三維LiDAR激光掃描技術在不動產權籍調查中的應用

于俊紅 張 寧 呂 悅

(山東正元數字城市建設有限公司, 山東 煙臺 264670)

0 引言

建立不動產統一登記制度是國務院機構改革和職能轉變的重大舉措。不動產權籍,即不動產測繪檔案與登記檔案的合稱,對不動產的權利狀況、自然狀況等事項進行調查與記錄[1-2]。不動產測繪是不動產登記的重要組成部分,建立健全的不動產測繪制度,才能推進不動產統一的工作進度。不動產登記時,快速、高效、準確地獲取大比例尺地籍、地形圖及房產分層分戶圖一直是測繪領域關注的重點問題。激光雷達(Light Detection and Ranging，LiDAR)測量技術是從20世紀中后期逐步發展起來的一門新技術,可用于地球科學和行星科學等許多領域[3-4]。LiDAR技術具有高精度、高效率等顯著優勢[5-6],車載移動LiDAR激光點云測量技術作為一種先進的測量手段,國內對其在不動產測繪方面做了很多研究。本文以太倉市農村不動產權籍確權登記發證項目為背景,以車載LiDAR激光點云移動測量系統為數據采集工具,通過實際的生產項目,對利用車載移動測量技術生產的地籍圖及房產平面圖進行了研究并取得一定成果,為今后利用移動測量技術進行不動產測繪提供了相關依據及經驗。

1 移動測量LiDAR點云數據采集與處理

1.1 項目背景

基于太倉市農村不動產權籍調查與數據庫建設需要,需對農村房屋進行地籍測繪及房產測繪。該市部分地區已測地籍圖,地籍圖精度10 cm左右,不能滿足房屋調查要求,需進行全部入戶測量,起初采用傳統全球實時動態定位系統(Global Positioning System-Real Time Kinematic,GPS-RTK)+全站儀作業方式。由于該市農村房屋主要是別墅+輔助房,房屋造型較為復雜。傳統測量方式平均每戶需要采集平均30個實測點。每天平均測量15戶左右。按照此作業方式無法滿足甲方要求短時間內完成外業數據采集工作和項目工期要求,故選用車載移動LiDAR測量技術進行不動產測量。

1.2 外業數據采集方案

在外業數據采集之前,需要設計好作業方案,主要確定掃描路線、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)基準站架設位置及掃描時間。首先,根據作業區影像地圖和移動測量車的掃描距離設計作業路線,要求行駛路線必須覆蓋全測區,而且為了使測量結果滿足地籍圖精度要求,根據LiDAR激光掃描設備性能,測量車行駛路線需設計在目標物體100 m范圍內。其次,根據設計的行駛路線,確定GPS基準站架設位置,根據設備性能,需保證基站在移動測量車10 km范圍內[7]。最后,為了確保測量數據的完整性和任務順利進行,盡量選擇道路上人員和車輛較少的時間進行外業數據采集。

1.3 外業數據采集

在利用點云數據進行外業數據采集時,數據采集是很重要的一個環節,它直接關系到最后創建出的三維模型質量。要想獲得精確并且冗余度低的數據,必須減少在掃描過程中人為引入的誤差。需按照外業掃描方案設計的路線和時間進行掃描,獲取測區的點云和全景影像數據[8]。測量過程中車速保持30 km/h左右,對于環境較為復雜地區,車輛無法駛入,可以采用背包加電瓶車模式作業。車輛行駛的同時記錄下行駛的軌跡。作業完成后,通過對照軌跡和規劃路線檢查車輛是否按設計的路線行駛,以確保掃描數據的正確性。

1.4 LiDAR點云數據的處理

機載LiDAR獲取的點云數據只有通過后續處理才能轉化成產品。數據處理流程包括航帶拼接、點云分幅、點云濾波、精細化濾波、數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和等高線生成等[9]。LiDAR點云數據處理主要分為點云數據生成及點云濾波處理兩部分進行。

1.4.1LiDAR點云數據生成

將GPS數據測量車行駛軌跡與激光掃描儀數據進行整合,根據激光測量原理得到點云數據,獲得有精確位置信息的三維點云數據,包括三維坐標(x、y、z)和激光反射強度(intensity)。

