無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)在不動(dòng)產(chǎn)測繪中的應(yīng)用

何桂鳳 謝雄軍

（廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510700）

0.引言

作為測繪領(lǐng)域的一項(xiàng)重要測繪任務(wù)，不動(dòng)產(chǎn)測繪的傳統(tǒng)作業(yè)方式主要是通過GNSS-RTK、全站儀、卷尺等測繪手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)不動(dòng)產(chǎn)測繪作業(yè)方式存在很多現(xiàn)實(shí)性問題，如，作業(yè)周期長、效率低以及生產(chǎn)成本高等。因此，探索基于測繪新技術(shù)、新方法的不動(dòng)產(chǎn)測繪具有重要意義。發(fā)揮無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在空間數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢，全面分析論證傾斜攝影測量技術(shù)后，王小娟[1]將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中，取得了不錯(cuò)的效果。然而由于光學(xué)影像難以獲取植被茂盛區(qū)域的地形地貌數(shù)據(jù)，傾斜攝影測量技術(shù)不能完整采集測區(qū)數(shù)據(jù)，需要一定的外業(yè)補(bǔ)測工作。激光LiDAR技術(shù)通過發(fā)射激光脈沖，可極大概率穿透地表植被，獲取海量的地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。作為近幾年發(fā)展起來的激光LiDAR技術(shù)，無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)是一種主動(dòng)式遙感技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的機(jī)載激光LiDAR技術(shù)具有價(jià)格低、操作方便等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在電力巡檢、高精度DEM制作等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。

發(fā)揮無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)在空間三維數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢，本文提出將不動(dòng)產(chǎn)測繪與無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)相結(jié)合，以廣州市某不動(dòng)產(chǎn)測繪項(xiàng)目為例開展相關(guān)試驗(yàn)。本文對(duì)基于無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)在不動(dòng)產(chǎn)測繪中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索，并對(duì)無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR不動(dòng)產(chǎn)測繪成果的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明：基于無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)的不動(dòng)產(chǎn)測繪具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)處理便捷、成果生產(chǎn)周期短、項(xiàng)目投入小等優(yōu)勢，是對(duì)測繪新技術(shù)與測繪項(xiàng)目結(jié)合的一種有益探索。

1.無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成與原理

機(jī)載LiDAR掃描系統(tǒng)是繼以GPS為代表的測繪技術(shù)以來的又一場測繪技術(shù)革命，目前常用的無人機(jī)機(jī)載激光Li-DAR系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為GNSS系統(tǒng)、INS系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)[3]，使用無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)可以主動(dòng)式獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)并能夠制作生成高精度DEM數(shù)據(jù)。通過多種子系統(tǒng)集成的無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)可發(fā)射激光脈沖至被掃描物體表面，通過激光脈沖傳播速度、傳播時(shí)間以及掃描角度計(jì)算得到被掃描物體表面三維坐標(biāo)信息。作為當(dāng)今攝影測量與遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的對(duì)地觀測系統(tǒng)，無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)在進(jìn)行地表影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)僅需少量或者不需要地面控制點(diǎn)。同時(shí)，無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)是目前唯一能夠?qū)ι指采w區(qū)地面高程進(jìn)行測定的技術(shù)。

在數(shù)據(jù)層面上，無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)分為兩個(gè)部分：（1）通過隨機(jī)攜帶的CCD相機(jī)獲取的地表影像數(shù)據(jù)；（2）通過GNSS動(dòng)態(tài)差分技術(shù)以及測距、測角獲取地表精確的具有三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)的原理如圖1所示，通過GNSS定位激光器位置、INS系統(tǒng)得到激光發(fā)射方向、激光掃描角度，準(zhǔn)確計(jì)算每一個(gè)地面光斑的三維點(diǎn)云坐標(biāo)。

圖1 無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)原理

1.2 無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)誤差來源

無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)在進(jìn)行外業(yè)作業(yè)過程中，由于受自身以及環(huán)境影響，會(huì)產(chǎn)生多種誤差[4]，主要的誤差源包括：

（1）安置誤差。安置誤差包括兩個(gè)部分：姿態(tài)誤差是指激光掃描儀與IMU系統(tǒng)相對(duì)安置姿態(tài)誤差；位置誤差是指IMU系統(tǒng)中心與激光掃描儀中心安置位置偏移誤差。

（2）IMU中心位置偏移誤差。IMU中心位置偏移誤差由時(shí)間同步誤差引起。

（3）測姿誤差與定位誤差。測姿誤差是指IMU系統(tǒng)測定激光掃描儀姿態(tài)角的誤差；定位誤差是指GNSS系統(tǒng)中心與IMU系統(tǒng)中心的偏移誤差。

