海测论坛▏LiDAR技术用于我国海岸线测量的优势对比分析
一、引言
我国海岸线总长35800多千米(含港澳台)，其中，大陆岸线19000多千米，岛屿岸线16700多千米。全面、高效、精准地测定海岸线位置、属性及其动态变化，对经济建设和国防建设具有十分重大的现实意义。
我国海岸线资源丰富，传统人工实地测量法曾为我国全面、准确测量海岸线发挥了重要作用，但如今不能满足快速、准确的测定海岸线位置的现实需求，因此发展全新的海岸线测量技术势在必行。
我国对海岸线的定义及测量方法有明确的规定，国家标准«海道测量规范»(GB12327-1998)中明确规定“海岸线以平均大潮高潮时所形成的实际痕迹进行测绘”。目前海岸线测量的方法分为传统人工实地测量法、摄影测量法、SAR/InSAR测量法和LiDAR测量法，其中后3种方法应用于海岸线测量时其核心技术是海岸线提取(为方便读者后面阅读，这里进行说明)。LiDAR技术是继GPS技术以来在测绘领域内的又一场技术革命。从本世纪初开始，美国利用了约十年时间开发、测试和完善了基于LiDAR技术的海岸带测绘程序，海岸线提取结果符合相关国际标准的要求。
本文对比分析了当前海岸线测量的方法的优缺点，重点阐述了LiDAR技术用于我国海岸线测量的可行性与必要性。
二、我国海岸线传统测量
长期以来，我国海岸线测量主要采用光学仪器或卫星定位测量等实地测量的传统模式，针对该方法的特点并结合我国海岸类型情况，海岸线传统测量现状具有以下特点。
⑴不同测量人员因判别经验不同导致对痕迹线位置的判断有一定差异，同一测量人员在不同时刻观测同一痕迹线时位置也有差异。因此，人工量测痕迹线的误差可能很大，且难以被量化；⑵我国基岩岸线和淤泥质岸线分别占海岸线总数的38.75％和5.61％，这两种岸线由于特殊的地质构造，传统测量法施测困难，且在测量时具有极大的危险性；⑶实地测量法在采集大范围数据时费时费力，难以满足地理信息产业对数据快速采集及更新需求。
三、基于LiDAR技术海岸线提取方法
目前LiDAR技术提取海岸线主要有两种方法：交叉海岸剖面法和等值线追踪法。
⒈交叉海岸剖面法
Stockdon等提出的交叉海岸剖面法提取海岸线，其流程见图1，该方法提取的海岸线精度取决于海岸剖面数N，N越大则提取的海岸线与实际海岸线越吻合，因此存在计算量大的缺点，其实用性不高。
图1 交叉海岸剖面法流程图
⒉等值线追踪法
Robertson等将等值线追踪法提取的海岸线与高分辨率影像提取的海岸线做了对比分析，结果显示机载LiDAR技术比摄影测量技术提取的海岸线更精确；美国国家大地测量局(NGS)采用等值线追踪法提取海岸线，这也是当前LiDAR技术提取海岸线的主流方法，其核心流程见图2。
图2 等值线追踪法流程图
由于受地形条件影响，等值线追踪法提取的海岸线过于破碎和曲折，这增加了后期数据处理的工作量。
于彩霞、张良等在等值线追踪法的基础上对海岸线进行了平滑，但平滑过程中不可避免的会降低提取精度且步骤相对繁琐，若要提取多种潮汐基准面等值线时，需重复将海岸带DEM或点云数据转化为水陆二值图像，降低了作业效率。
四、LiDAR技术海岸线测量优势及技术比较
从美国国家大地测量局(NGS)海岸线产品数据源中可以看出(图3)，可见光影像是其海岸线资料更新的主要数据来源。目前LiDAR技术无法完全取代摄影测量技术，但大量国内外研究表明，除极为平缓的淤泥质岸滩处，LiDAR技术适用于所有类型岸线的提取，本文对几种提取海岸线的技术手段进行了对比。
图3 NGS海岸线产品数据源构成示意图
⒈LiDAR技术与SAR/InSAR技术对比
20世纪90年代以来，大量学者利用SAR影像对海岸线提取进行了研究，如：Lee等提出的边界追踪算法；Malladi等提出的水平截集法等分别实现了对瞬时水边线的提取；王志勇等利用InSAR影像构建了海岛DEM及瞬时水边线。该方法提取的皆为瞬时水边线，其只能在精度要求不高的情况下作为海岸线的替代产品，且相对于其他技术手段而言，SAR/InSAR的定位精度不高。
SAR/InSAR作为主动式遥感探测技术，与LiDAR技术有一定相似性，主要区别表现如下。