1.4.2點云濾波處理

采用Trimble RealWorks點云后處理軟件處理,首先對噪聲點的消除,與目標主體無關的部分也視為噪聲一并去除。然后由于原始點云密度過大,增加了數據量,數據需要簡化,進行點云過濾,本次隨機抽取80%點云。其次進行路面、樹冠自動提取過濾。最后進行手工過濾無用數據。

1.5 點云數據精度檢驗

從外業獲取的LiDAR點云數據中抽取部分有代表性的不同區域數據進行外業全站儀打點檢驗。經檢驗后發現,一般農村地區信號較好,精度與全站儀數據基本相吻合,滿足地籍測量及房產測量要求。個別信號較弱地區,房屋出現整體偏移現象,房屋邊長符合精度要求。經過已知點校正,可以滿足不動產測量要求。利用點云作業,外業測檢查點是很重要的環節。

2 點云成圖方法

2.1 點云作圖

MicroStation V8是由美國的 Bentley工程軟件系統有限公司開發的一款計算機繪圖軟件[10]。LiDAR點云數據處理好之后,導入MicroStation V8三維CAD基礎軟件作圖。

2.1.1地籍圖制作

作圖時房屋拐點未掃描到或者點數量不達標時,采用軟件倒角功能,求出拐點坐標。在數據采集時,要注意房檐邊線與房屋邊線不要混淆。作圖完成后,將三維(three-dimensional， 3D)圖形轉換成二維(two-dimensional，2D)格式,另存為常用DWG(DraWinG，文件擴展名)格式,方便數據編輯入庫。根據當地房屋特點內業作業人員作圖平均40戶/天。

2.1.2房產圖制作

地籍圖外業檢測合格后,房產圖根據地籍圖進行分層處理。在分層處理的過程中,需要參照外業調查照片。主要識別陽臺、走廊是封閉還是開放狀態,來判斷面積計算全面積還是半面積。按要求處理好分層之后,通過軟件批量生成房屋調查表及房屋分層分戶圖。

2.2 精度檢測

經外業檢查核實發現部分區域精度不太穩定。經反復研究分析發現,作業環境較為空曠,交通條件便利地區,采用車載雷達掃描精度在2～5 cm,滿足精度要求。交通不便地區采用摩托車背包掃描,受人為、信號等因素影響相對位置精度整體偏移10 cm左右,但房屋邊長精度中誤差±3 cm左右滿足房屋邊長精度要求,通過檢測點進行矯正可以滿足不動產測量要求。

2.3 傳統作業方式與LiDAR點云作業方式效率對比

2.3.1傳統作業方式

(1)RTK布設圖根點。(2)全站儀野外數據采集。(3)內業作圖。(4)外業質量檢查。

2.3.2LiDAR激光點云作業方式

(1)測量車野外數據采集。(2)內業作圖。(3)外業質量檢查。

具體作業方式對比如表1所示。

表1 作業方式對比表

經過兩種作業方式對比發現,點云作圖省略布設圖根點工序,外業數據采集是傳統作業方式的幾十倍效率(如圖1所示)。內業作圖效率基本一致,外業檢查方面點云作圖較傳統作業方式效率低一些。

圖1 傳統與點云作業方式直方圖

3 結束語

如今的測繪工程技術在科技技術輔助下,發展趨勢良好,帶動企業發展。利用各種測繪工程技術進行不動產測量,不僅能保證相關數據的精確性,還能有效降低測量成本,使不動產管理工作更加順利。今后的新技術、新方法及高端科技必定成為測繪行業主流,測繪地理信息行業要轉型升級,把握市場動態,為測繪事業做出更大貢獻。

LiDAR激光點云在項目作業過程中存在問題:(1)點云數據采集原始文件過大,處理數據對內存及硬件要求較高。(2)外業數據采集復雜地形時,信號不穩定,容易造成點云重影。(3)電腦配置高低直接影響點云內業作圖工作效率。

LiDAR激光點云改進措施:(1)優化硬盤存儲空間和數據傳輸方式。(2)優化測量車行駛路線,對復雜區域重點外業質量檢查。