三維LiDAR激光掃描技術(shù)在不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中的應(yīng)用

于俊紅 張 寧 呂 悅

(山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司, 山東 煙臺 264670)

0 引言

建立不動產(chǎn)統(tǒng)一登記制度是國務(wù)院機(jī)構(gòu)改革和職能轉(zhuǎn)變的重大舉措。不動產(chǎn)權(quán)籍,即不動產(chǎn)測繪檔案與登記檔案的合稱,對不動產(chǎn)的權(quán)利狀況、自然狀況等事項(xiàng)進(jìn)行調(diào)查與記錄[1-2]。不動產(chǎn)測繪是不動產(chǎn)登記的重要組成部分,建立健全的不動產(chǎn)測繪制度,才能推進(jìn)不動產(chǎn)統(tǒng)一的工作進(jìn)度。不動產(chǎn)登記時,快速、高效、準(zhǔn)確地獲取大比例尺地籍、地形圖及房產(chǎn)分層分戶圖一直是測繪領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問題。激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，LiDAR)測量技術(shù)是從20世紀(jì)中后期逐步發(fā)展起來的一門新技術(shù),可用于地球科學(xué)和行星科學(xué)等許多領(lǐng)域[3-4]。LiDAR技術(shù)具有高精度、高效率等顯著優(yōu)勢[5-6],車載移動LiDAR激光點(diǎn)云測量技術(shù)作為一種先進(jìn)的測量手段,國內(nèi)對其在不動產(chǎn)測繪方面做了很多研究。本文以太倉市農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍確權(quán)登記發(fā)證項(xiàng)目為背景,以車載LiDAR激光點(diǎn)云移動測量系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集工具,通過實(shí)際的生產(chǎn)項(xiàng)目,對利用車載移動測量技術(shù)生產(chǎn)的地籍圖及房產(chǎn)平面圖進(jìn)行了研究并取得一定成果,為今后利用移動測量技術(shù)進(jìn)行不動產(chǎn)測繪提供了相關(guān)依據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

1 移動測量LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 項(xiàng)目背景

基于太倉市農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查與數(shù)據(jù)庫建設(shè)需要,需對農(nóng)村房屋進(jìn)行地籍測繪及房產(chǎn)測繪。該市部分地區(qū)已測地籍圖,地籍圖精度10 cm左右,不能滿足房屋調(diào)查要求,需進(jìn)行全部入戶測量,起初采用傳統(tǒng)全球?qū)崟r動態(tài)定位系統(tǒng)(Global Positioning System-Real Time Kinematic,GPS-RTK)+全站儀作業(yè)方式。由于該市農(nóng)村房屋主要是別墅+輔助房,房屋造型較為復(fù)雜。傳統(tǒng)測量方式平均每戶需要采集平均30個實(shí)測點(diǎn)。每天平均測量15戶左右。按照此作業(yè)方式無法滿足甲方要求短時間內(nèi)完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作和項(xiàng)目工期要求,故選用車載移動LiDAR測量技術(shù)進(jìn)行不動產(chǎn)測量。

