海岸帶和沿海灘涂是海陸結合部，對這片廣闊與富饒的區域進行科學、有效、有序、可持續性的開發具有極大的社會和經濟雙重效益。因環境復雜、條件困難，使得通過傳統的陸地測量與航測手段很難獲得精確的地理信息資料，造成在實際工作中一直沿用以前不準確的資料。這些資料已經不能滿足迅速發展的沿海經濟的需要，更無法與沿海已建立的完善的測繪基礎地理信息系統相匹配。
　　基于激光掃描技術的航空遙感調查能夠快速、準確地獲取地表高精度、高密度的高程數據，在高精度全球定位系統(global positioning system，GPS)和慣性測量裝置(inertial measurement unit，IMU)的支持下，無需大量地面控制點，即可生成高精度的數字地形模型(digital terrain model，DTM)，在潮汐修正、海岸帶信息提取和分類等方面極具優勢，是未來海岸帶和海島調查最具潛力的重要手段。

 

 

　　激光雷達技術(1ight detection and ranging，LIDAR)集激光測距技術、計算機技術、慣性測量裝置／差分全球定位技術于一體，該技術在三維空間信息的實時獲取方面產生了重大突破，為獲取高時空分辨率的地球空間信息提供了一種全新的技術手段。機載LIDAR系統不僅能快速獲取高程數據，而且在地形測繪、環境監測、三維城市建模、海洋科學、地球科學、行星科學等諸多領域具有廣泛的發展前景。機載LIDAR系統與其他遙感技術相比較具有自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、精度高等技術特點，是目前最先進的能實時獲取地形表面三維空間信息和影像的航空遙感系統。

2.1 LIDAR定位原理

　　LIDAR系統主動發射激光脈沖，精確記錄傳感器發射和接收激光脈沖信號瞬時時刻，利用光速恒定的原理，將發射和反射時間間隔轉換為斜距量測，疊加傳感器的高度、激光掃描角度，以及從GPS得到的傳感器的位置信息后，能夠準確地計算出激光脈沖所到達地面的每個光斑的三維坐標。此外，由點形成線靠行掃描技術，由線形成面靠觀測平臺的運動完成，最終使激光點均勻布滿整個面，其系統原理如圖1所示。

 

　　假設三維空間中一點O的坐標(X_o，Y_o，Z_o)已知，求出該點到地面上某一待定點P的向量S，則P點坐標(X，Y，Z)就可以用0坐標聯合向量計算所得。通常已知點O的三維坐標由GPS提供，方向余弦由觀測平臺法線的俯仰角φ、側滾角w、偏航角k，及觀測方向與法線間夾角θ組成的矢量矩陣算出，其中觀測平臺法線的φ、w、k，(由IMU給出，向量的大小由激光測距儀給出。當上述X_o、Y_o、Z_o、φ、w、k、θ、S已知，那么任意待定點P的三維坐標即可求出。

2.2 LIDAR的技術特點

　　LIDAR作為一種新型的遙感技術，它具有鮮明的特點。

　　① 主動發射激光來掃描地面和地面上的目標，是一個全天時全天候的獲取地面三維數據的系統；

　　② 激光脈沖信號能部分穿透植被等，可同時測量地面和非地面層；

　　③ 不需要或極少需要進行測量現場干擾，不需要大量地面控制點；

　　④ 獲取的數據量大，且平面和高程精度高，數據的絕對精度在0.30m以內；

　　⑤ 數據處理自動化程度高；

　　⑥ 集成了先進的遙感(remote sensing，RS)和GPS技術，其所獲得的數據可直接作為地理信息系統(GIS)的數據源。

 

 

　　LIDAR是遙感技術的最新成果，它在灘涂海岸帶中主要用于數據采集，包括獲取地面點的平面坐標和高程；提取地物以及輸出多種數字產品，即數字地形模型(DTM)、數字正射影像(DOM)、數字柵格地圖(DRG)和數字線劃地圖(DLG)。另外，在適應灘涂海岸帶的特點上，與傳統的遙感及航空攝影測量相比，LIDAR有其獨到的優點。

