地面LIDAR在地籍測量中的應用

賈娜娜+魏建新

摘要：隨著科學技術的不斷發(fā)展與完善，三維激光雷達技術在地籍測量中得到廣泛應用。為了更加完善地籍測繪任務，使用地面激光雷達系統(tǒng)對新疆伊犁地區(qū)進行地籍測量，通過實例操作，并進行精度驗證，最終得到較傳統(tǒng)測量更加客觀的效果，為地籍測量提出了一種更加方便、高效率、高精準的測量方法。

關鍵詞：地面激光雷達；點云數(shù)據(jù)；地籍測量；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：P271 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2605-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.002

Abstract： With the continuous development and improvement of science and technology， the 3D laser radar technology in the cadastral survey is widely used. In order to be more perfect cadastral surveying and mapping tasks， this article USES the ground laser radar system in xinjiang ili region for cadastral survey， through the instance， and the precision verification， get more objective than traditional measurement effect， put forward a more convenient for cadastral survey， high efficiency， high precision of a measurement method.

Key words： ground laser radar； point cloud data； cadastral surveying； data processing

隨著高科技術的快速發(fā)展，地籍測量的發(fā)展經(jīng)歷了多次技術革新，而現(xiàn)階段的地籍測量也多與現(xiàn)代技術相結合。目前，地籍測量領域中應用到的新技術主要包括電磁感應測量法、雷達探地測量、GIS等高新技術[1]，這些技術共同組成了現(xiàn)階段地籍測繪體系。采用高端科學技術手段輔助地籍調查，可以更加準確快捷地完成土地調查工作[2]。這些高新技術在地籍測繪體系中發(fā)揮著重要作用，激光雷達系統(tǒng)就是其中的代表，這給中國地籍測繪工作的發(fā)展帶來了很大契機。

近年來，激光雷達已成為測繪領域中的一個新的研究熱點，這一高新技術在地籍測繪中發(fā)揮著重要作用[3]。激光雷達技術可為空間三維信息數(shù)據(jù)的獲取提供全新的技術手段，采用非接觸式主動測量方法，快速采集、獲取目標物高分辨率數(shù)據(jù)以及空間三維坐標數(shù)據(jù)。本研究主要介紹了地面激光雷達的基本原理、系統(tǒng)特點及應用領域，并將其技術成功應用于新疆伊犁地區(qū)霍城縣地籍測量中。通過實踐表明激光雷達技術能夠成功應用在地籍測繪中，并可顯著提高地籍測繪的效率與精度。

1 激光雷達系統(tǒng)介紹

激光雷達（Light Detection and Ranging，LIDAR）是近幾十年來攝影測量和遙感領域最具革命性的成就之一，也是繼GPS全球定位系統(tǒng)之后又一項嶄新的革命性測量工具[4]。激光雷達技術是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間坐標的主動遙感技術，激光雷達按照不同的運載平臺可以分為地基LIDAR、機載LIDAR及星載LIDAR。

1.1 地面激光雷達

地面激光雷達是一種集成了多種高新技術，采用非接觸高速激光測量方式，利用激光束對掃描物體進行大面積、高速度、高精度、大密度掃描[5]，以點云的形式獲取被測目標物的三維坐標及復雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)的一種新型測量設備。其中，被激光束掃描經(jīng)過的位置均以三維點的形式被記錄下來，測量得到的目標每個反射點的相對坐標數(shù)據(jù)被稱為點云數(shù)據(jù)。

1）地面激光雷達的構造組成。地面三維激光掃描儀主要由掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)三部分構成，其中核心是掃描系統(tǒng)，其組成部分主要包括激光測距系統(tǒng)、激光測角系統(tǒng)、CCD相機和儀器控制校正系統(tǒng)等。激光發(fā)射裝置激發(fā)射出激光束，激光束通過旋轉反光鏡反射，從發(fā)射窗口射出之后在空間范圍內進行掃描，與之發(fā)生接觸的位置或物體均以三維空間坐標點的形式記錄下來。

2）地面激光雷達的測量定位原理。地面激光雷達主要通過儀器自身發(fā)射激光束到旋轉式鏡頭中心，鏡頭通過快速而有序地旋轉將激光依次掃過被測區(qū)域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，根據(jù)光束的飛行時間可計算出激光光斑與掃描儀兩者之間的距離[6]。與此同時，儀器通過內置角度測量系統(tǒng)來測量每一激光束的水平角與豎直角，進而獲得每一個掃描點在掃描儀所定義坐標系內的X、Y、Z坐標值[7]。并將其錄入存儲設備予以記錄儲存。從而能夠精確、快速地獲取高精度、實時的三維點云數(shù)據(jù)。

