無人機(jī)載激光雷達(dá)在房地一體測繪中的應(yīng)用

蔣 毅 焦 洋 王勝利 王云凱

(江蘇省地質(zhì)測繪院, 江蘇 南京 210000)

0 引言

2019年中央1號文件明確指出要加快推進(jìn)宅基地使用權(quán)確權(quán)登記頒證工作,力爭2020年基本完成的要求。全國各地相繼開展農(nóng)房地一體化測繪工作,此項(xiàng)工作外業(yè)工作量大、成果精度要求高、時(shí)間進(jìn)度要求緊。采用傳統(tǒng)方法作業(yè)人力投入大,時(shí)間周期長[1],無法滿足要求。而采用無人機(jī)傾斜攝影,由于地區(qū)植被茂密遮擋嚴(yán)重,精度很難保證。為了提高效率和精度,嘗試采用無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要有無人機(jī)飛行平臺、激光掃描儀、定位與慣性測量單元以及控制單元等組成[2]。激光掃描儀具有脈沖回波次數(shù)、反射率等信息[3],很好地解決了植被遮擋問題。經(jīng)過項(xiàng)目測試充分驗(yàn)證了無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在房體一體測繪中的可行性。

1 工藝流程

1.1 儀器與軟件

(1)大黃蜂四旋翼無人機(jī)是一款高端無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)備,該無人機(jī)系統(tǒng)具有科學(xué)美觀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),高度集成化的生產(chǎn)工藝以及全自動化的飛控系統(tǒng)。具有飛行時(shí)間長、飛行姿態(tài)穩(wěn)、抗風(fēng)等級高等特點(diǎn),廣泛用于測繪、影視航拍、環(huán)境保護(hù)等應(yīng)用領(lǐng)域。大黃蜂無人機(jī)外形如圖1所示。

圖1 大黃蜂無人機(jī)

AS-900HL多平臺激光雷達(dá)系統(tǒng)具備機(jī)身輕巧可靠,結(jié)構(gòu)緊湊、性能卓越的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)激光雷達(dá)的多次回波技術(shù)可以穿透植被,具有在復(fù)雜地形條件下快速獲取高精度激光點(diǎn)云的優(yōu)點(diǎn),可以獲得復(fù)雜山區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),多平臺激光雷達(dá)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 多平臺激光雷達(dá)系統(tǒng)

CoMapping點(diǎn)云測圖系統(tǒng)主要用于在LiDAR數(shù)據(jù)上人工采集矢量數(shù)據(jù),并提供了LiDAR數(shù)據(jù)的切割、合并、分類等功能。軟件可以很方便地完成矢量要素的采集,適用于高精度地籍測繪、城市勘測設(shè)計(jì)、水利、林業(yè)等諸多領(lǐng)域。

1.2 測試流程

根據(jù)無人機(jī)激光雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn),結(jié)合房地一體測繪的技術(shù)要求,制定測試流程圖,如圖3所示。

圖3 測試流程圖

2 項(xiàng)目測試

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于南京市江寧區(qū),面積約1 km2。測區(qū)處于城郊結(jié)合區(qū),房屋集中、分布不規(guī)則,植被茂密。

2.2 生產(chǎn)試驗(yàn)

2.2.1現(xiàn)場踏勘

生產(chǎn)試驗(yàn)前,收集測區(qū)內(nèi)影像資料,初步確定飛行范圍,到實(shí)地現(xiàn)場踏勘?，F(xiàn)場踏勘主要查看試驗(yàn)區(qū)內(nèi)是否存在高壓塔、通信塔、高大建筑等影響無人機(jī)飛行安全的要素。通過現(xiàn)場踏勘明確飛行范圍、飛行路線、采集任務(wù)、起降點(diǎn)選擇、基站架設(shè)等。同時(shí),在現(xiàn)場踏勘時(shí),做好與當(dāng)?shù)刂鞴懿块T、公安部門、重點(diǎn)單位溝通協(xié)調(diào)工作。

