用激光雷达高分辨率数字高程模型对南加州海蚀崖自动圈定

1、引言

为了在简单或复杂的海蚀崖条件下均可适用,本研究开发了一种基于激光雷达衍生出的裸地DEM 断面提取的自动化程序:该程序不涉及断面点之间的斜率变化,在不同的地貌背景下均具鲁棒性(译者注:系统的健壮性),在断面上可以确定除了海蚀崖的顶部和坡脚以外的次级拐点,该程序是与位置无关的。这个新程序利用了激光雷达衍生出的裸地DEM 全分辨率,其所有参数都与DEM 分辨率和精度有关。该自动化方法是在加利福尼亚州南部的德尔玛地区内2.5km 长的海岸线上开发的,并进一步被应用于加利福尼亚州康赛普申角和洛杉矶港之间更为复杂的海岸地区(图1)。

图1 研究区位置图(底图是Esri 编译的卫星图像)

2、研究方法

本次研究所面临的挑战是开发一种对任何类型的海蚀崖形态均适用的自动化程序。圈定海蚀崖顶部和坡脚的自动化程序首先是针对德尔玛地区形态较为简单的海蚀崖开发的。对于此自动化程序的数据来说,可与手动数字化边界进行比较。相比之下,康赛普申角和洛杉矶港之间的面积要大得多(要比德尔玛地区长100 倍以上),同时也拥有复杂的口袋状海滩和岩石岬角,并带有直线延伸的海蚀崖。德尔玛地区的数据是使用Optech 公司的机载激光地形制图仪(ALTM)1225 进行采集的。本次调查的元数据垂直精度为19.6cm(均方根误差为10cm),水平精度为1m(SCRIPPS,2015)。康赛普申角和洛杉矶港之间的海蚀崖数据是TerraPoint 公司于2010 年使用ALTM激光雷达扫描仪来采集的。报道数据的垂直均方根误差为9.25cm,估算的水平均方根误差为0.5m。

该海蚀崖边缘自动提取程序是基于高分辨率激光雷达数据所获得的裸地DEM 和参考一般海岸线矢量开发的。结果由裸地DEM 和激光雷达数据分类的质量决定,其中也包括植被从裸地表面被移除的程度。海岸线应避免大角度转弯并尽可能平行于海蚀崖的大致方向。此外,使用ArcGIS 10.x 中XTools Pro 11 的分割折线工具将海岸线分割成各为2000m 左右的片段,对于每个片段来说,一个略大于海岸线和海蚀崖顶之间距离的近似距离(以“m”为单位)将记录在形状属性文件中。一般来说,在不改变海蚀崖顶部和坡脚位置圈定的情况下,这个距离可以存在几十米的变化,这是单一的非自动化步骤。该距离可用于在海岸线片段周围产生缓冲区,并且使用这些多边形作为掩模来剪切每个海岸线片段的裸地DEM。ArcPy 脚本(Esri、Redlands、CA)用于自动生成每个海岸线片段、缓冲区多边形和剪切后DEM 的单独形状文件,此外还可进行基本的文件管理。缓冲区既要足够大以包括整个海蚀崖,同时也要求足够小以使该海蚀崖成为DEM 中唯一的主要地貌特征。

3、结论

本文提出了一种从高分辨率激光雷达衍生出的裸地DEM 中提取海蚀崖边缘(顶部和坡脚)的自动化程序。该自动化程序具有足够的灵活度,可适用于加利福尼亚州南部非常复杂的海岸地貌,其模拟范围可从几乎垂直且顶部与坡脚拐点边界清晰的海蚀崖延伸到复杂的海蚀崖断面。在南加州的研究区内,海蚀崖的复杂性与道路和阶地切割海蚀崖的梯度有关,而且与不同坡度的海蚀崖或不同的侵蚀断面等因素有关。该程序可根据用户指定的任何距离间隔(可达到DEM 分辨率)来提取海蚀崖的横向断面。除了海蚀崖的顶部和坡脚之外,程序还定义了沿着断面的其他主要拐点变化。处理结果可重复性高、精度高、综合性强,鲁棒性取决于分析人员对参数的选定。然而,这种自动化程序的处理结果取决于使用DEM 的质量高低,特别是植被的去除程度。自动化过程中使用的临界值参数与位置无关,但取决于DEM 的精度。总的来说,虽然手动数字化的海蚀崖边缘的位置精度较低而且与自动生成的结果也不重合,但仍有超过75%自动生成的海蚀崖边缘点位于手动数字化线段95%的精度区间内。异常值的出现是由于没有从DEM中剔除植被,海蚀崖断面太过复杂从而使得在手动数字化过程中海蚀崖边缘与次级拐点发生混淆、滑坡碎片的存在或简单的解释误差,异常值小于总点数的10%。在自动化程序中纳入了评估海蚀崖面凹凸度的例子,可以指示沿着海蚀崖海岸线的不稳定“热点”。未来的工作将集中在使用实时位移(RTK)全球定位系统(GPS)沿海蚀崖顶部和坡脚采集野外数据,以及使用Riegl VZ-1000 陆地激光扫描仪来严格地验证自动化的海蚀崖边缘结果。扫描将从海蚀崖顶部和海滩上的多个地点进行以便完整的覆盖海蚀崖顶部和坡脚、海蚀崖壁和海滩。陆地激光雷达数据将主要集中在具有悬壁结构和海蚀洞的复杂海蚀崖上,因为这些海崖未被机载激光雷达数据所覆盖。

 

 

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