机载 ＬｉＤＡＲ 数据与潮汐推算的海岸线 提取方法主要 包 括 ４ 个 技 术 环 节：１）ＤＥＭ 制 作：基 于机载 ＬｉＤＡＲ 系统 获 取 的 高 精 度 点 云 数 据，经 过 滤 波处理和内插计算，生成高精度的 ＤＥＭ；２）航空影像 正射校正：应用生成的 ＤＥＭ 和地面控制点对 ＬｉＤＡＲ 系统同步拍 摄 的 航 空 遥 感 影 像 进 行 正 射 校 正；３）岸 线推算：通过建立高程转换模型从而推算指定 高 程系 统下研究区域的多年平均大潮高潮线 ＭＨＷＬ（Ｍｅａｎ Ｈｉｇｈ Ｗａｔｅｒ Ｌｉｎｅ，为 近 １９．８ａ连 续 观 测 的 大 潮 潮 高 的平均值）所对 应 的 潮 汐 高 度 面，最 终 利 用 其 对 研 究 区域 ＤＥＭ 进 行 切 割，所 得 到 的 交 线 （或 称 为 潮 汐 等 高线 ）即 为 所 要 提 取 的 海 岸 线；４）精 度 验 证：通 过 与 “９０８专项”航空遥 感 调 查 岸 线 比 对，计 算 推 算 岸 线 的 均方根误差 ＲＭＳＥ，评价推算岸线的精度。具体技术 流 程 见 图 ２。 ２．１ ＤＥＭ 制作
倪 绍 起１，２，４，张 杰３，马 毅３，任 广 波３
（１．中国科学院 烟台海岸带研究所 ，山东 烟台 ２６４００３；２．中国科学院大学 ，北京 １０００４９； ３．国家海洋局 第一海洋研究所 ，山东 青岛 ２６６０６１；４．中国海监 北海航空支队 ，山东 青岛 ２６６０３３）
摘 要：海岸线对于海岸带保护与 管 理 具 有 重 要 意 义。 海 岸 线 现 场 测 绘 施 测 周 期 长 且 在 地 形 复 杂 的 区域施测难度大，基于遥感影像的海岸线判绘对解译人员的要求高，难以获取严格意义的海岸线。 针 对上述问题，本文提出一种基于机载 ＬｉＤＡＲ 与潮汐推算的自然岸线遥感 提 取 方 法：基 于 机 载 ＬｉＤＡＲ 系统获取的航空正射影像解译瞬时水边线，应用 ＬｉＤＡＲ 系统 提 取 的 ＤＥＭ 和 建 立 的 高 程 系 统 转 换 模 型，通过潮汐数据推算研究区域的海岸线。通过与“９０８ 专 项”航 空 遥 感 调 查 岸 线 结 果 比 对，按 本 文 方 法所提取的３种自然岸 线 （砂 质 岸 线、基 岩 岸 线 和 淤 泥 质 岸 线 ）的 均 方 根 误 差 分 别 为 １．６６，５．２３ 和 ３２．４８ｍ。 结果表明，该方法可用于砂质岸线和基岩岸线的提取，且具有无需开展现场测量工作的优 势 ，可 提 高 海 岸 线 提 取 的 效 率 。 关 键 词 ：海 岸 线 提 取 ；ＬｉＤＡＲ；遥 感 中 图 分 类 号 ：Ｐ７３７．１２，ＴＰ７５３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
＜２５ｃｍ ＠ １ ５００ｍ
注：＊ ＠代表飞行高度
表 ２ ＤＳＳ数 码 影 像 技 术 指 标Βιβλιοθήκη BaiduＴａｂ．２ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＤＳＳ ｉｍａｇｅ
参数
指标
数据影像记录
ＲＧＢ 真彩色，１２ｂｉｔ
像素数量
１２ Ｍ 像素
地面分辨率
０．８ ｍ
２ 方 法
图 １ 研 究 区 位 置 示 意 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ
表１ 机载 ＬｉＤＡＲ 数据指标 Ｔａｂ．１ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｄａｔａ
参数
指标
激光波长
１ ０６４ｎｍ
扫描角
±７５°，可 从 ０°起 调 节
扫描频率
可变，最大可达７０ Ｈｚ
水平精度 高程精度
＜ （飞 行 高 度 ）／２ ０００ ＜１０ｃｍ ＠＊ ７５０ｍ；＜１５ｃｍ ＠ １ ０００ｍ；
表３ ＤＥＭ 现场验证点 Ｔａｂ．３ Ｃｈｅｃｋ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ＤＥＭ
验证点号
倪绍起 等：基于机载 ＬｉＤＡＲ 与潮汐推算的海岸带自然岸线遥感提取方法研究
