LIDAR 技術在農村房地一體項目中的應用研究

張 健 麻萬金

（三和數碼測繪地雷信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

農村房地一體項目是一項惠民工程，通過對房屋和宗地進行登記確權，頒發不動產證書，就可以使房屋具有商品性質，可用房屋進行抵押貸款和買賣[1-3]。然而農村房屋不動產測繪，采用傳統方式作業不但效率低、生產成本高、風險高，而且很難按時按點完成確權和頒證[4-5]。為了減少作業成本，提高作業效率，降低作業風險，本文在分析和研究了LIDAR 技術后，提出采用LIDAR 技術進行農村房屋不動產的測繪，并采集宗地、房屋等界址點，丈量多條宗地、房屋邊長，對本文方法生產的地籍圖精度進行檢測。結果表明，采用本文的方法，生產的地籍圖精度能夠滿足甘肅省農村房屋一體確權項目精度要求，且作業效率是傳統作業方式的2-3 倍，生產成本明顯降低，外業工作量明顯減少，使得作業風險有效降低，可以作為一種新的作業方式，用于農村房地一體項目中來。

1 LIDAR 技術

LIDAR 是一種全新的測繪方式，和傳統的攝影測量來說，其獲取的原始數據和后期的算法是不一樣的。LIDAR 是一種集全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（INS）和激光三種技術設備于一身的系統[6-8]。其原理依據的是“直線傳播”，即激光器發射一束激光信號，沿著直線進行傳播，在碰到障礙物后，則會沿原路返回，而返回的激光信號則會被接收系統收集。結合傳播速度，激光器所在的位置、姿態和返回的時間，則可以精確計算得到障礙物的空間三維坐標，而發出的激光信號是非常密集的，這樣就可以得到高密度的三維點坐標，即通常說的數字表面模型（DSM）[9-11]。對于建構筑物來說，則可以獲取建構筑物的棱角坐標，通過人機交互的方式，就可以得到地籍圖成果。根據精度要求的高低，在實際作業中，可能需要引入控制點來對LIDAR 成果進行精度校正。目前LIDAR 按照搭載平臺的不同，主要可以分為機載LIDAR 和地面LIDAR，在實際作業中，可以根據任務區的特點進行靈活選取。比如，如果采集的對象主要是地表高程，則一般采用機載LIDAR 方式；采集的對象是建構筑物的立面，則一般采集地面LIDAR 技術。地面LIDAR 又分為車載LIDAR、背包式LIDAR 和手持LIDAR，具體選擇要結合項目需求進行，該技術用于地籍圖制作的流程如圖1 所示。

圖1 基于LIDAR 技術的地籍圖制作流程

2 案例分析

本次任務區位于甘肅省天水市某一農村，房屋分散稀疏，且房屋建設因地制宜，地勢坡度大約三十多度，高大樹木較多，采用傳傾斜攝影測量的作業方案，很難獲取分辨率相同的影像，且房屋被樹木遮擋嚴重，后期模型會存在較多變形拉花的地方，不利于后期進行地籍圖的采集。為了提高作業效率，結合本任務區的特點，本次作業選用地面LIDAR 的作業方式進行地籍圖的生產。

2.1 控制測量

為了確保后續成果的精度可以滿足地籍精度要求，本次作業過程中，按照500 米的間距，均勻采集控制點8個，這些控制點的點位均噴涂在建構筑物的立面上，這樣可以有效提高后期成果校正的精度。采集坐標時，先利用GPS-RTK 在靜態條件下測量兩個坐標，然后在已知點上架設全→儀，接著采集噴涂的點位，由于遮擋嚴重，本次采集8 個控制點共設→8 次，采集的成果精度可以達到毫米級精度。利用GPS-RTK 在任務區精度薄弱區域，選擇建構筑物的界址點進行坐標測量，共采集檢測點21 個；利用卷尺測量房屋邊長和宗地邊長，共量測檢測邊15 條，用于后期地籍圖成果的界址點和邊長精度檢測。采集時，使用南方測繪公司最新的RTK 設備，該設備可以自動將傾斜坐標轉換為垂直坐標，避免了桿子傾斜帶來的誤差，提升了采集效率，且使得采集的坐標值更加可靠。

2.2 點云數據采集

本次作業選用中海達的手持SLAM 設備，該設備體積小，輕巧攜帶，且每秒發射激光雷達數量多，可以準確采集建構筑物棱角的坐標，且其格式為通用的las 格式，有利于內業對其進行準確采集。結合設備待電時長，本次作業分為兩次完成，在采集接邊區域時，采集重疊區域較多，里面包含了三個控制點。數據采集完成后，通過人機交互的方式，將采集軌跡展開到lidar-dp 點云處理軟件中，通過查看軌跡，本次作業采集無遺漏，成果可用。在采集點云的同時，利用設備上搭載的相機，同步采集了對應的影像數據，這些影像數據主要用于后期紋理信息的映射和成果的套合。

2.3 點云數據處理

點云數據處理主要包括接邊數據處理和點云濾波去噪，利用8 個控制點，對兩次采集的點云數據進行了校正，利用3 個公共點對接邊區域的點云坐標進行校正，在誤差均小于2cm 后，對兩架次接邊區域的坐標求平均值，作為最終的成果坐標。完成接邊后，利用西安煤航的lidar-dp 特有的濾波算法，對處理后的點云成果進行濾波處理，過濾掉噪點和一些樹木、植被的坐標值，只保留宗地和房屋的三維點坐標，對于因為遮擋嚴重而無法準確得到的三維點坐標，在后期地籍圖采集時，結合外業實地采集進行補充完善。對于濾波效果不好區域，可通過人機交互的方式再次進行不同點類型的分類，然后根據需求剔除無用的墊層。在完成點云數據的校正后，利用控制點同樣對采集點云時采集的二維影像進行校正，讓影像的精度能夠和點云精度相對應。