2.2.2無人機(jī)采集

(1)基站架設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場條件,選擇合適區(qū)域架設(shè)基站?；炯茉O(shè)控制在半徑5 km范圍內(nèi),確保衛(wèi)星觀測截止高度角15°;觀測衛(wèi)星數(shù)目不小于18顆;基站采樣率設(shè)置為5 Hz;基站遠(yuǎn)離信號發(fā)射塔200 m,高壓線50 m?；炯茉O(shè)好后,采用兩次間斷測定基站大地坐標(biāo),取平均值作為基站點(diǎn)坐標(biāo)。

(2)航線規(guī)劃

在現(xiàn)場踏勘和初步線路規(guī)劃的基礎(chǔ),對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)高大地物或不確定地區(qū),采用消費(fèi)級無人機(jī)進(jìn)行高空探路,確保無人機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)的安全。在確保安全的情況下,根據(jù)房地一體測繪的成果精度要求,綜合儀器設(shè)備性能,試驗(yàn)選擇航高70 m,航線間距50 m,飛行速度6 m/s,旁向重疊率50%。

(3)數(shù)據(jù)采集

在飛行參數(shù)設(shè)置完成后,利用手持端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)置。根據(jù)設(shè)備性能參數(shù),試驗(yàn)區(qū)激光線速度設(shè)置為120 線/s,激光點(diǎn)頻設(shè)置為550 kHz，最大測距為300 m。起始角設(shè)置為106°,終止角設(shè)置為254°。

檢查無人機(jī)與激光雷達(dá)設(shè)置無誤后,為保證精度要求,起飛之前,先將無人機(jī)激光雷達(dá)靜置3 min。同時(shí),為避免IMU(慣性測量單元, Inertial Measurement Unit)誤差積累,在進(jìn)入測區(qū)上空后,飛機(jī)按“8”字形飛行,然后,再按照航線規(guī)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在經(jīng)過約20 min數(shù)據(jù)采集完成試驗(yàn)區(qū)工作。降落前做好周邊環(huán)境的觀察,確保降落安全,降落后同樣將無人機(jī)激光雷達(dá)靜置3 min。

2.2.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)采集后,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦,利用專業(yè)軟件進(jìn)行移動激光雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要分為POS(定位定姿系統(tǒng), Position and Orientation System)位置解算和點(diǎn)云解算兩個(gè)階段。

(1) POS位置解算

將基站數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)(移動站GPS數(shù)據(jù)+IMU數(shù)據(jù)+里程計(jì)數(shù)據(jù))進(jìn)行組合解算,輸出高精度定位定姿數(shù)據(jù)。然后,采用 Inertial Explorer后處理軟件進(jìn)行 GNSS、INS 數(shù)據(jù)處理,獲取高精度組合導(dǎo)航信息,包括位置、速度和姿態(tài)等信息。操作步驟如圖4所示。

圖4 Inertial Exploer后處理操作步驟示意圖

(2)點(diǎn)云解算

無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)記錄了各個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù),必須將這些數(shù)據(jù)根據(jù)測量模型(各個(gè)傳感器的時(shí)序和位置參數(shù))進(jìn)行配準(zhǔn)與融合,才能還原出被測目標(biāo)的三維幾何空間坐標(biāo)和屬性。利用專業(yè)軟件將無人機(jī)載激光掃描系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,生成點(diǎn)云文件,形成可供其他系列軟件進(jìn)行后續(xù)處理的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集的激光點(diǎn)云坐標(biāo)均為WGS84橢球下的經(jīng)緯度和橢球高,對應(yīng)的投影坐標(biāo)也是高斯3°帶投影坐標(biāo)。

(3)點(diǎn)云精度檢查

為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量,對試驗(yàn)區(qū)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)行精度驗(yàn)證。并選取點(diǎn)云中對應(yīng)控制點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo),由于試驗(yàn)區(qū)無人機(jī)載受信號干擾較小,點(diǎn)云質(zhì)量無明顯分層,點(diǎn)云厚度控制基本在5 cm之內(nèi),根據(jù)分析點(diǎn)云精度可以達(dá)到房地一體測繪要求。

