一種基巖海島岸線自動(dòng)提取新方法

1、一種基巖海（島）岸線自動(dòng)提取新方法沈蔚13，王家為1，朱瑞芳1，朱衛(wèi)東1，欒奎峰1，楊龍2（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海，201306；2.國家海洋局第一海洋研究所，青島，266061；3.海島（礁）測(cè)繪技術(shù)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島，266510）1引言海岸線是海陸分界線，在我國指多年平均大潮高潮位時(shí)海陸分界的痕跡線。海岸線是劃分海洋與陸地行政管理區(qū)域的基準(zhǔn)線，是確定領(lǐng)海內(nèi)水和陸地的分界線，是區(qū)分海洋深度基準(zhǔn)和陸地高程基

2、準(zhǔn)的分界線。由于自然和人為因素的影響，海（島）岸線的位置和屬性會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，快速準(zhǔn)確的測(cè)定海岸線位置和屬性的動(dòng)態(tài)變化是人們研究海陸相互作用、河勢(shì)沖淤、沿海圍墾、港口開發(fā)、城鎮(zhèn)擴(kuò)建等必須進(jìn)行的一項(xiàng)技術(shù)活動(dòng)，也是海域管理、地形圖測(cè)繪、海道測(cè)量、海岸帶與海島調(diào)查等工作的重要內(nèi)容[1]。當(dāng)前常用的海（島）岸線提取方法可分為實(shí)地測(cè)量和遙感獲取兩種。實(shí)地測(cè)量方式受到海岸自然條件的限制，往往無法開展，同時(shí)其效率低、周期長，難以快速反映海岸線的動(dòng)態(tài)變

3、化。利用遙感技術(shù)獲取海島岸線則不受地表、海況、環(huán)境等條件限制，其數(shù)據(jù)源主要有：傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星影像和部分航空影像數(shù)據(jù)、SAR數(shù)據(jù)、LiDAR數(shù)據(jù)以及視頻成像等，目前利用光學(xué)遙感影像進(jìn)行海岸線的提取應(yīng)用研究較多。在光學(xué)影像數(shù)據(jù)和的提取應(yīng)用研究較多。在光學(xué)影像數(shù)據(jù)和SAR數(shù)據(jù)解譯中，除人工解譯外，主要利用圖像的邊緣檢測(cè)技術(shù)或者對(duì)圖像進(jìn)行紋理分析將海岸線作為邊緣檢測(cè)出來[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)解譯技術(shù)的水平也不斷提高，各種新的算法不

4、斷出現(xiàn)，岸線提取精度也不斷提高，此外部分學(xué)者顧及潮位、坡度與季節(jié)等一些因素的影響，提出新的方法，近一步提高了岸線提取的精度。機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR，LightDetectionRanging），利用飛機(jī)為觀測(cè)平臺(tái)，能夠快速獲取地球表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，近年日益成熟并廣泛應(yīng)用在數(shù)字地球、數(shù)字城市、海洋、災(zāi)害、林業(yè)、電力、交通等領(lǐng)域。機(jī)載LiDAR具有采集速度快、高程精度高、外業(yè)實(shí)施和內(nèi)業(yè)處理成本低的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于人工無法測(cè)量的海島、礁石

5、、懸崖、灘涂、海冰等目標(biāo)的三維測(cè)量?；贚iDAR數(shù)據(jù)提取海（島）岸線，目前大致有三種思路：（1）首先由LiDAR基金項(xiàng)目:上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目（12ZZ159）、中科院空間光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目、海島（礁）測(cè)繪技術(shù)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目。第一作者簡介:沈蔚（1977），男，江蘇鹽城人，博士，副教授，研究方向：海洋測(cè)繪、遙感、虛擬仿真。Email:wshen@shou.通訊作者簡介：楊龍（1979），男，內(nèi)

6、蒙古鄂溫克族自治旗人，高級(jí)工程師，從事船載三維激光測(cè)量、水下導(dǎo)航定位等工作，Email:yanglong@fio.研究亮點(diǎn)研究亮點(diǎn)：本文首次將AlphaShapes模型算法用于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)提取海島岸線，為快速提取海（島）岸線提供了一種高效可靠的新方法。關(guān)鍵字關(guān)鍵字：LiDAR；AlphaShapes；海（島）岸線；機(jī)載激光雷達(dá)；提取算法中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：TP701文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A摘要摘要：利用遙感手段快速準(zhǔn)確的

7、提取海岸線，是目前海洋科學(xué)研究、地形圖測(cè)繪、海道測(cè)量、海岸帶與海島調(diào)查等工作的重要內(nèi)容。本文以海（島）岸線為研究對(duì)象，在對(duì)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式、處理流程進(jìn)行了分析后，基于平均大潮高潮面和激光反射強(qiáng)度，利用TerraSolid軟件過濾LAS格式的LiDAR數(shù)據(jù)，初步獲得海島點(diǎn)云，隨后引入AlphaShapes模型算法自動(dòng)提取海島岸線并同步實(shí)現(xiàn)了噪音點(diǎn)的剔除。經(jīng)與高分辨率衛(wèi)星影像疊加對(duì)比分析，本文方法自動(dòng)提取的海島岸線平面精度較

8、高，且具有良好的自適應(yīng)性、速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，非常適合基巖海（島）岸線提取與繪制。3（Terran）、FMEPro、ERDAS、PCI等。2.2LiDAR數(shù)據(jù)處理TerraSolid系列軟件是當(dāng)前主流的LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件，它基于Microstation環(huán)境開發(fā)運(yùn)行，包括：TerraMatch、Terran、TerraModeler、TerraPhoto、TerraSurvey、TerraPipe、TerraSlave等模塊，可對(duì)

9、Lidar數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、管理、編輯、分析和共享，廣泛地用于Lidar數(shù)據(jù)的后處理和各行業(yè)應(yīng)用。本文利用Terrasolid中的Terran、Terramatch模塊對(duì)某海島LAS格式的機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了航帶拼接、裁剪、異常點(diǎn)剔除、海島點(diǎn)云提取等工作，利用其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。原始的LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)（分層設(shè)色）如圖2所示，圖3為其反射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。以平均大潮高潮面（該島常年觀測(cè)值為2.5米）作為高程閾值，以確保海島能通過的反射強(qiáng)度（初

10、步判斷后設(shè)置為40）作為強(qiáng)度閾值，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。在保留全部海島數(shù)據(jù)的前提下，以上步驟共計(jì)剔除約占原數(shù)據(jù)96.1%的非海島數(shù)據(jù)，極大地方便了后續(xù)岸線提取工作。載入Tscan、Tmatch模塊設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)載入飛行軌跡加載Lidar點(diǎn)云創(chuàng)建工作區(qū)（Blocks）創(chuàng)建工程（project）激光點(diǎn)加載到工程裁剪航線航線覆蓋范圍測(cè)區(qū)范圍推導(dǎo)航線數(shù)按航帶分類地面點(diǎn)計(jì)算檢校值計(jì)算測(cè)滾、俯仰、航向誤差將結(jié)果應(yīng)用到工程檢校值0.1m航帶重疊區(qū)裁剪