2.4 可視化處理

濾波后的點云是孤立的三維點坐標，且缺少紋理信息，在后續數據采集時，對作業人員要求太高，因此對其賦上紋理信息，讓其與真實現狀一樣，這樣就更有利于對界址點、界址線進行準確判斷和采集。利用西安煤航的lidar-dp 軟件對已有的三維點坐標進行不規則三角網的構建，待不規則三角網TIN 構建完成后，通過一種合適的算法為待映射模型表面上的所有頂點賦彩色值，工作過程中將二維圖像映射至三維模型，從而使模型具有真實感。映射可分為正向映射和反向映射，在這里采用正射映射方式，將影像紋理映射到密集的三維點坐標上，這樣就可以通過紋理的變化準確得到建構筑物的邊角信息了。映射原理如圖2 所示。

圖2 映射原理示意圖

2.5 矢量化處理

本次地籍圖采集，使用清華山維公司的EPS 軟件，首先加載處理后的點云數據，然后軟件自動將las 格式轉為軟件可以加載的pcd 格式并進行加載。在矢量化的過程中，首先根據需要采集的對象選擇對應的命令，然后進行采集。在采集房屋時，為了提高房屋采集效率，選用“五點房”命令進行采集，該工具采集房屋不但效率高，而且角度都是垂直的，非常適合用于矩形房屋的采集，在采集的同時，對房屋的結構和層數進行完善。由于點云數據缺失等原因導致內業無法準確采集的，利用全→儀或者GPS-RTK 進行外業采集，對于內業無法準確判斷的房屋等屬性，在外業補充采集時進行完善。

在矢量化完成后，和傳統的作業方式進行對比，在矢量化相同數目的宗地房屋，本文的作業效率約是傳統方式的2.5 倍，結合外業補充采集，采用LIDAR 方式進行地籍圖制作，其效率是GPS-RTK 作業效率的2-3 倍。

3 精度統計分析

將檢測點導入到EPS 軟件中，利用EPS 自帶的精度檢測工具，通過人機交互的方式，對地籍圖成果精度進行檢測，檢測結果統計見表1。

表1 界址點精度檢測統計表

按照同精度中誤差[12]計算方法，對表1 中的數據進行計算，可以得到本次21 個檢測點的中誤差為3.6cm，最大較差為7.1cm，要求中誤差為±5cm，最大誤差不超過2 倍中誤差，本次成果經檢測，其界址點精度可以滿足規范要求。

采用人機交互的方式，用CASS 軟件打開地籍圖成果，統計檢測邊對應的矢量化邊長，然后求取二者之間的較差，檢測統計結果見表2。

表2 界址邊精度檢測統計表

由表2 可知，15 條邊長，最大較差為12.3cm，平均較差為6.6cm。本次成果經檢測，其界址邊精度可以滿足規范要求。

4 LIDAR 技術優缺點分析

通過本次實際項目生產，綜合多方面的特點，得出LIDAR 技術以下幾方面的優缺點。

4.1 LIDAR 技術的優點

4.1.1 精度高。LIDAR 技術獲取的三維點坐標精度很高，可以用于大比例尺地形圖甚至地籍圖成果的測繪，且成果精度均勻，可靠性高。

4.1.2 外業工作量小。相比傳統的全野外地籍圖測繪，采用LIDAR 技術，外業工作量大幅度減小，外業工作基本上可以在一到兩天完成，其余工作全部在內業完成。

4.1.3 大幅度降低生產成本。對于全野外來說，各種費用支出大，對于LIDAR 來說，外業工作量小，支出主要在于采購設備。設備采購屬于一次性投入，后期費用支出少。

4.1.4 成果豐富。不光可以正常出房屋平面圖、立面圖，自動計算面積（全面積、半面積），標注標高、層數等屬性，同時形成的三維空間點云和三維模型數據可以作為電子存檔，供后期隨時查看校驗。

4.1.5 效率高。對于城鎮或鄉村不動產調查，由于遮擋比較嚴重，GPS 經常失鎖導致精度不夠，一般用全→儀測量房屋的四個面，然后內業成圖，但存在效率低，投入大的問題，并且項目和項目之間存在數據對接容易出錯的問題。

4.2 LIDAR 技術的缺點

4.2.1 對作業人員要求高。LIDAR 點云數據處理，對作業人員的業務技能要求高，目前LIDAR 點云處理的相關軟件較少。

4.2.2 三維點密度太高。LIDAR 點云密度太大，對作業電腦和軟件要求高，需要順暢加載龐大的點云數據，對其展示算法要求也很高。

4.2.3 三維點不一定位于特征點。雖然點的密度很高，但是三維點云具有隨機性，不一定剛好打在棱角上，因此有可能導致棱角精度降低。

4.2.4 設備價格較昂貴。較傳統的GPS-RTK、全→儀來說，LIDAR 設備價格較昂貴，且會使用的作業人員少。

結束語

本文提出使用LIDAR 技術進行地籍圖制作，通過外業采集檢測點和檢測邊，對本文提出的方案生產的地籍圖成果進行精度檢測，其界址點中誤差為3.6cm，界址邊平均較差為6.6cm，且最大較差均未超限，因此本文方案可應用于農村房地一體項目之中，從而減少外業工作量，提升作業效率，可為房地一體項目作業人員提供有效參考。