車載LiDAR系統在地籍測繪中的應用研究

王申 王萬子

（1.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；2.北京地星偉業數碼科技有限公司 海南分公司，海南 海口 571100）

1 引言

地籍測繪是土地管理信息的主要來源，也是影響國民經濟發展的重要因素之一[1]，獲取和表達地籍信息，為建立地籍檔案提供信息基礎，是地籍調查中依法認定權屬界址和利用現狀的技術手段，能滿足土地管理部門及其他國民經濟建設部門的需要［2-3］。目前，隨著城市化進程的不斷加快，地籍變更快，數量大，地籍變更調查任務愈顯繁重。針對地籍測量精度高、專業性強、配套成果資料（圖、表、冊、卡等）現勢性強、同步變更需及時的特殊要求，打破傳統以全站儀為主體，配合使用RTK 和鋼尺為主的測量模式，尋找一種快速高效的地籍信息獲取技術迫在眉睫。

測繪新儀器、新技術的更新推動了地籍測量發展。車載激光掃描系統Mobile Laser Scanning System（MLS）作為一種快速的數據采集手段，在車輛行駛過程中可以對沿街城市地物特別是建筑物側面墻體信息進行采集，并可在軟件支持下提取地籍要素，從而達到快速、有效、精確測繪的目的[4]，其集成系統包括車輛、全球定位系統（GPS 或GNSS）、慣性導航儀及車載計算機系統[5]。本文以車載激光掃描系統為數據采集技術手段，建立地籍數據獲取與處理的全流程技術方案，并進行精度分析，為城市規劃、鄉村振興等全息要素的獲取提供新的技術支撐。

2 車載激光掃描系統

車載三維激光掃描測量系統是一種全新的對地表空間信息快速定位采集技術，是目前最先進、有效的測量系統工具之一[6]。該系統主要由坐標測量、姿態測量、距離測量和影像采集構成。對應的傳感器分別是高精度激光掃描儀、全球衛星定位系統（GNSS）、慣性測量設備（IMU）、里程計和全景相機。利用該系統可以快速獲取高密集、高精度的激光點云數據，測量效率非常高，只需在道路上以一定的速度通過，就能快速采集兩側詳盡的激光點云數據并同步獲取與點云高精度匹配的實景圖片[7]。車載LiDAR 測量系統如圖1 所示。

圖1 車載LiDAR測量系統

3 案例分析

3.1 工程概況

本文以邯鄲冶陶鎮某農村地籍測量為例進行分析。該地區屬丘陵地帶，地貌以溝壑、山川為主，房屋分布不均勻，建筑不規則。用傳統測量方法效率低，而且院內界址點不易采集。為了提高工作效率和界址點位精度，引入車載LiDAR 系統，對于工作量繁重的農村地籍測量起到了很大幫助。

3.2 作業流程

基于車載LiDAR 系統進行地籍測量，大致分五個階段：線路設計、數據采集、數據處理、質量檢查、地籍成圖。系統作業流程如圖2 所示。

圖2 車載LiDAR系統作業流程

3.2.1 線路設計

任務規劃的目的是在滿足測區全覆蓋的前提下，結合已有資料，設計合理的行車掃描路徑和掃描時間，避免設備長時間高負荷工作以及交通擁擠，控制GNSS失鎖時間，同時布設好控制場，高效、經濟、精確地采集測區測量數據。

3.2.2 數據采集

（1）調試設備

要確保系統各硬件接口和指示器正常，根據現場狀況調整相機、激光等設備的參數，如光圈、激光功率、轉速等。

（2）架設GNSS 基站

架設GNSS 基站是為了與車上GNSS 流動站進行聯合差分解算與定位。根據掃描路線的長度和GNSS 基站的覆蓋半徑來選取基站架設位置，相鄰基站間距不應超過覆蓋半徑的兩倍，且需將道路完全覆蓋。實際操作中，為保證解算精度，要考慮不同地域的信號遮擋情況，適當縮小基站與流動站間最大距離。

（3）采集數據

數據采集過程中，根據設定好的行駛計劃和實時道路情況機動進行，要盡量勻速慢行，以求獲取較細致的激光點云數據。采集完畢后，要注意及時拷貝保存數據。

3.2.3 數據處理

（1）測區點云掃描數據處理

首先，利用GNSS 和IMU 觀測數據進行組合導航計算，以獲取IMU 的精確位置和姿態數據。其次，將激光掃描的原始極坐標數據轉換為激光掃描坐標系的平面坐標數據。再次，用激光掃描儀和IMU 間的相對旋轉矩陣將激光平面坐標數據轉換為IMU 坐標系下的平面坐標。最后，用IMU 的位置和姿態數據將IMU 坐標系下的點云數據轉換為地理坐標系。測區局部彩色點云如圖3 所示。

圖3 測區局部彩色點云

（2）地籍信息提取與矢量化

基于抽稀后的點云數據，快速進行地物分類，并編寫規則幾何形狀的自動提取算法，提取房屋、圍墻、柵欄等地物信息，道路、植被等地形信息，房角點提取俯視圖如圖4 所示。最后根據提取的信息進行地物、地形連圖處理，保證線形的連續性，提取后自動連圖矢量化成果如圖5 所示。

3.2.4 質量檢查

對已布設的控制場進行精細掃描，在采集的控制場點云數據中找出空間位置與已測控制點相對應的激光點，將其坐標與控制點的實測坐標進行比對并計算誤差；或者在采集路段選取易于分辨的特征點作為檢查點，并用測量儀器量測其坐標值，與采集數據中的對應激光點坐標進行比對并計算誤差，最后制作精度報告，如表1 所示。邯鄲高臺轉掃精度統計的實測坐標由CORS RTK 測量獲取。

根據《地籍測量規范》（CH 5002—94），一等界址點相對于臨近控制點點位中誤差不超過5cm，本項目質量檢驗中誤差為3.1cm，滿足地籍測量要求。

圖4 局部房角點提取

圖5 提取后自動連圖矢量化成果

表1 冶陶鎮局部精度統計

3.2.5 地籍成圖

基于上述對地籍要素特征的自動提取和自動連圖成果，在制圖軟件上加載車載激光掃描系統獲取的地籍地形要素和原始調查底圖，要保證掃描數據和影像圖完全套合。對于套合出現偏差的，以掃描數據為基準校正影像。結合外業獲得的建（構）筑物長度、界址線、界址點到明顯地物點的距離，以車載激光掃描數據的點為定位依據，線為定向依據，影像圖為參考，用解譯法完成地籍要素成圖；對于未提取出的特征點，可利用俯視投影視角，根據地物的輪廓信息判斷特征點和邊界位置，提取特征點坐標。對于完全遮擋未采集到激光點云數據的區域，以影像圖為定位和定向依據，利用裝繪法成圖。內業無法采集到的特征點數據，要進行人工實地補測。對各要素進行整飾，形成最終的地籍圖。局部地籍圖如圖6 所示。

圖6 局部地籍圖

4 結語

通過車載激光掃描系統對邯鄲冶陶鎮某農村進行地籍實驗，經過處理獲得精確的點云數據信息，在點云的基礎上進行界址點選取、宗地邊界的提取等工作。經實測分析可知，該技術能夠滿足農村地籍測量精度要求，且效率較高。將車載移動測量系統成功應用于農村地籍測繪，為農村地籍測量提供了一種有效可行的方式，形成的一套農村地籍測繪技術解決方案，對農村地籍測量有重大的技術指導作用。