1.2 激光雷達技術特點

1）非接觸主動式工作。地面激光雷達在獲取點云數(shù)據(jù)時不需與測量對象發(fā)生直接接觸，便可快速獲取真實準確的目標物點云數(shù)據(jù)[8]，可以很好地解決不宜接觸目標的測量與數(shù)據(jù)上的誤差問題。

2）獲取數(shù)據(jù)速度較快。地面激光掃描儀能在短時間內獲取大量空間目標的三維數(shù)據(jù)，目前脈沖式掃描速度已經(jīng)達到30萬/S，相位式掃描速度已經(jīng)達到96萬/S[9]。這一特點給野外數(shù)據(jù)的采集帶來極大方便。

3）數(shù)據(jù)信息豐富。獲取的數(shù)據(jù)包含物體表面精細信息，根據(jù)點云數(shù)據(jù)密度高的特性，獲得高清晰度信息。也可對表面復雜的物體進行測量，最終實現(xiàn)對目標物體的精細化測量。

1.3 LIDAR應用領域

近年來，激光雷達技術已成功運用到各領域，如測量、林業(yè)調查、數(shù)字建設、工程設計、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、交通、城市規(guī)劃和城市三維建模、災害監(jiān)測和遺產(chǎn)記錄等領域。

1）測量方面中的應用。在基礎測繪工作中，激光雷達可以獲取高密度、高精度的點云數(shù)據(jù)，以記錄被測物體的表面三維信息，通過數(shù)據(jù)加工和處理，以獲取高精度的DEM產(chǎn)品。相較于傳統(tǒng)的測繪技術手段具有顯著的優(yōu)勢。

2）林業(yè)調查中的應用。在林業(yè)調查工作中，使用激光雷達采集的三維點云數(shù)據(jù)同航拍影像的結合，可以提取更多樹木信息，也用于森林區(qū)域水平的重建。

3）在數(shù)字建設方面的應用。通過激光雷達對地面建筑物進行多角度的掃描，可以快速獲取城市中各類建筑物的三維點云數(shù)據(jù)[4]。借助三維點云數(shù)據(jù)具有高精度、真三維、可測量等特點，進行數(shù)字城市的建設，以此創(chuàng)建的三維模型具有更逼真的效果和更精準的尺寸比例。

4）在農(nóng)業(yè)方面的應用。利用自動化三維激光掃描系統(tǒng)鑒定分析作物表型，具有巨大的潛在優(yōu)勢，這樣可以大幅度降低人力投入，能夠節(jié)約大量的人力和時間，并大大增加試驗數(shù)據(jù)的客觀性。

2 地面激光雷達在地籍測量中的應用

地籍是為土地稅收、土地產(chǎn)權保護、利用規(guī)劃及日常管理等方面順利進行的服務基礎[10]。從新中國成立以來，中國地籍工作就受到了國家的高度重視。20世紀80年代改革開放以來，中國地籍工作得到快速發(fā)展。在此期間，國家也先后出臺并完善了地籍的一些相關政策及地籍調查的技術規(guī)范、規(guī)程、規(guī)定和數(shù)據(jù)庫建設標準，并且統(tǒng)一了地籍測繪成圖結果的數(shù)據(jù)標準。

地籍測繪是地籍調查過程中最核心的部分，是以權屬調查為依據(jù)，進行獲取和表達地籍信息所進行的一項測繪工作。地籍測量成果是土地登記的依據(jù)[11]。地籍測繪的核心內容是房屋界址點的確定與測定宗地面積與邊界。

地籍測量發(fā)展到今天，經(jīng)歷了多次技術革新。地籍測繪的方法從最傳統(tǒng)的配合測量儀器（如皮尺、經(jīng)緯儀等）用紙、圖進行記錄完成野外調查這一方法，發(fā)展到航空攝影立體測量。盡管航空攝影立體測量在地籍測繪上有較為明顯的優(yōu)勢，但由于地籍調查工作對地籍界址點精度要求較高，航空攝影立體測量很難從立體像上直接獲取界址點坐標等，這給測圖增加了很大的工作量。而近年來，國內所開展的地籍測量工作大多是全國性的測繪任務，并且地籍數(shù)據(jù)具有法律效力，對數(shù)據(jù)精度要求高，同步變更需及時。地面激光雷達點云數(shù)據(jù)具有現(xiàn)勢性較強、掃描對象完整、測量范圍容易控制等眾多特點，作為主要數(shù)據(jù)源進行地籍調查具有巨大優(yōu)勢。因此將地面激光雷達應用在地籍調查中，可大大縮小地籍調查的周期性。隨著高科技術的快速發(fā)展，激光雷達高新技術在攝影測量領域應用廣泛。目前，激光雷達技術是測繪領域眾多測繪方法中最全面、最精確的技術手段。