⑴LiDAR技术与SAR/InSAR技术相比具有更强的穿透力，在植被茂密地区和近海浅水区的地形测量方面具有更大优势；
⑵LiDAR技术直接获取目标的空间位置、回波强度等信息，且自动化程度较高，而SAR/InSAR影像在实际应用中存在影像覆盖范围大、地面控制点布设困难、数据解译困难以及数据后期处理成本高等问题；
⑶SAR/InSAR影像在地形复杂区域存在阴影和层叠现象，导致地形数据缺失，而LiDAR技术不受阴影影响且其生成的产品具有更高的精度；
⑷SAR/InSAR技术能在偏远易受云雾遮挡地区获得高分辨率影像数据，且其获取数据效率更高，在大范围地形变化监测方面更有优势。
⒉LiDAR技术与摄影测量技术对比
美国国家大地测量局(NGS)测绘海岸线的主要方式是在数字摄影测量系统立体模式下利用潮汐数据进行采集的人工提取法，从本质上分析，该方法是实地测量法在遥感影像上的另一种实现。李传龙等、申家双等分别利用计算机自动解译法提取了海岸线，但该方法多为提取瞬时水边线或在其基础上进行了位置改正，未考虑瞬时水边线位置具有不确定性的特点，存在提取方法不通用且精度受限于影像分辨率的问题。
LiDAR技术和摄影测量技术在某些方面具有相似性，如两者皆需要GPS/IMS和摄影测量传感器；采集数据时都会受到天气影响；都能满足大比例尺地形测量精度要求，LiDAR技术与摄影测量技术主要区别见表1。
表1 摄影测量技术与LiDAR技术对比
LiDAR技术能与摄影测量技术优势互补，其无需布控、定向等复杂处理过程，在效率、精度和成本上得到的新突破为海岸线严谨与客观测绘提供了契机。
五、不同类型LiDAR系统应用于海洋测量的技术特性分析
根据测绘领域所关注的探测精度、探测距离及对目标识别分类能力的不同，可将LiDAR系统按照以下3种方式划分类型，根据平台不同，可分为机载、船载和车载LiDAR系统；根据激光器所发射激光波段的不同，可分为不同波段的LiDAR系统；根据探测体制的不同，可分为线性探测体制LiDAR系统和光子计数LiDAR系统，现将不同LiDAR系统特点进行分析。
⒈不同平台LiDAR系统特点对比
为使LiDAR系统能够满足不同精度及不同目标模型的重建需求，会将其搭载在不同平台上。车载和机载LiDAR系统在数据获取上具有高效、高精度的特点，在城市三维建模，目标提取等方面应用广泛；船载LiDAR系统有着特定工作环境，能采集到地面和空中平台所不能采集到的数据，在海岸带海岛礁测量方面具有重要的实用价值，其与车载LiDAR系统在扫描角度和扫描距离上具有很大相似性，很多搭载在车载平台上的LiDAR系统也可以搭载在船载平台。
不同平台LiDAR系统获取的数据具有很多相同点，但因扫描视角、扫描距离和扫描方式不同，造成采集的点云数据有很大差异。本文对不同平台的LiDAR系统之间及所采集数据的不同点进行比较分析。
⑴视场角不同
机载LiDAR系统采用俯视角度进行观测，获取的侧面点云数据较少，对于坡度较陡的海岸，机载LiDAR系统难以开展有效作业；车载LiDAR系统受道路限制其机动性能无法适应海岸带地形，且其在岸上对海岸带以斜下视的角度进行扫描会存在较大盲区；船载LiDAR系统可采集到机载LiDAR系统无法获取到的立面信息，通视性好、灵活性和可靠性较高。因此，从视场角方面分析，机载和船载LiDAR系统更适合海岸线测量。
⑵数据在三维特性上有差异
机载LiDAR系统获得的是目标顶部信息，因此，平面坐标XY与高程坐标Z一一对应，即2.5维特性；车载和船载LiDAR系统获取的是目标侧面信息，不仅平面坐标XY不与高程坐标Z一一对应，且YZ坐标与X坐标及XZ坐标与Y坐标也不一一对应。
⑶数据精度不同
车载和船载LiDAR系统扫描距离较近，数据精度能达到毫米级；机载LiDAR系统扫描距离一般在几百米以上，数据精度能达到10cm，有关文献表明，点云数据精度越高，所采集的海岸线精度越高，因此，根据船载LiDAR点云衍生出的海岸线精度较高。
⑷点云密度不同
