一种从LiDAR点云中提取海岸线的新方法

于彩霞，许 军，许 坚，郑义东，李改肖

(1.信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州450052;2.地理信息工程国家重点实验室，陕西西安710054;3.海军大连舰艇学院，辽宁大连116018)

一、引 言

LiDAR技术由于可快速获取高精度、高密度的地形表面三维点云数据，因而在测量困难的地区(如海岸带)进行高精度测图具有明显的优势，已成为海岸带测绘发展的一个新方向［1-2］。目前，国外对利用LiDAR点云提取海岸线已有一些研究［2-5］，主要采用简单且易实现的等值线追踪法［3-4］。但等值线追踪法提取的海岸线存在着抖动大、锯齿多、线段破碎等诸多问题［1，4］，需进一步对提取的岸线进行辨真去伪及平滑等工作，增加了后期处理的工作量。为此，本文提出了一种基于LiDAR点云数据栅格化的海岸线提取新方法，优化了海岸线的提取流程，提高了海岸线的提取质量。

二、等值线追踪法

根据国家相关测绘标准规范［6-7］，海岸线定义为平均大潮高潮的水陆分界的痕迹线，即海岸线可视为平均大潮高潮面(MHWS)与海岸地形相交而成的一条等值线。由于这条等值线具有相同的高程值——MHWS高程，因此海岸线的确定可转化为高程值为MHWS的等值线提取。基于等值线追踪法从LiDAR点云中提取海岸线的基本思想是:根据潮汐精密模型计算出所在区域的MHWS高程，将LiDAR原始点云滤波分类后生成海岸DEM，采用等值线追踪法提取高程为MHWS所对应的线，即得海岸线(平均大潮高潮线)。海岸线提取的流程如图1所示。

图1 等值线法从LiDAR点云中提取海岸线流程

通过上述等值线追踪法(构建TIN，追踪等值线)提取的海岸线如图2所示。

图2 由等值线法追踪的海岸线效果(加载在海岸DEM上)

从图2可以看出，提取的海岸线过于曲折、抖动、破碎，且存在大量错误的线段(或封闭多边形)。造成这一结果的原因主要是水边线附近的LiDAR数据受到波浪和潮汐的影响、浅滩的藻类海草沉积过厚、LiDAR信号的噪声(粗差)，以及海峡和洪水洼地的数据空缺等［1，5］。

采取该方法提取的海岸线需要后期大量的人工作业进行修正，劳动强度大、效率低下，且易受主观因素影响。另外，在该方法的实现过程中，还受以下两方面因素的制约:

1)LiDAR点云的滤波分类:目前对LiDAR点云的滤波研究较多，但还没有一种方法具有普适性，能够完全应对复杂多变的地形起伏形态［8-9］，且在滤波过程中，还需通过不断的试验来调整阈值，造成点云的滤波过程时间过长。

2)海岸DEM的构建:LiDAR点云采样随机，具有高密度、高精度的特点(点云间距达米级，甚至到毫米级)，且海岸地形复杂，造成海岸DEM的构建过程较为复杂、耗时长，且构建的海岸DEM存在着误差和不合理性。

三、基于LiDAR点云数据栅格化的海岸线提取方法

基于上述原因，为了提高海岸线提取质量，本文提出了一种基于LiDAR点云数据栅格化提取海岸线的方法:首先剔除LiDAR点云的噪声(粗差);其次基于ArcGIS 10.2平台创建LAS数据集;然后对Terrain数据集或LiDAR点云栅格化以构建更为平滑的海岸地形;最后通过栅格表面生成更平滑、更合理的海岸线。改进后海岸线提取流程如图3所示。

图3 改进的等值线提取海岸线

1)粗差去除。LiDAR点云在获取过程中不可避免地会产生噪声，包括极高点、极低点和孤立点等［8-10］，这些都属于错误点云，必须去除，否则会导致严重误差。

2)创建LAS Dataset数据集。通过LAS Dataset数据集快速读取并显示高密度的LiDAR三维点云数据，在该步骤中，将平面坐标和高程基准为WGS-84的LiDAR点云分别转换为2000国家大地坐标系(CGCS2000)和1985国家高程基准。

3)判断LiDAR点云数据是否已标准分类，若是则表明数据细化工作已由数据提供方完成，可直接进入步骤5)，否则进行步骤4)。

4)构建Terrain数据集。目的是为了细化数据，降低高频噪声的影响，在构建过程中，需要选择Terrain金字塔合适的类型及合理的等级。

5)创建栅格表面数据，通过插值算法平滑海岸地形表面。若是从步骤4)到该步骤，则需根据Terrain数据集创建栅格表面;否则可直接通过LAS Dataset数据集创建栅格表面。

6)计算MHWS高程。根据潮汐精密模型［11-12］推算该海岸区域的局部MHWS高程值，并转换为1985国家高程。

7)生成等值线。在创建的海岸地形栅格中，高程信息是通过不同的灰度值(或颜色值)来表达的，由栅格表面生成高程值为MHWS高程的等值线，即海岸线。

四、试验与分析

1.试 验

试验区域位于大连某海岸，数据为船载LiDAR点云数据，点云间距为10 cm，约22万个点云，图4显示为该区域的真彩色点云，按照前文步骤，创建LAS Dataset如图5所示。

图4 某海岸的真彩色点云

根据精密潮汐模型计算的MHWS局部高程，利用等值线追踪法提取的海岸线如图6所示(加载在栅格化点云上，局部放大图)，利用本文新方法提取的海岸线如图7所示(加载在栅格化点云上，局部放大图)。将两种方法提取的海岸线叠加显示，如图8所示(颜色较深的线表示等值线追踪法提取的效果，颜色较浅的线表示本文新方法提取的效果)。

图5 创建的LAS Dataset

图6 等值线追踪法提取的效果

图7 本文新方法提取的效果

图8 两种方法提取的海岸线叠加效果

2.分 析

从图8中可以看出，对于LiDAR点云数据，采用等值线追踪法生成的海岸线平面位置抖动大、锯齿多，存在破碎的线段和独立的多边形(如图6所示);而采用本文提出的新方法，由于先对LiDAR点云去除噪声，滤除了粗差，然后对其进行栅格化，相当于对点云高程值进行重新量化，使得点云数据的高程变化趋于均衡，即滤除点云的高频噪声，从而提取的海岸线较为平滑(如图7所示)，更符合实地情况，且能有效地减少后期编辑处理工作，降低了工作强度，提高了海岸线测绘的效率。

五、结束语

高精度、快速地确定海岸线，一直是海洋测绘的一项重要内容。本文提出了一种基于LiDAR点云数据栅格化的海岸线提取新方法，该方法摒弃了等值线追踪法中构建海岸DEM的过程，使得海岸线的提取过程更为简单可行、效率更高，尤其是采取了先对LiDAR点云进行栅格化，再从栅格数据提取海岸线的方式，提取的海岸线更为平滑，结果更加理想。试验表明，本文提出的新方法可以用于数字海图生产实践中的海岸线生成。

［1］于彩霞，王家耀，许军，等.海岸线提取技术研究进展［J］.测绘科学与技术学报，2014，31(3):305-309.

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