（4）激光掃描儀測量誤差。激光掃描儀測量誤差包括測角、測距誤差。

2.無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)測繪

將無人機(jī)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)測繪的主要作業(yè)步驟為實(shí)地踏勘、航線規(guī)劃、外業(yè)影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、地面控制測量、點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)處理、地物要素采集、地籍圖編繪以及精度檢驗(yàn)等[5]，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)不動(dòng)產(chǎn)測繪技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目中使用科衛(wèi)泰六旋翼無人機(jī)作為航攝平臺(tái)，搭載華測導(dǎo)航AS900-HL激光LiDAR測量系統(tǒng)以及索尼微單相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采集地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)以及POS數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)。在地面使用GNSS-RTK技術(shù)采集基站數(shù)據(jù)以及檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中基站數(shù)據(jù)用于后差分POS數(shù)據(jù)解算，檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)用于評(píng)價(jià)點(diǎn)云精度。考慮到無人機(jī)的續(xù)航能力、照片重疊率以及激光對(duì)植被穿透率較多等因素，無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置的參數(shù)為：航向重疊度為60%，旁向重疊度為80%，相對(duì)航高為120 m。通過實(shí)地進(jìn)行無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR數(shù)據(jù)采集可實(shí)現(xiàn)測區(qū)地形數(shù)據(jù)全覆蓋。

2.2 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要是使用POS數(shù)據(jù)對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到具有真實(shí)三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波等后處理。POS數(shù)據(jù)解算軟件為Inertial Explore軟件，首先在Inertial Explore軟件中新建項(xiàng)目工程，將外業(yè)采集IMU數(shù)據(jù)、移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)加載至項(xiàng)目工程中，經(jīng)組合導(dǎo)航解算得到飛行軌跡數(shù)據(jù)。飛行軌跡數(shù)據(jù)解算完成后，對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括IMU處理狀態(tài)、姿態(tài)與位置精度、處理精度報(bào)告等，解算結(jié)果無誤后將飛行軌跡文件輸出。

針對(duì)無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理分為三個(gè)步驟，分別為點(diǎn)云融合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與點(diǎn)云精處理，其中點(diǎn)云融合在HGO軟件中完成，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在Ztpointprocess軟件中完成，點(diǎn)云精處理在TerraSolid軟件中完成。在Ztpointprocess軟件中加載飛行軌跡數(shù)據(jù)與原始點(diǎn)云rxp數(shù)據(jù)，通過設(shè)置系統(tǒng)檢校參數(shù)將原始rxp數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成具有真實(shí)三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云格式為通用的LAS格式。最后，將LAS格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載至TerraSolid軟件中進(jìn)行點(diǎn)云濾波、去除噪聲點(diǎn)等精處理，其中以120°掃描角度進(jìn)行濾波，對(duì)經(jīng)處理后的點(diǎn)云質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要檢查項(xiàng)為：

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否將整個(gè)測區(qū)覆蓋完整。

（2）航帶之間是否有漏洞以及重疊率是否滿足要求（不小于50%）。

（3）航帶拼接誤差是否符合數(shù)據(jù)處理要求（航帶拼接誤差要小于0.5 m，大于0.5 m需要重新解算）。

對(duì)于影像數(shù)據(jù)的處理，將飛行軌跡數(shù)據(jù)與原始影像數(shù)據(jù)加載至Pix4dmapper軟件中進(jìn)行處理，制作正射影像圖。

2.3 地籍圖編繪

使用清華山維EPS軟件作為地籍圖編繪軟件，將符合生產(chǎn)條件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)加載至清華山維測圖軟件中。其中三維窗口顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)，二維窗口顯示正射影像數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行矢量地物的繪制。地物矢量提取完成后，根據(jù)各要素以及地物的符號(hào)嚴(yán)格按照?qǐng)D示規(guī)定進(jìn)行編輯處理，得到最終不動(dòng)產(chǎn)測繪成果。

3.工程應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況與數(shù)據(jù)采集

為了在保證不動(dòng)產(chǎn)測繪成果精度的前提下提高整體作業(yè)效率，本文結(jié)合廣州市某不動(dòng)產(chǎn)測量項(xiàng)目，開展基于無人機(jī)載激光LiDAR技術(shù)的不動(dòng)產(chǎn)測繪試驗(yàn)。該不動(dòng)產(chǎn)測量項(xiàng)目測區(qū)面積約為1.25 km2，地形以平地、丘陵為主，測區(qū)內(nèi)地物有建筑物、道路、植被等，種類豐富。使用多旋翼飛行平臺(tái)搭載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測區(qū)數(shù)據(jù)采集，共航飛4個(gè)架次，每架次飛行時(shí)間約20 min。