不同平台的LiDAR系统移动速度、扫描距离和扫描角度不同，使得点云密度差别很大，机载LiDAR系统获得的点云密度一般在每平米几个到几十个，无法有效反映一些较小目标的细节信息；车载和船载LiDAR系统扫描距离较短，获得的点云密度在每平米几十个到上千之间；船载平台会随波浪在水面上左右摇动和上下起伏，造成点云数据存在过密或过稀区域。
⑸作业效率不同
机载平台机动性强，作业效率高；车载和船载平台易受工作环境影响，机动性远不如机载平台，作业效率相对较低。
⑹系统组成不同
工作环境不同导致搭载平台的不同；视场角不同使得激光器扫描构件不同，机载测量系统主要釆用之字形、椭圆形等俯视方式扫描，而车载和船载测量系统在水平方向和垂直方向进行侧视双轴扫描。
⑺应用范围不同
机载LiDAR系统适用于大部分海陆目标测绘、三维建模及短时间大范围地形动态应急监测；船载LiDAR系统仅用于海岸带和海岛礁等水上目标的测绘；车载LiDAR系统多用于道路测绘、城市建模等。
⒉不同波段的LiDAR系统
从红外波段到紫外波段都有激光的存在，除普通光所具有的特点外，激光还具有亮度高、方向性好、对地物具有一定穿透性等优点。在对地观测领域，激光发射材料和粒子能级跃迁所确定的可用激光波段是有限的，常见的LiDAR系统采用绿色532nm和近红外1064nm、1550nm的3个波段之一。
海岸带地物丰富，大致可分为植被、岩石、沙滩、粉沙淤泥、人工地物、海水6类，这些地物对不同波段的激光有着不同的反射光谱特性，主要表现在对激光的反射率和点云数据回波强度的不同，见图4。
图4 海岸带常见地物反射光谱曲线示意图
由图4可知，海岸带地物反射光谱曲线总体差异较大，但在个别波段处会有所接近或重合，在532nm和1550nm波段及附近，大部分海岸带地物的光谱反射率差异较小；在1064nm波段及附近，只有部分地物光谱反射率较为接近。
通过以上分析可知，在地物分类方面，采用1064nm波段的LiDAR系统能提供最大可分离性的点云数据，其他波段的LiDAR系统可以辅助识别分类。国内外大量文献表明，在利用三维坐标信息的基础上，单个或多个波段的激光回波强度信息在地物识别与分类的过程中可以发挥重要作用。
⑴基于LiDAR技术的地物分类研究现状
Antonarakis等的研究表明，点云数据对地物分类的精确性不低于高光谱影像数据；Juan等验证了1064nm波段比532nm和1550nm波段的点云数据对地物的可分类程度高。
2014年底，加拿Optech公司推出了世界上第一台商业机载多光谱LiDAR系统Titan，该系统能同时采集3个通道(1550nm、1064nm和532nm)的点云数据，1064nm波段的激光器位以0°正对地面，532nm和1550nm波段的激光器分别以7°和3.5°的角度指向最低点前方，3个激光器的方向设计考虑到了最大限度地利用1064nm波段对地物分类的能力。Titan的出现开启了多光谱或高光谱LiDAR系统用于对地观测的新纪元。Matikainen等利用Titan进行地物分类实验，成功划分了水、沙、砾石、混凝土、沥青、植被和建筑物等多种地物类别，准确率高达96％，充分论证了LiDAR系统在地物及海岸线类型识别方面具有的应用价值。
⑵问题分析
大多数激光传感器制造商不提供用于回波强度校正和几何校正的标准化参数，使得点云数据较难进行误差校正，限制了点云的位置和分类精度的进一步提高；点云密度也是影响分类结果的重要因素，而线性探测体制的LiDAR系统在较远距离的情况下很难采集高密度的数据点。
⒊不同探测体制的LiDAR系统
⑴传统LiDAR系统的技术瓶颈
主流的LiDAR系统采用工作在线性雪崩增益模式下的探测器，该探测器探测阈值较高，对光子不敏感，回波光子数在几百个以上才能被探测器所感应，由此带来的缺点主要表现在以下几个方面。
①系统一般只能发射宽脉冲的单束光波，通过旋转扫描装置和平台运动来实现对整个测量区域的逐点扫描覆盖，激光重复频率低，此种工作模式限制了远距离测量时点云数据密度的提升；
②系统测量距离有限，很难满足对境外感兴趣目标的信息获取，要实现对更远目标的探测，必须提高出射激光功率或增大接收回波信号的望远镜口径，增加了系统设计难度和重量；