1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前,需要設(shè)計(jì)好作業(yè)方案,主要確定掃描路線、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)基準(zhǔn)站架設(shè)位置及掃描時間。首先,根據(jù)作業(yè)區(qū)影像地圖和移動測量車的掃描距離設(shè)計(jì)作業(yè)路線,要求行駛路線必須覆蓋全測區(qū),而且為了使測量結(jié)果滿足地籍圖精度要求,根據(jù)LiDAR激光掃描設(shè)備性能,測量車行駛路線需設(shè)計(jì)在目標(biāo)物體100 m范圍內(nèi)。其次,根據(jù)設(shè)計(jì)的行駛路線,確定GPS基準(zhǔn)站架設(shè)位置,根據(jù)設(shè)備性能,需保證基站在移動測量車10 km范圍內(nèi)[7]。最后,為了確保測量數(shù)據(jù)的完整性和任務(wù)順利進(jìn)行,盡量選擇道路上人員和車輛較少的時間進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時,數(shù)據(jù)采集是很重要的一個環(huán)節(jié),它直接關(guān)系到最后創(chuàng)建出的三維模型質(zhì)量。要想獲得精確并且冗余度低的數(shù)據(jù),必須減少在掃描過程中人為引入的誤差。需按照外業(yè)掃描方案設(shè)計(jì)的路線和時間進(jìn)行掃描,獲取測區(qū)的點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)[8]。測量過程中車速保持30 km/h左右,對于環(huán)境較為復(fù)雜地區(qū),車輛無法駛?cè)?可以采用背包加電瓶車模式作業(yè)。車輛行駛的同時記錄下行駛的軌跡。作業(yè)完成后,通過對照軌跡和規(guī)劃路線檢查車輛是否按設(shè)計(jì)的路線行駛,以確保掃描數(shù)據(jù)的正確性。

1.4 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

機(jī)載LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只有通過后續(xù)處理才能轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。數(shù)據(jù)處理流程包括航帶拼接、點(diǎn)云分幅、點(diǎn)云濾波、精細(xì)化濾波、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和等高線生成等[9]。LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要分為點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成及點(diǎn)云濾波處理兩部分進(jìn)行。

1.4.1LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成

將GPS數(shù)據(jù)測量車行駛軌跡與激光掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,根據(jù)激光測量原理得到點(diǎn)云數(shù)據(jù),獲得有精確位置信息的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),包括三維坐標(biāo)(x、y、z)和激光反射強(qiáng)度(intensity)。

1.4.2點(diǎn)云濾波處理

采用Trimble RealWorks點(diǎn)云后處理軟件處理,首先對噪聲點(diǎn)的消除,與目標(biāo)主體無關(guān)的部分也視為噪聲一并去除。然后由于原始點(diǎn)云密度過大,增加了數(shù)據(jù)量,數(shù)據(jù)需要簡化,進(jìn)行點(diǎn)云過濾,本次隨機(jī)抽取80%點(diǎn)云。其次進(jìn)行路面、樹冠自動提取過濾。最后進(jìn)行手工過濾無用數(shù)據(jù)。

1.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)

從外業(yè)獲取的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中抽取部分有代表性的不同區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行外業(yè)全站儀打點(diǎn)檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),一般農(nóng)村地區(qū)信號較好,精度與全站儀數(shù)據(jù)基本相吻合,滿足地籍測量及房產(chǎn)測量要求。個別信號較弱地區(qū),房屋出現(xiàn)整體偏移現(xiàn)象,房屋邊長符合精度要求。經(jīng)過已知點(diǎn)校正,可以滿足不動產(chǎn)測量要求。利用點(diǎn)云作業(yè),外業(yè)測檢查點(diǎn)是很重要的環(huán)節(jié)。

2 點(diǎn)云成圖方法

2.1 點(diǎn)云作圖

MicroStation V8是由美國的 Bentley工程軟件系統(tǒng)有限公司開發(fā)的一款計(jì)算機(jī)繪圖軟件[10]。LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理好之后,導(dǎo)入MicroStation V8三維CAD基礎(chǔ)軟件作圖。

2.1.1地籍圖制作

作圖時房屋拐點(diǎn)未掃描到或者點(diǎn)數(shù)量不達(dá)標(biāo)時,采用軟件倒角功能,求出拐點(diǎn)坐標(biāo)。在數(shù)據(jù)采集時,要注意房檐邊線與房屋邊線不要混淆。作圖完成后,將三維(three-dimensional， 3D)圖形轉(zhuǎn)換成二維(two-dimensional，2D)格式,另存為常用DWG(DraWinG，文件擴(kuò)展名)格式,方便數(shù)據(jù)編輯入庫。根據(jù)當(dāng)?shù)胤课萏攸c(diǎn)內(nèi)業(yè)作業(yè)人員作圖平均40戶/天。