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图２ 基于机载 ＬｉＤＡＲ 数据与潮汐推算的海岸线提取流程图 Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｃｏａｓｔｌｉｎｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｉｄａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ
机载 ＬｉＤＡＲ 获 取 的 原 始 数 据 通 过 ＭｉｃｒｏＳｔａ－ ｔｉｏｎＴＭ 软 件 滤 波，剔 除 误 差 较 大 的 数 据，生 成 点 云 文 件；继续 对 点 云 文 件 进 行 三 角 网 内 插，获 取 研 究 区 ＤＥＭ（图 ３），格 网 大 小 为 ２ ｍ×２ ｍ，坐 标 系 统 为 ＷＧＳ８４，高程为 以 ＷＧＳ８４ 椭 球 面 为 基 准 的 大 地 高。 经现场实测点验证，ＤＥＭ 的 空 间 分 辨 率 为 ２ ｍ，高 程 中 误 差 优 于 ０．３ ｍ（表 ３）。
１ 研 究 区 域 与 数 据
１．１ 研 究 区 本文选取山东省东营市飞雁滩与烟台市芝罘岛
海岸带作为研究区，研究区范围如图 １ 所示。 芝罘岛 海 岸 带 以 基 岩 海 岸 和 砂 质 海 岸 交 错 分 布 为 特 点 ，潮 间 带 较 窄 ，海 岸 多 陡 崖 ，地 形 起 伏 较 大 ；飞 雁 滩 海 岸 带 则 被大面 积 的 淤 泥 质 岸 滩 所 覆 盖，岸 滩 坡 度 极 缓，在 １／１ ０００左右 。 ［２０］ 以上 ２ 个 研 究 区 均 不 易 进 入 测 量， 海 岸 线 遥 感 解 译 标 志 难 以 确 定 ，给 海 岸 线 提 取 带 来 较 大困难，适合开 展 基 于 机 载 ＬｉＤＡＲ 数 据 与 潮 汐 推 算 的海岸线遥感提取研究工作。
图３ 研究区 ＤＥＭ Ｆｉｇ．３ ＤＥＭ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ
ａ— 飞 雁 滩 ；ｂ— 芝 罘 岛 ａ—Ｆｅｉｙａｎｔａｎ；ｂ—Ｚｈｉｆｕ Ｉｓｌａｎｄ
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海 洋 学 研 究
３１ 卷 ３ 期
２．２ 航 空 影 像 正 射 校 正 与 ＬｉＤＡＲ 数据同步获取的航空遥感影像空间分
辨率为０．８ｍ，使 用 ２．１ 节 中 生 成 的 ＤＥＭ 结 合 地 面 实 测 控 制 点 对 影 像 进 行 正 射 校 正 ，校 正 后 水 平 定 位 中 误差为０．８ｍ，正射校 正 后 的 航 空 影 像 （图 ４）主 要 用 于瞬时水边线的目视解译。 ２．３ 岸 线 推 算
本研究中用到的潮汐数据由精准潮汐模型推算获 得，高程采用 １９８５ 国 家 高 程 基 准，需 要 建 立 高 程 转 换 模型，使其与 ＤＥＭ 的高程系统（ＷＧＳ８４ 大 地 高）相 匹 配。目前与海岸带测绘相关的高程 模 型 转 换 工 作，普 遍采取的办法是现场测量，从而找寻局地 ２ 个 高 程 系 统之间的转换关系（小范围内一般默认为线性关系）。
第 ３１ 卷 第 ３ 期 ２ ０ １ ３ 年 ９ 月
海 洋 学 研 究
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＡＲＩＮＥ ＳＣＩＥＮＣＥＳ
文 章 编 号 ：１００１－９０９Ｘ（２０１３）０３－００５５－０７
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔ．，２ ０ １ ３
基于机载 ＬｉＤＡＲ 与潮汐推算的海岸带 自然岸线遥感提取方法研究
收 稿 日 期 ：２０１３－０４－０１ 修 回 日 期 ：２０１３－０５－２４ 基 金 项 目 ：我 国 近 海 海 洋 综 合 调 查 与 评 价 专 项 项 目 资 助 （９０８－０１－ＷＹ０２，９０８－０１－ＨＹ）；中 欧 合 作 “龙 计 划 ”三 期 项 目 资 助 （１０４７０） 作 者 简 介 ：倪 绍 起 （１９８３－ ），男 ，山 东 青 岛 市 人 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 海 岸 带 遥 感 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｑｎｉ＠１６３．ｃｏｍ
０ 引 言
