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随着计算机技术、空间信息技术和航空遥感技术的迅猛发展,人类社会已经步入了信息时代,对获取信息的实时性和准确性的要求越来越迫切。机载激光雷达技术能够直接快速地获取大量地面点的三维坐标数据,具有高精度、高密度、高效率和成本低的特点,是目前实时获取空间三维信息的主要技术手段之一。
我国拥有丰富的海岸带资源。海岸带生态环境复杂脆弱、地位特殊,在经济发展中占有重要地位。国务院批准的《全国海洋经济发展规划纲要》提出了“以海岸带和邻近海域为开发保护的重点区域,把海岸带区域建设成为综合海洋经济带”的战略规划。对海岸带的测量和监测是保护、开发和管理海岸带最基础性的工作内容之一。潮间带是海洋和岛陆的连接纽带,交替地暴露于空气和海水中,既受陆地环境因子的影响,又受海水涨落潮规律的影响,是海岸带的重要组成部分,对海岛及沿海区域海洋生态环境的调节起着重要作用。长期以来,因环境复杂、条件困难,现有的陆地和船载调查测量仪器难以有效使用,造成依靠人工作业的落后局面,生产效率低,危险性高,测量精度难以满足要求,迫切需要新的技术手段和设备来改变这一现状。遥感是快速获取海岸带区域地理空间数据的主要技术手段之一。目前对海岸带进行的遥感调查方式主要有卫星和航空遥感两种,前者精度无法满足实际监测需求,后者在国内多以航空摄影的方式进行,不仅效率低,而且难以获得高精度的高程信息。基于激光扫描(Light Deteetion and Ranging,简称LIDAR)技术的航空遥感调查方式能够快速、准确地获取地表高精度、高密度的高程数据,在高精度GPS定位技术和姿态传感器IMU的支持下,无需大量地面控制点,即可生成高精度的DTM。将机载激光雷达技术应用于海岛及近海海岸带的调查工作,可以实时地获取海岸带信息,有效地指导沿海经济建设工作和海岸带资源合理开发利用;在潮汐修正、海岸带信息提取和分类等方面极具优势,是未来海岸带和海岛调查最具潜力的重要手段。
本文主要对基于机载激光雷达数据的潮间带提取方法作了深入研究和探讨,在全面理解和分析机载激光雷达技术原理和数据特点及处理算法的基础之上,研究设计了潮间带的提取方法,准确地界定出潮间带的范围。主要研究内容具体如下:
(1)通过查阅大量机载激光雷达技术相关文献资料,总结分析了机载激光雷达技术在国内外的研究现状,指出机载激光雷达技术在数据后处理算法方面的发展还相对滞后;通过对国内外研究现状的认识,大致总结了机载激光雷达技术今后研究的主要方向及应用潜力;通过查阅潮间带方面的相关资料,了解了潮间带在海岸带组成和海洋资源中的重要性,全面总结了潮间带提取的重要研究意义。
(2)全面系统地介绍了机载激光雷达系统的发展、组成以及定位原理,并对系统的工作流程作了简要介绍,总结了机载激光雷达技术的优越性;仔细分析了机载激光雷达系统所获取到的各种类型数据、特点及处理流程;结合传统航空摄影测量与遥感技术和干涉雷达测量技术各自的特点,对不同数据获取手段的差异和各自优缺点作了详细的比较分析。在此基础上,对机载激光雷达技术的应用领域作了简要地归纳总结。
(3)详细论述了机载激光雷达数据预处理流程,对原始点云数据作了预处理操作;分析了机载激光雷达数据离散、不规则分布的特点,指出对机载激光雷达数据进行有效组织表达的必要性;详细讨论了机载激光雷达数据的几种数据组织形式并分析了各自的优缺点;详细阐述了本文采用的规则格网数据表达形式,对格网化处理中采样间距的选择及内插方法作了详细探讨;总结了规则格网化处理步骤。
(4)回顾分析了机载激光雷达数据滤波的基本原理,探讨了现有的几种常用滤波算法,并对各种滤波算法作了分析评价;依据本文主要研究目标,结合机载激光雷达数据和海水面的特点,分析设计了基于海水面高程阈值分割的滤波分类算法。
(5)详细介绍了潮间带的定义及分类,总结分析了潮间带的主要特征,指出潮间带提取的关键是提取出高低潮线;结合本文相关理论,设计了潮间带提取方法,并基于Matlab软件平台编程试验,并通过试验说明整个提取流程,得到了潮间带提取结果,验证了该滤波分类算法的有效性和可行性。