機(jī)載LiDAR測量系統(tǒng)在“房地一體”農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中的應(yīng)用

謝秀媛

（廣東泊銳數(shù)創(chuàng)空間有限公司，廣東 惠州 516006）

1 引言

傳統(tǒng)的房地測量方式作業(yè)周期長、外業(yè)強(qiáng)度大[1]、人員投入密集，工作進(jìn)展易受外界因素影響，且傳統(tǒng)作業(yè)模式生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果為二維形式，難以對三維空間不動產(chǎn)信息進(jìn)行精細(xì)化、準(zhǔn)確化、直觀化管理。將機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)應(yīng)用到“房地一體”農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目中，既可以直接基于三維模型采集內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，又可使用直觀的三維底圖開展外業(yè)權(quán)屬調(diào)查，能夠?yàn)椤胺康匾惑w”農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目提供高效、便捷的作業(yè)模式。

2 機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)

2.1 機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)原理

機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)由空中測量平臺、激光掃描儀、全景相機(jī)（CCD）、衛(wèi)星/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS/INS）、同步存儲控制系統(tǒng)等組成（如圖1 所示），空中測量平臺以中低空飛行器為主，常用的有固定翼飛機(jī)、無人機(jī)和直升機(jī)等。機(jī)載激光掃描儀與地面三維激光掃描儀相似，其通過高速激光掃描測量的方法，按照激光測距的原理，獲取被測物體表面大量密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)和反射率等屬性數(shù)據(jù)和信息[2]。

圖1 機(jī)載LiDAR測量系統(tǒng)作業(yè)示意圖

機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)的原理為：系統(tǒng)通過同步控制各個組件獲取定位信息，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中，GNSS 系統(tǒng)可以快速獲取瞬時位置信息，INS 系統(tǒng)可以獲取瞬時的姿態(tài)及速度信息，利用GNSS 地面基站、移動GNSS、INS 系統(tǒng)、精密數(shù)據(jù)處理軟件，聯(lián)合進(jìn)行POS 解算，可生成高精度的位置及速度信息[3]。機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)通過對地面目標(biāo)主動發(fā)射高頻率的激光脈沖，直接獲取目標(biāo)物體表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，高精度POS 軌跡結(jié)合激光數(shù)據(jù)可生成帶有絕對坐標(biāo)的激光點(diǎn)云成果[4]；同時，CCD 系統(tǒng)獲得的影像數(shù)據(jù)經(jīng)過POS 處理后，影像帶有絕對坐標(biāo)，將其RGB 屬性信息賦值到區(qū)域內(nèi)的激光點(diǎn)云中，即可得到真實(shí)色彩的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，基于這些數(shù)據(jù)信息即可快速重建出被測區(qū)域內(nèi)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)。

2.2 機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)作為一種新興的測繪技術(shù)，具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。

（1）主動式探測，制約因素少

通過主動發(fā)射激光脈沖，獲取探測目標(biāo)反射回來的信號，并處理得到地面目標(biāo)的空間信息，具有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢。

（2）獲取空間信息速度快、效率高，作業(yè)安全

通過飛行器的飛行和激光脈沖的掃描完成探測工作，在短時間內(nèi)獲取大區(qū)域、大范圍的地表空間信息，工作效率較高。利用無人機(jī)等飛行器進(jìn)行探測，可以對危險區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)安全得到保障。

（3）對植被具有一定的穿透作用

機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力[5]，可以在一定程度上減少植被遮擋等造成的信息損失，獲取真實(shí)的地形數(shù)據(jù)。

（4）精度高

機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)能夠快速獲取大范圍地面物體的空間坐標(biāo)，且獲取的坐標(biāo)具有較高的精度，在1km 的飛行高度下，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面精度可以達(dá)到0.1 ～0.5m，高程精度能夠達(dá)到分米級精度。

（5）提供的信息豐富

機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)不僅能夠解算地面物體的三維空間坐標(biāo)，同時可以記錄地面目標(biāo)的強(qiáng)度信息[6]，部分LiDAR 系統(tǒng)還能夠記錄回波次數(shù)信息，豐富的信息為LiDAR 數(shù)據(jù)的使用提供了更多的可能性。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某“房地一體”農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目需進(jìn)行不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪工作。測區(qū)位于惠州市郊某鎮(zhèn)，以丘陵地貌為主，地勢復(fù)雜、植被茂密、交通不便，高程在75 ～105m 之間，面積約14.4km2。考慮到應(yīng)用常規(guī)測量方法難度較大，因此使用無人機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

采用華測P580 無人機(jī)平臺搭載AS-300HL 多平臺激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，獲取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)激光點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)。AS-300HL 多平臺激光雷達(dá)測量系統(tǒng)集成了激光掃描系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)（包括全球定位系統(tǒng)GNSS 和慣性導(dǎo)航儀IMU）、控制單元。系統(tǒng)輕量化設(shè)計，重量3.2kg，數(shù)據(jù)采集速度達(dá)10 萬點(diǎn)/秒，其設(shè)計最大測距250m、測量精度15mm、重復(fù)精度為10mm。