3.2 成果處理

按照前文的設(shè)計(jì)技術(shù)路線，將采集完成的外業(yè)數(shù)據(jù)加載至數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的處理，其中解算得到測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與正射影像數(shù)據(jù)加載至繪圖軟件中進(jìn)行地籍圖測制。

圖3 試驗(yàn)區(qū)無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR掃描數(shù)據(jù)

3.3 精度檢測

為了對(duì)本文基于無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)的不動(dòng)產(chǎn)測繪的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，使用傳統(tǒng)高精度檢驗(yàn)點(diǎn)采集技術(shù)在測區(qū)內(nèi)均勻采集檢驗(yàn)點(diǎn)檢測成果精度。將采集檢測點(diǎn)坐標(biāo)與無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)成圖的圖上坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算地物點(diǎn)平面絕對(duì)位置中誤差。通過高精度統(tǒng)計(jì)方法對(duì)成果精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本次試驗(yàn)中共隨機(jī)抽取248個(gè)地物點(diǎn)進(jìn)行成果平面絕對(duì)位置精度檢測，精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不動(dòng)產(chǎn)測繪成果平面絕對(duì)位置精度統(tǒng)計(jì)

使用手持測距儀測量地物點(diǎn)間距的方式對(duì)地物點(diǎn)平面位置相對(duì)精度進(jìn)行檢測。將測量地物點(diǎn)間距與基于無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)成圖成果中同名點(diǎn)間距進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得到地物點(diǎn)平面相對(duì)位置中誤差，同樣使用高精度統(tǒng)計(jì)方法對(duì)成果精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在測區(qū)內(nèi)均勻采集152條邊長進(jìn)行平面相對(duì)位置精度統(tǒng)計(jì)，相對(duì)位置精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不動(dòng)產(chǎn)測繪成果平面相對(duì)位置精度統(tǒng)計(jì)

通過表1、表2可知：地物點(diǎn)平面絕對(duì)位置檢測中誤差為0.033 m，滿足不動(dòng)產(chǎn)測繪規(guī)范中規(guī)定的中誤差小于0.05 m的精度要求，粗差率為1.2%，滿足粗差率在5%以內(nèi)的精度要求；地物點(diǎn)平面相對(duì)位置檢測中誤差為0.029 m，滿足不動(dòng)產(chǎn)測繪規(guī)范中規(guī)定的中誤差小于0.05 m的精度要求，粗差率為2.6%，滿足粗差率在5%以內(nèi)的精度要求。通過對(duì)基于無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR不動(dòng)產(chǎn)測繪成果的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，將無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)測繪是切實(shí)可行的。

3.4 無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR不動(dòng)產(chǎn)測繪技術(shù)特點(diǎn)

使用無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)要素采集時(shí)，可以對(duì)建筑物進(jìn)行任意高度切片，房屋邊界以三維激光點(diǎn)的形式呈現(xiàn)，便于作業(yè)員的判斷。由于墻面沒有凹凸，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的矢量數(shù)據(jù)精度更高。另外，使用無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)測繪時(shí)，其作業(yè)時(shí)間不受限制，白天、夜晚均可進(jìn)行航飛數(shù)據(jù)采集，同時(shí)不需要布設(shè)像控點(diǎn)，可大大降低外業(yè)工作量、節(jié)約人力成本。

4.結(jié)束語

結(jié)合無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，本文將該技術(shù)應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)測繪項(xiàng)目試驗(yàn)中，全面描述了無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)的組成部分、技術(shù)原理以及誤差來源。相比于傳統(tǒng)大型機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)，無人機(jī)機(jī)載激光Li－DAR系統(tǒng)能夠進(jìn)行全天候、高精度地表三維數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)獲取，具有廣泛的應(yīng)用前景。將無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)應(yīng)用于廣州市某不動(dòng)產(chǎn)測繪項(xiàng)目試驗(yàn)中，對(duì)無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)測繪的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索與分析，并對(duì)成果數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)精度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明：基于無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)的不動(dòng)產(chǎn)測繪成果滿足成圖成果精度要求。利用無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)測繪可在保證成果精度的前提下大大降低外業(yè)工作量，節(jié)約人力成本，在傳統(tǒng)技術(shù)手段測量困難的密集區(qū)域具有巨大優(yōu)勢。但是無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR系統(tǒng)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)存在續(xù)航時(shí)間短、荷載受限等問題，對(duì)于大面積長續(xù)航作業(yè)存在一定難度。因此，針對(duì)續(xù)航短、荷載有限等現(xiàn)實(shí)性問題的解決對(duì)于提高無人機(jī)機(jī)載激光LiDAR技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。