2.2.4基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)測圖

通過檢查的點(diǎn)云數(shù)據(jù),按照地籍測圖的要求,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CoMapping矢量測圖軟件格式,加載數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為了達(dá)到房地一體的精度,采集時(shí)不斷調(diào)整點(diǎn)云高程切片,直至房屋邊點(diǎn)云數(shù)據(jù)清晰進(jìn)行采集,采集效率和精度較高。當(dāng)房屋的個(gè)別邊線或房角看不清時(shí),采用按邊采集方式,在不確定的房角處做好標(biāo)記,返回外業(yè)核查。

2.2.5外業(yè)補(bǔ)測勘丈

按照房地一體的要求,將內(nèi)業(yè)測好圖進(jìn)行回放,外業(yè)人員對每一條房邊進(jìn)行外業(yè)勘丈,并對內(nèi)業(yè)認(rèn)定不清的,進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)測。同時(shí),檢查圖面有無其他遺漏和錯(cuò)誤的地方一并修改。

2.2.6精度分析

試驗(yàn)區(qū)任務(wù)完成后,采用人工檢查核對和人機(jī)交互檢查相結(jié)合的方式對試驗(yàn)區(qū)的測圖成果質(zhì)量進(jìn)行檢測[5],主要是驗(yàn)證間距精度和點(diǎn)位精度是否滿足房體一精度要求。

(1)間距精度。根據(jù)外業(yè)勘丈的距離與內(nèi)業(yè)出圖標(biāo)注距離驗(yàn)證,大部分邊長都在1～2 cm,間距精度達(dá)到1.5 cm。滿足房地一體測繪要求。

(2)點(diǎn)位精度。將全部成果完成后,按照精度統(tǒng)計(jì)的要求,從試點(diǎn)區(qū)域隨機(jī)選取100個(gè)宗地,實(shí)地采集房角點(diǎn)進(jìn)行精度分析。通過對外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)上所采集到的圖形數(shù)據(jù)的對比分析[4],采用數(shù)據(jù)抽檢的手段,用人工檢查核對和人機(jī)交互檢查相結(jié)合的方式對試驗(yàn)區(qū)的測圖成果質(zhì)量進(jìn)行檢測[5]。本次精度檢測共抽取宗地100個(gè),界址點(diǎn)215個(gè),其中粗差點(diǎn)個(gè)數(shù)為3個(gè),中誤差0.035 m。從測試精度分析結(jié)果看,此次測試區(qū)域成果符合房地一體測繪要求。

(3)精度驗(yàn)證結(jié)論。通過試驗(yàn)區(qū)精度驗(yàn)證分析來看,雖然,無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)近年來在遙感與測繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6],從垂直、傾斜等不同角度采集影像[7],其能獲取地面物體全方位的數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理生成影像為實(shí)景三維影像[8]。但面對高密度覆蓋的植被地區(qū),無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)在植被覆蓋區(qū)域優(yōu)勢更為明顯[9],有效地解決無人機(jī)傾斜攝影的測圖精度不足,同時(shí)又能比傳統(tǒng)方法大幅度提高效率。由于其每一架次數(shù)據(jù)由基站坐標(biāo)解算,其自成剛體,間距精度可以得到有效控制[10]。

3 結(jié)束語

本文通過四旋翼無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用CoMapping矢量測圖軟件,完成了房地一體化測繪生產(chǎn)試驗(yàn)任務(wù)。經(jīng)過生產(chǎn)試驗(yàn)形成的無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)生產(chǎn)流程,不但能滿足間距精度位精度要求,而且其多次回波技術(shù)可以有效穿透植被,有效解決了傳統(tǒng)方法和傾斜攝影方法植被遮擋和覆蓋度的問題。通過外業(yè)勘丈和補(bǔ)測來看,形成的數(shù)據(jù)成果更加可靠且外業(yè)修改量小,大大提高了外業(yè)工作效率和數(shù)據(jù)精度。根據(jù)此次項(xiàng)目生產(chǎn)1 km2中共涉及農(nóng)戶800多戶統(tǒng)計(jì),利用無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行房地一體測繪,效率比傳統(tǒng)方法提高50%。無人機(jī)載激光雷達(dá)在效率、精度、成本和工期等方面都有著明顯的優(yōu)勢。