海岸线对于海岸带保护与管理具有重要意义。 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 《海 洋 学 术 语 ：海 洋 地 质 学 》 （ＧＢ／Ｔ １８１９０—２０００）对 海 岸 线 的 定 义 为：海 岸 线 是 海 陆 分 界 线 ，在 我 国 系 指 多 年 大 潮 高 潮 位 时 的 海 陆 界 线 。 ［１］ 夏东兴 等 指 ［２］ 出 海 岸 线 的 真 正 内 涵 是 划 分 喜 盐生物与淡水环境生物的界线。但这条生物生存环 境 界 线 往 往 难 以 确 定 ，而 海 岸 带 区 域 的 管 理 与 开 发 利 用又需要有一条明确的海陆界线。传统的海岸线测 绘方法主要依赖现场测 绘 。 ［３］ 然 而，海 岸 线 现 场 测 绘 施 测 周 期 长 ，而 且 基 岩 海 岸 和 淤 泥 质 海 岸 由 于 地 形 复 杂 ，海 岸 线 现 场 测 绘 比 较 困 难 。
１．２ 数 据 本文使用了覆盖烟台芝罘岛和东营市飞雁滩区
域的 机 载 ＬｉＤＡＲ 数 据 ，该 数 据 由 中 国 海 监 北 海 航 空 支 队 的 机 载 激 光 雷 达 获 取 ，获 取 时 刻 分 别 为 北 京 时 间 ２００６ 年 ８ 月 ２０ 日 １７∶２３∶３５（航 飞 高 度 为 ２ ４００ ｍ）和 ２００９ 年 ５ 月 ２４ 日 １２∶４５∶１７（航 飞 高 度为 ３ １００ ｍ）。 获 取 时 刻 均 非 当 日 高 潮 时 ，同 时 获 取 的 还 包 括 航 空 ＤＳＳ 数 码 相 机 获 取 的 高 分 辨 率 航 空 影 像 数 据（机 载 ＬｉＤＡＲ 数 据 与 航 空 ＤＳＳ数 码 影 像 指 标 分 别 见 表 １ 和 表 ２）。 本 文 中 所 用 到 的 潮 汐 数 据由海洋 预 报 业务部 门的精 准潮汐模型推算而 得 ，潮 汐 预 报 精 度 为 ３０ｃｍ，高 程 系 统 采 用 １９８５ 国 家高程基准。
卫星遥感与 航 空 遥 感 由 于 不 受 现 场 地 形 限 制 ， 被广泛用于海岸带制图与海岸线遥感提取。基于遥 感 影 像 的 海 岸 线 提 取 方 法 主 要 有 人 工 解 译 和 ［４］ 自 动
提 取 两 ［５－１２］ 种 。 人 工 目 视 解 译 的 关 键 在 于 建 立 不 同 类 型 海 岸 线 的 解 译 标 志［１３］，但 这 带 有 一 定 的 主 观 性 ，尤 其 在 海 岸 较 为 平 缓 或 十 分 陡 峭 的 影 像 上 因 海 岸 线 解 译 标 志 不 明 显 ，容 易 引 入 较 大 的 人 工 解 译 误 差。自动提取方法中提取的岸线多为瞬时水边线， 对于严格意义的海岸线的提取目前仍较为困难。机 载 ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）可 生 成 海 岸 ＤＥＭ，具 有 空 间 分 辨 率 高 和 定 位 精 确 等 优 点 ，且 数 据 获 取 受 时 间 窗 口 制 约 小 ，理 论 上 只 要 在 海 岸 线 被 大潮淹没的时间段之外获取的数据均可用于海岸线 的提 取 ，因 此 在 海 岸 线 测 绘 方 面 具 有 独 特 的 优 势 ，近 年 来 已 被 国 外 学 者 用 于 海 岸 线 的 遥 感 提 取 。 ［１４－１７］ 中 国 海 监 于 ２００５ 年 引 进 机 载 ＬｉＤＡＲ 系 统 ，开 展 海 岸 带 的 航 空 遥 感 调 查 ，海 岸 线 提 取 主 要 应 用 人 机 交 互 判 绘 ，工 作 量 大 且 周 期 长 。 国 内 其 他 基 于 机 载 Ｌｉ－ ＤＡＲ 数 据 的 海 岸 线 提 取 工 作 也 还 处 于 探 索 阶
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海 洋 学 研 究
３１ 卷 ３ 期
段 ，而 ［１８－１９］ 且 均 未 明 确 给 出 海 岸 线 与 潮 汐 数 据 之 间 的关系。
本研究拟针对使用传统岸线自动提取方法较困 难 的 基 岩 海 岸 、砂 质 海 岸 和 淤 泥 质 海 岸 等 自 然 海 岸 类 型，基于机载 ＬｉＤＡＲ 数 据 与 潮 汐 推 算 开 展 海 岸 线 遥 感提取方法研究，评 价 海 岸 线 提 取 结 果 精 度，并 分 析 可能对结果精度产生影响的因素。