2.1.2房產(chǎn)圖制作

地籍圖外業(yè)檢測合格后,房產(chǎn)圖根據(jù)地籍圖進(jìn)行分層處理。在分層處理的過程中,需要參照外業(yè)調(diào)查照片。主要識別陽臺、走廊是封閉還是開放狀態(tài),來判斷面積計(jì)算全面積還是半面積。按要求處理好分層之后,通過軟件批量生成房屋調(diào)查表及房屋分層分戶圖。

2.2 精度檢測

經(jīng)外業(yè)檢查核實(shí)發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域精度不太穩(wěn)定。經(jīng)反復(fù)研究分析發(fā)現(xiàn),作業(yè)環(huán)境較為空曠,交通條件便利地區(qū),采用車載雷達(dá)掃描精度在2～5 cm,滿足精度要求。交通不便地區(qū)采用摩托車背包掃描,受人為、信號等因素影響相對位置精度整體偏移10 cm左右,但房屋邊長精度中誤差±3 cm左右滿足房屋邊長精度要求,通過檢測點(diǎn)進(jìn)行矯正可以滿足不動產(chǎn)測量要求。

2.3 傳統(tǒng)作業(yè)方式與LiDAR點(diǎn)云作業(yè)方式效率對比

2.3.1傳統(tǒng)作業(yè)方式

(1)RTK布設(shè)圖根點(diǎn)。(2)全站儀野外數(shù)據(jù)采集。(3)內(nèi)業(yè)作圖。(4)外業(yè)質(zhì)量檢查。

2.3.2LiDAR激光點(diǎn)云作業(yè)方式

(1)測量車野外數(shù)據(jù)采集。(2)內(nèi)業(yè)作圖。(3)外業(yè)質(zhì)量檢查。

具體作業(yè)方式對比如表1所示。

表1 作業(yè)方式對比表

經(jīng)過兩種作業(yè)方式對比發(fā)現(xiàn),點(diǎn)云作圖省略布設(shè)圖根點(diǎn)工序,外業(yè)數(shù)據(jù)采集是傳統(tǒng)作業(yè)方式的幾十倍效率(如圖1所示)。內(nèi)業(yè)作圖效率基本一致,外業(yè)檢查方面點(diǎn)云作圖較傳統(tǒng)作業(yè)方式效率低一些。

圖1 傳統(tǒng)與點(diǎn)云作業(yè)方式直方圖

3 結(jié)束語

如今的測繪工程技術(shù)在科技技術(shù)輔助下,發(fā)展趨勢良好,帶動企業(yè)發(fā)展。利用各種測繪工程技術(shù)進(jìn)行不動產(chǎn)測量,不僅能保證相關(guān)數(shù)據(jù)的精確性,還能有效降低測量成本,使不動產(chǎn)管理工作更加順利。今后的新技術(shù)、新方法及高端科技必定成為測繪行業(yè)主流,測繪地理信息行業(yè)要轉(zhuǎn)型升級,把握市場動態(tài),為測繪事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。

LiDAR激光點(diǎn)云在項(xiàng)目作業(yè)過程中存在問題:(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集原始文件過大,處理數(shù)據(jù)對內(nèi)存及硬件要求較高。(2)外業(yè)數(shù)據(jù)采集復(fù)雜地形時,信號不穩(wěn)定,容易造成點(diǎn)云重影。(3)電腦配置高低直接影響點(diǎn)云內(nèi)業(yè)作圖工作效率。

LiDAR激光點(diǎn)云改進(jìn)措施:(1)優(yōu)化硬盤存儲空間和數(shù)據(jù)傳輸方式。(2)優(yōu)化測量車行駛路線,對復(fù)雜區(qū)域重點(diǎn)外業(yè)質(zhì)量檢查。