參照測區(qū)地形地貌及建筑物、植被覆蓋等情況，結(jié)合機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)的特點(diǎn)，在保證安全飛行的前提下，制定本次任務(wù)的飛行路線規(guī)劃圖（如圖2 所示）和飛行參數(shù)。設(shè)計相對起飛點(diǎn)航高為120m、飛行速度為7.5m/s、航向間距60m，共設(shè)計30 條水平航帶和2條垂直航帶。結(jié)合空域及天氣因素，共飛行兩個架次，完成了測區(qū)的全部數(shù)據(jù)采集任務(wù)，總飛行用時為4 小時58 分。數(shù)據(jù)采集完成后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量為35.66GB，獲取影像共5998 張，對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查，確保采集數(shù)據(jù)完全覆蓋測區(qū)、無大面積遺漏。

圖2 飛行路線規(guī)劃圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要有POS 數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)采集、調(diào)繪與地籍圖編繪四個步驟。

（1）POS 數(shù)據(jù)解算

運(yùn)用GPS 差分及慣性定位后處理軟件進(jìn)行PPK 后差分解算POS 數(shù)據(jù)，POS 解算采用基站數(shù)據(jù)和移動站GPS 數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)進(jìn)行組合解算，并輸出點(diǎn)云融合階段需要使用的高精度定位定姿數(shù)據(jù)。POS 解算操作主要包括基站數(shù)據(jù)預(yù)處理和軌跡解算兩部分，將基站原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式，然后將移動站的數(shù)據(jù)與處理之后的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行組合解算，得到高精度定位定姿數(shù)據(jù)和航線軌跡，同時導(dǎo)出高精度相機(jī)照片的外方位元素。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

將解算后的POS 定位定姿數(shù)據(jù)與掃描儀原始數(shù)據(jù)經(jīng)時間同步后，生成帶有絕對坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是后續(xù)數(shù)據(jù)采集測圖的基礎(chǔ)。圖3 為通過解算并且上色融合后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，經(jīng)處理后得到的點(diǎn)云密度約為750 pt/m2。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果

（3）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集基于三維立體環(huán)境下進(jìn)行測圖，同步加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)，按照先整體后局部的原則，通過二三維窗口聯(lián)動進(jìn)行地物采集。由于機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度有限，考慮點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能夠準(zhǔn)確覆蓋所有建筑物角點(diǎn)位置成果，對于建筑物使用打點(diǎn)交會法進(jìn)行采集，在建筑物底部墻面上以三點(diǎn)確定一條直線，兩點(diǎn)連線另外一點(diǎn)作為檢核，與臨面線相交確定建筑物腳點(diǎn)位置[7]。此方法能精確地按照點(diǎn)云成果進(jìn)行制圖，避免產(chǎn)生較大誤差。對于地形和一些線狀地物采集，使用DOM 輔助點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行。對于高程數(shù)據(jù)，在三維模型上通過賦點(diǎn)的方式可獲取相應(yīng)位置的高程坐標(biāo)值。

（4）調(diào)繪與地籍圖編繪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后獲得地籍圖初步成果，進(jìn)行外業(yè)綜合補(bǔ)測與調(diào)繪，調(diào)繪前對通過點(diǎn)云采集得到的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，使用直觀的三維模型底圖進(jìn)行外業(yè)權(quán)屬調(diào)查。調(diào)繪完成后再進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯，添加屬性數(shù)據(jù)即完成地籍圖的編繪整飾工作。圖4 為經(jīng)過外業(yè)調(diào)繪與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯的部分測區(qū)1∶1000地籍圖。

圖4 部分測區(qū)地籍圖

3.4 精度統(tǒng)計

以中誤差作為精度指標(biāo)對機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析評價，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻選取一些特征點(diǎn)，如房屋角點(diǎn)、圍墻拐點(diǎn)、地面標(biāo)示線或井蓋中心，使用GNSS-RTK 和全站儀采集特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，將實(shí)測的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中量測的坐標(biāo)進(jìn)行比對。本項(xiàng)目共選取100 個特征點(diǎn)進(jìn)行檢測，統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

通過表1 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，利用機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面中誤差為±3.63 cm，高程中誤差為±4.49 cm，能夠滿足《地籍測量規(guī)范》（CH 5002-94）中的二級界址點(diǎn)的精度要求。

表1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計

3.5 效率統(tǒng)計

利用機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)完成本次不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪工作后，將其與傳統(tǒng)測繪方法進(jìn)行了效率比較，結(jié)果如表2 所示。

表2 生產(chǎn)效率統(tǒng)計

從表2 可以看出，機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)的生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)測繪方法提高了10 倍以上，應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié)束語

基于機(jī)載LiDAR 測量系統(tǒng)開展“房地一體”農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查，有效提高了測繪內(nèi)外業(yè)的工作效率和成圖質(zhì)量，且成果精度完全符合相關(guān)規(guī)范的要求。隨著LiDAR 設(shè)備越來越小型化，其搭載的載體將會更加豐富。基于多平臺的LiDAR 測量系統(tǒng)都已面世[8]，隨著新型基礎(chǔ)測繪的開展，LiDAR 測量系統(tǒng)將在全要素測繪生產(chǎn)中大展身手，具有廣闊的應(yīng)用前景。