無人機三維激光雷達技術(shù)在房地一體測量中的應(yīng)用研究

齊永波

摘要：本文以某地區(qū)“房地一體”項目測量為例，介紹了無人機三維激光雷達技術(shù)在“房地一體”測量中的應(yīng)用，其結(jié)果與RTK測量結(jié)果相比較，平面位置中誤差為±0.21m，中誤差最大值為0.27m，高程位置中誤差平均值為±0.101m，中誤差最大值為±0.158m，誤差符合測量相關(guān)規(guī)范及“房地一體”測量工作的精度需求，并表現(xiàn)出測繪時間短、采集速度快、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，應(yīng)用前景良好。

關(guān)鍵詞：三維測量；房地一體測量；點云數(shù)據(jù)

The Application of 3D Lidar Technology in the Measurement of Premises

Qi-Yongbo

Guangdong Nuclear Industry Geology Bureau 292，Heyuan 517000

Abstract： This paper introduces the application of 3D measurement technology in the integrated measurement of premises with the example of 3D measurement in a certain area，and the results are compared with the RTK measurement results，with an error of±0.21m in plane position，a maximum error of 0.27m in medium error and an elevation position. The error average is±0.101m，the maximum error is±0.158m，the error is in line with the 1/ 2000 three-dimensional measurement specifications and the precision requirements of the integrated measurement work of the premises，and shows the advantages of short mapping time，fast collection speed，good economic benefits，etc.

Keywords： 3D measurement；Integrated measurement of premises；Point cloud data

根據(jù)《國土資源部關(guān)于進一步加快宅基地和集體建設(shè)用地確權(quán)登記發(fā)證有關(guān)問題的通知》工作部署和要求，開展“房地一體”項目工作意義重大。因此，加強“房地一體”測量工作至關(guān)重要，尤其是農(nóng)村房地調(diào)查工作。由于農(nóng)村房地權(quán)籍調(diào)查工作薄弱、權(quán)屬資料不全以及農(nóng)村外業(yè)調(diào)查任務(wù)繁重等，這就要求調(diào)查技術(shù)盡可能地以現(xiàn)代化技術(shù)為主，尤其是無人機三維激光雷達技術(shù)的綜合應(yīng)用。無人機三維激光雷達系統(tǒng)可根據(jù)機載三維激光掃描測距儀、動態(tài)差分全球定位接收機以及慣性導航裝置等，可以實現(xiàn)自動獲取較高精度三維點云數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)“房地一體”測量任務(wù)。

1.工作原理

2.數(shù)據(jù)采集與處理

2.1測繪區(qū)基本概況

測區(qū)地勢自西北向東南傾斜，山地及丘陵占總面積的73%，平均海拔550m。調(diào)查區(qū)面積約240km2，涉及18個村民組，區(qū)域房地較分散，屬于典型的山地丘陵區(qū)住房特征?；谡{(diào)查區(qū)基本現(xiàn)狀及項目技術(shù)要求，選擇“圖解法+簡易法”開展該區(qū)域的“房地一體”測量工作，采用無人機型號為ARS-100無人機搭載了三維激光雷達掃描系統(tǒng)，設(shè)置飛行航線間距為200m航高為200m，掃描角度為30°，飛行速度40km/h，旁向重疊度為60%，航向重疊度為70%。為了驗證無人機三維激光雷達技術(shù)在“房地一體”測量中的精度，采用RTK技術(shù)對調(diào)查區(qū)內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣場、大壩以及道路交叉口等特征點進行測量調(diào)查，用以對比無人機三維激光雷達測量的精度，其工作流程見圖1。