2.1 地面激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

2.1.1 前期準備 ①測區(qū)資料搜集。測區(qū)資料主要包括測區(qū)的航拍或衛(wèi)星影像及地形圖等。同時需很好地了解當?shù)貧夂驓庀笮畔?，調查測區(qū)內的道路分布以及地表地物分布狀況，從而確定測站點的架設方式。②掃描線路初期設計。初步設計測區(qū)的掃描線路，線路的設計主要依據(jù)測區(qū)覆蓋完整、測站點分布均勻、測量站移動站便捷且路徑不重復等規(guī)則選擇合適位置布設測站點、標靶及控制點。并將設定好的掃描路線以及站點分布標識于地形圖或遙感影像圖上，實地踏勘檢查站點設置以及線路的設定是否合理高效。③測區(qū)實地踏勘。工作開始前，根據(jù)測區(qū)的道路狀況進行實地踏勘，實地踏勘是極為關鍵的一個環(huán)節(jié)。通過在測區(qū)內進行實地探訪，根據(jù)測區(qū)的道路狀況對掃描線路進行修正，根據(jù)地物的分布疏密以及重要性掃描對象的位置合理規(guī)劃掃描站點的分布。

2.1.2 規(guī)劃作業(yè)方案 根據(jù)項目要求對掃描作業(yè)制定方案，基于實地踏勘的情況，對初期設定的掃描線路進行調整與修改，實現(xiàn)在符合作業(yè)規(guī)則的前提下合理分布站點，根據(jù)地物的分布情況確定掃描模式。并依據(jù)預定的站點數(shù)以及掃描模式估計工作量。在完成以上工作之后，開始依據(jù)方案開展數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

2.1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集 ①檢查數(shù)據(jù)獲取設備。數(shù)據(jù)采集之前，首先需要試運行整個系統(tǒng)，檢查數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)存儲是否正常，標靶數(shù)量是否匹配、檢查點云數(shù)據(jù)和二維影像是否能準確匹配等。②數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)規(guī)劃作業(yè)方案，采用“基站點+測站點”的方法，進行轉掃測量。即通過在已知控制點上架設三維激光掃描儀為基站點，同時在與另一測站點相互通視的已知控制點上架設標靶（記為標靶點），根據(jù)測量物體的特征，對三維激光掃描儀按一定的參數(shù)進行設置后采集被測物體點云數(shù)據(jù)；在點云數(shù)據(jù)中找到標靶點的位置并對標靶進行精細掃描，最終獲得后視點標靶的相對坐標[12]。③數(shù)據(jù)質量檢查。對當日掃描數(shù)據(jù)備份存儲之后，進行粗拼接檢驗，通過對全局數(shù)據(jù)拼合效果的檢查，確定測區(qū)內關鍵地物是否覆蓋完全，是否有漏測空洞，點云密度是否符合后期處理需求等。通過檢查，對點云數(shù)據(jù)獲取不理想的區(qū)域，通過調整局部掃描精度重新掃描，直到符合標準再進行下一個區(qū)域的掃描測量。④數(shù)據(jù)補測。對于質量不達標的測量數(shù)據(jù)，需要進行加站補測作業(yè)。補測主要針對數(shù)據(jù)點密度不足以反映被測物體所關注的細節(jié)以及存在數(shù)據(jù)空洞的情況分別在原來站點處進行加密掃描與尋找區(qū)域內的制高點進行補站測量。

2.2 地面激光雷達數(shù)據(jù)內業(yè)處理流程

內業(yè)數(shù)據(jù)處理是對外業(yè)數(shù)據(jù)采集的所有數(shù)據(jù)進行處理，主要內容包括點云數(shù)據(jù)拼接及坐標轉換、地籍要素繪制、圖廓整飾、數(shù)據(jù)檢驗及精度驗證等。

1）坐標系轉換。由于地面激光雷達數(shù)據(jù)的采集過程是單站逐個掃描的形式，每一測站獲取的點云數(shù)據(jù)均有獨立的掃描儀坐標系（SOCS），為了得到完整的目標數(shù)據(jù)，必須將每一個測站的點云轉換到同一個坐標系統(tǒng)之內[13]。在數(shù)據(jù)采集完成之后，在點云工作站中需要進行工程級別的單站數(shù)據(jù)之間的拼接處理，將整個的掃描區(qū)域歸一到統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)之下，即工程坐標系（PRCS）。經(jīng)過拼接之后，工程坐標系下的所有單站之間具有準確的相對位置關系，通過全局配準將所有的三維坐標點轉換到地理坐標系下，即全局坐標系（GLCS），以便準確實現(xiàn)實景照片和點云數(shù)據(jù)的匹配。