3.1 灘涂海岸帶特點

　　沿海灘涂大部分為淤泥質平原海岸帶，灘地比較開闊，此外灘涂地形、地貌、自然植被等具有特殊性，故其測量也不同于一般的地面測量。

　　① 灘涂屬于典型的開放系統，具有自然的空間動態遷移特性，對外部干擾敏感。因此，弄清沿海灘涂的形成機理及其演變特征，發展空間監測技術，實施沿海灘涂定量動態監測，掌握灘涂變化規律，是進行沿海灘涂開發應用研究的前提。由于灘涂覆被層的空間特征不但隨灘涂本身發生變化，且存在季節和年度變化，使得用于數據采集的傳感器能夠進行動態監測且成本低廉。

　　② 潮灘是海陸交匯的特殊地帶，隨著潮汐周期的變化和水位的升降，漲與落的潮流往復于灘坡上，使潮灘出現淹沒和露出水面的交替性變化。因此，人不易到達，在此難以布置有效的地面控制點，使得進行數據采集時不需要大量的地面控制點且不需要或很少需要進入測量現場。

　　通過上面論述，發現機載LIDAR技術在灘涂海岸地形測量中的應用具有實際意義，運用機載LIDAR系統進行沿海灘涂高精度測圖，解決傳統航測必需在測圖區域布設一定數量控制點而實際人員難以到達的難題，填補我國灘涂海岸帶高精度測圖技術與手段的空白。

3.2 LIDAR的應用

3.2.1 LIDAR數據處理流程

　　機載LIDAR系統獲取的原始數據經軟件處理后可以與其他各種數字圖像進行融合，輸出各種測繪和遙感產品。LIDAR系統從數據采集到產品輸出可分為數據收集、數據預處理、點云濾波分類、LIDAR數據與其他遙感數據的融合與應用、基于LIDAR數據地物檢測和建模等6個主要數據處理流程，詳細處理流程如圖2所示。

 

3.2.2 建立數字地形模型

　　LIDAR技術最主要的數據產品是高密度、高精度的激光點云數據，該數據直接反映激光點的三維坐標，使得生產高精度、高分辨率的DTM成為可能，它是解決快速進行DTM數據采集的最有效方法。DTM的制作過程為：通過自動或人工交互處理，把入射到植被、房屋、建筑物等非地面點云進行分類、濾波或去除，然后構建不規則三角網(TIN)，就可以快速提取DTM。

3.2.3 采集灘涂海岸測繪的基礎地理信息

　　LIDAR系統除了構建數字地形模型外，還可以結合其他數據(數字影像)制作其他基礎測繪產品，主要有DOM、DLG和DRG。

　　① DOM制作。先對LIDAR點云數據進行坐標轉換和相關處理，然后依據LIDAR點云數據對CCD影像數據進行糾正與鑲嵌，即可生成DOM數據。

　　② DLG制作。由LIDAR點云建立DTM，接著生成等高線和高程注記點，然后依據DOM、DTM、等高線及高程點進行道路、水系與植被等地物要素的綜合分類和提取，最終形成DLG數據，如圖3所示。

 

　　③ 高精度的高程測量。機載LIDAR技術和精化大地水準面成果相結合，實現直接利用GPS測量數據替代水準高程測量而滿足制作1:5000(甚至更大比例尺)的DEM、等高線、DOM和DLG產品的高程測量精度。

3.2.4 快速生成海岸帶與海島的三維地形模型

　　數字海岸還需要構建高精度、真三維、可量測，具有真實感的海岸帶三維模型作為管理海岸的虛擬平臺。但是采用傳統技術進行海岸三維建模時，工作量大，效率低，且效果并不好，影響了數字海岸服務面的寬度和深度。利用LIDAR技術對海岸帶進行空中激光掃描或地面多角度激光掃描，可以快速獲取目標高密度、高精度的三維點坐標，在軟件支持下對點云數據進行模型構建和紋理映射，很方便地構建大面積的海岸三維模型。并可以實施快速動態更新，為數字海岸建設基礎數據源的持續性、歷史性提供了確實的保障。

 

 

　　激光雷達技術是遙感技術的新發展，其在灘涂海岸中有著廣泛的應用前景，為數字海岸提供了更加豐富的數據來源。不斷加強和拓寬激光雷達技術在數字海岸中的應用有著巨大的潛力和深遠的意義。