2.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集是“房地一體”測量的基礎(chǔ)，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集開始之前，應(yīng)盡可能地收集測繪區(qū)域內(nèi)1∶10000區(qū)域地形圖，并收集調(diào)查區(qū)已有的房地資料信息，以googleearth平臺為基礎(chǔ)建設(shè)地形三維模型，根據(jù)地形變化特征劃分飛行子區(qū)以及確定飛行航線等參數(shù)，確定調(diào)查過程中采集點密度等參數(shù)。此外，在實地測量之前，對測量區(qū)域進行外業(yè)實地踏勘，充分了解調(diào)查區(qū)的地形地貌特征以及植被覆蓋情況，并在鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣場上假設(shè)GPS基準站，用以對機載動態(tài)差分全球定位接收機測定的三維坐標進行誤差校正。為了提高“房地一體”測量的精度，在數(shù)據(jù)采集過程中可對房地聚集區(qū)和耕地空曠區(qū)采用平行飛行和垂直交叉飛行模式，能夠有效地提高測量精度。無人機掃描過程中，操作人員要及時調(diào)整航速、行高以及飛行姿態(tài)等參數(shù)，確保所采集的數(shù)據(jù)是可靠的。每天完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，應(yīng)及時查看當天數(shù)據(jù)質(zhì)量，若質(zhì)量不符合基本要求，則需重新采集。

2.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是影響三維測量精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要包括數(shù)據(jù)的預處理、點云數(shù)據(jù)濾波處理、異常點濾波處理和地物點分類提取等幾個部分[3]。其中，點云數(shù)據(jù)的預處理是將機載中的原二進制點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準格式，并對標準格式點云數(shù)據(jù)的三維坐標與地面基準點的三維坐標進行校正處理，進而將處理好的數(shù)據(jù)進行拼接和糾正重疊帶高程；點云數(shù)據(jù)濾波處理是提高特征提取、地形重建以及DEM等產(chǎn)品精度的基礎(chǔ)，通常采用基于分割的方法、基于表面的方法、數(shù)學形態(tài)濾波法以及逐漸加密的濾波算法進行，本文在濾波處理中采用漸進窗口尺寸的數(shù)學形態(tài)學濾波算法，能夠較好的保留建筑、農(nóng)田與地形細節(jié)特征，進而提高“房地一體”測量精度；異常點濾波是以1∶10000地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立不同區(qū)塊的高程閾值以及高程差閾值，進而對新獲得的點云高程數(shù)據(jù)進行異常點篩查處理；地物分類提取主要針對地面點和非地面點，多采用漸進三角網(wǎng)濾波算法進行處理，將點云數(shù)據(jù)中的農(nóng)作物、喬木等植物與地物點進行分離。點云數(shù)據(jù)處理完成后將三維坐標信息數(shù)據(jù)導入至CASS地形地籍成圖軟件中，編輯后輸出成果圖件。

3.測量精度對比分析

3.1點云數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

其中：Z為中誤差，n為檢查點個數(shù)，Zi為地面實測點坐標，Zj為與地面實測點對應(yīng)的激光點云數(shù)據(jù)坐標。

本次選擇部分點云數(shù)據(jù)的特征值與外業(yè)RTK實測的三維坐標進行精度對比，其測量結(jié)果見表1。計算結(jié)果顯示，平面位置中誤差為±0.21m，中誤差最大值為0.27m，高程位置中誤差平均值為±0.101m，中誤差最大值為±0.158m，誤差符合1/2000測量相關(guān)規(guī)范及“房地一體”測量工作的精度需求。

4.結(jié)語

綜上所述，無人機載三維激光雷達測繪技術(shù)較傳統(tǒng)的全站儀、RTK等測繪方式具有測繪時間短、采集速度快、數(shù)據(jù)精度高、三維信息豐富、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。在當前農(nóng)房外業(yè)調(diào)查工作任務(wù)繁重、工期緊張的背景下，加強無人機載三維激光雷達系統(tǒng)在山地丘陵、農(nóng)房分散地區(qū)的“房地一體”測量工作中的應(yīng)用是必要的。

參考文獻：

[1]田奇丁，陸玉明，宗婷婷，張蓓，孫濤.基于激光雷達技術(shù)在城市三維建筑模型中的分析應(yīng)用[J].北京測繪， 2016（02）： 91-93.

[2]鄧世贊，丁青，甘明超，黃平. 1∶2000基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)在農(nóng)村房地一體調(diào)查中的應(yīng)用研究[J].測繪與空間地理信息， 2020， 43（08）： 42-45.

[3]石碩崇，李杰，唐秋華，劉森波，周興華.低空旋翼無人機載LiDAR系統(tǒng)在海島測繪中的應(yīng)用[J].海洋湖沼通報， 2019（02）： 162-170.