2）數(shù)據(jù)拼接。點云拼接的過程主要包括兩個環(huán)節(jié)，首先進行手動粗拼接，在要進行拼接處理的相鄰兩站點之間，通過手動尋找同名點對來解算轉換矩陣SOP，獲得一個較好的初始相對位置。然后在此基礎上，通過迭代最近點算法（Iterate Closest Points）進行自動精確拼接，從而達到不同站點之間的點云的精細拼合。

3）地籍要素繪制。首先根據(jù)點云三維顯示的俯視投影圖，勾勒出研究區(qū)各線狀地物的輪廓。采取人機交互的操作，在南方CASS軟件中進行地籍要素的提取、屬性編輯和修飾等地籍要素矢量數(shù)據(jù)。

4）圖廓整飾。通過選擇不同的視圖模式來判斷界址點和邊界的位置信息，用點云工作站的測圖模塊提取界址點。最終完成在點云數(shù)據(jù)基礎上的地籍圖的繪制。

3 實際應用

基于中國正在開展的全國地籍調查項目的實施，本研究選擇以新疆伊犁地區(qū)霍城縣為試驗區(qū)進行地籍調查，該試驗區(qū)能夠很好地反映出中國西北地區(qū)農(nóng)村居住特點。研究區(qū)地處伊犁河谷的開闊地帶，農(nóng)村居住房屋建筑具有時間較長、宅基地較為集中，建筑物不規(guī)則等特點。利用地面激光雷達技術對該地區(qū)進行地籍測量，快速獲取被測物體的空間三維坐標數(shù)據(jù)及各地籍要素，并同步拍攝實景照片，真實再現(xiàn)所測對象的三維立體景觀[14]，通過照片信息獲取建筑結構、街道名等信息，為地籍圖的繪制做準備。

首先根據(jù)規(guī)劃方案掃描研究區(qū)，獲得被測區(qū)的三維點云數(shù)據(jù)圖（圖1），可以清晰地看出房屋的邊界、農(nóng)用地、道路等要素，并且通過不同角度的旋轉清楚的確定房屋腳點以及界址點、特征線等。

掃描工作結束后，內業(yè)人員通過人機交互的作業(yè)方式，將點云導入點云工作站中，根據(jù)點云三維顯示的投影圖（圖2），依據(jù)地籍測繪規(guī)范在南方CASS軟件中進行矢量數(shù)據(jù)的提取，得到地籍要素的矢量數(shù)據(jù)并進行屬性編輯和修飾等（圖3）。通過選擇不同的視圖模式來判斷界址點和邊界的位置信息，用點云工作站的測圖模塊提取界址點。最終完成在點云數(shù)據(jù)基礎上的地籍圖的繪制。

在地籍要素獲取過程中，對復雜地段隱蔽的界址點，提取困難以及有部分激光雷達無法采集到的區(qū)域，將在后期使用GPS-RTK或全站儀測量方式進行人工實地補測。最終綜合激光雷達獲取的數(shù)據(jù)與補測數(shù)據(jù)共同完成地籍成圖。

4 試驗結果評估與精度驗證

在完成全測區(qū)的測量成圖之后，利用全站儀進行了點位的核查，顯示RTK檢測點與點云檢測點（圖4），將全站儀精確測量的點位與地面激光雷達獲取的對應點的坐標進行精度的檢查和對比，采用解析法根據(jù)坐標得到點位中誤差（表1）。

《地籍調查規(guī)程》表明，地籍測量的允許限差在15 cm以內。從統(tǒng)計結果可以得到，在點位的實際檢查過程中選取的部分數(shù)據(jù)精度誤差完全符合《地籍調查規(guī)程》解析界址點的精度要求。試驗證明，地面激光雷達測量系統(tǒng)點云的精度能夠滿足地籍測量的測圖精度。采用地面激光雷達測量系統(tǒng)進行地籍測量這一方法是可行的。

5 展望

通過使用地面激光雷達系統(tǒng)作業(yè)方式，對新疆伊犁某農(nóng)村進行試驗。經(jīng)過解算得出精確的數(shù)據(jù)信息，并在點云的基礎上完成界址點選取、界址線界定及宗地邊界的提取等工作。分析可知，激光雷達技術具有明顯的優(yōu)勢，能夠快速獲取地籍測量所需的信息，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)同時入庫。通過驗證采用激光雷達進行地籍測量這一方法具有很高的可行性。

激光雷達技術作為一種新型的測量技術，可以快速獲取全面的空間三維信息，為常規(guī)傳統(tǒng)的測量帶來了新的突破。至目前為止，國內所進行的地籍測繪工作都是在二維地籍的基礎上開展的，但隨著城市的快速發(fā)展和土地的集約、節(jié)約利用，迫使其向立體化方面發(fā)展[15]。三維地籍必將成為今后地籍管理工作的發(fā)展方向。根據(jù)激光雷達目前的發(fā)展趨勢來看，激光雷達技術必將在地籍測繪領域發(fā)揮越來越重要的作用。

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