③系统发出的高能量激光会与光学系统中的挥发性物质发生相互作用，在光学镜片镀膜上形成吸附性沉积物，这些沉积物会吸收激光能量导致系统测量效果降低，甚至是造成激光器永久性损伤。
⑵光子计数LiDAR系统
基于光子计数LiDAR系统测距原理与传统激光测距系统相同，都是采用记录激光脉冲飞行时间(TOF)的方式进行距离测量，其不同点主要在于光子计数LiDAR系统回波接收装置的灵敏度较高，能实现对单光子的探测。因此，光子计数LiDAR系统具有以下优势。
①LiDAR系统激光发射功率降低，使激光脉冲有较窄脉宽，而较窄激光脉冲意味着更高测量精度和点云密度；
②光子探测技术调和了系统的有效测距与激光出射功率、接收回波信号望远镜口径之间的矛盾，提高了系统的探测范围，为LiDAR系统在更高的机载和星载平台的应用创造了有利条件；
③激光出射功率和接收回波信号望远镜口径的降低，使系统整体复杂度降低，直接降低了系统的体积和重量；在相同体积和重量的情况下，可集成更多的激光器和其他类型传感器，这对资源有限的机载和星载平台来说是十分重要的。
光子计数LiDAR系统性能优异，更加注重对有限资源的高效利用，其全新的设计思想具有极大的技术先进性，能为地形探测领域带来新的测量理念和数据处理方法，具有广阔应用前景。
六、结束语
采用LiDAR技术进行海岸线的测定或更新是一种很有效的方法，其是对人工实地测量法和摄影测量法的一种有效补充。本文论证了LiDAR技术用于我国海岸线测量的可行性和必要性，具体结论如下。
⑴LiDAR技术其可靠性已经被国内外所验证。借鉴美国成功应用该技术的经验，并考虑到我国海岸带快速应急响应需求，将其运用于我国海岸地形测量，将极大提升我国海洋测绘技术水平；
⑵我国海岛总数达到1万多个，大部分为不易登岛测量的无人基岩岛，海岸类型多为适合运用LiDAR技术测量的人工岸线、基岩岸线和砂质岸线，不利于测量的淤泥质岸线较少。因此，我国非常适合运用LiDAR技术进行海岸线测量；
⑶多光谱LiDAR系统和光子计数LiDAR系统的出现，可进一步节省人力和物力，为更精确高效的测定海岸线带来了契机；
⑷运用LiDAR技术测量海岸带，人员与装备损失的风险低，不但能自动提取海岸线，还可以得到大比例尺海岸带DEM、DSM等产品，且有关文献表明，机载LiDAR在测图成本上约为航空摄影测量成本的25％～33％，以上因素使得利用LiDAR技术成本较低；
⑸我国没有海岸线精确评价标准，但从点云精度分析，运用LiDAR技术测量海岸线，消除了人为主观因素和遥感影像提取的瞬时水边线精度不确定性的影响，得到的产品精度较高。
从技术层面分析，目前在我国海洋测绘领域开展LiDAR技术海岸线测量的运用还存在以下几点问题。
⑴我国尚未建立成熟的LiDAR作业技术标准，表现为各种平台系统的校准方法也不尽相同，因此需要建立一套先进的、统一的、符合实际需要的作业技术标准；
⑵虽然LiDAR硬件技术比较成熟，但对应的数据处理软件发展相对滞后。硬件生产商一般不从事相关软件开发或开发的软件与海洋测绘的要求相距甚远。因此，研发符合海洋测绘要求的通用点云数据处理软件是未来研究重点；
⑶由于激光传输过程中受到大气、光照等因素的影响，导致获取的点云数据在回波强度和几何精度两方面均存在误差，因此在实现利用点云数据对地物进行精准分类之前，需对其进行回波强度校正和几何校正，相关校正模型有待进一步研究确立。
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【作者简介】文/姜怀刚 于英 务宇宽 赵宝林 董广军，分别来自信息工程大学地理空间信息学院和海图信息中心。第一作者姜怀刚，男，1990出生，山东潍坊人，助理工程师，硕士，主要从事海洋遥感数据智能处理研究。本文为基金项目，国家自然科学基金(41501482）。文章来自《海洋测绘》（2020年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。
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