三維激光掃描技術(shù)在地籍測量中的應(yīng)用研究

晏 南

(山西省地質(zhì)測繪院，山西運(yùn)城 044000)

1 引 言

傳統(tǒng)地籍測量多為單點(diǎn)式測量，采用全站儀結(jié)合GNSS-RTK的測量模式，在測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行逐點(diǎn)測繪，其工作量大、作業(yè)效率低。在現(xiàn)代地籍測量中，測繪方法已經(jīng)得到了較大的提升，各類先進(jìn)的測量技術(shù)與方法已經(jīng)成功運(yùn)用到地籍測量中。隨著數(shù)字化測圖、攝影測量、無人機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，地籍測量成果精度及工作效率得到了顯著提升。

三維激光掃描技術(shù)又叫實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它可以通過極高速的激光掃描快速獲取大量高精度的空間三維坐標(biāo)[1]，然后快速利用這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)物體模型的建立。三維激光掃描技術(shù)具有尋常測量技術(shù)難以企及的優(yōu)勢，如高精度、全自動(dòng)、非接觸性、高密度、數(shù)字化、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)。因此，它又被稱為繼全球定位系統(tǒng)技術(shù)后測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命[2]。三維激光高效的地籍測量解決方案，主要是通過三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)快速完成測區(qū)房屋的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集[3]，經(jīng)過精度驗(yàn)證后，基于高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量地籍圖生產(chǎn)的綜合解決方案。

本文為避免傳統(tǒng)地籍測量過程中的諸多弊端，采用TrimbleTX8三維激光掃描儀進(jìn)行測區(qū)地籍測量的外業(yè)掃描工作，獲取測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立測區(qū)實(shí)景三維模型，并進(jìn)行精度檢校。研究結(jié)果表明，采用三維激光掃描技術(shù)，進(jìn)行測區(qū)內(nèi)的地籍測量工作，其數(shù)據(jù)成果精度完全符合規(guī)范要求。

2 三維激光掃描地籍測量

三維激光掃描外業(yè)采集數(shù)據(jù)主要有兩種方式，即任意設(shè)站掃描方式和全站儀式的根據(jù)已知點(diǎn)建站掃描方式[4]。任意設(shè)站掃描方式通常需要布設(shè)標(biāo)靶，以方便后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用標(biāo)靶進(jìn)行配準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為了方便點(diǎn)云配準(zhǔn)，標(biāo)靶布設(shè)時(shí)必須保證相鄰兩站間至少有3個(gè)公共標(biāo)靶。如果所需點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要帶絕對(duì)坐標(biāo)，還需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，要將標(biāo)靶球布設(shè)到已知點(diǎn)上，否則不需要將其布設(shè)到已知點(diǎn)上[5]。而全站儀式的掃描儀根據(jù)已知點(diǎn)建站掃描方式采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶有絕對(duì)坐標(biāo)信息，不需要進(jìn)行配準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。因此外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案的制定主要是根據(jù)現(xiàn)場情況確定控制點(diǎn)布設(shè)、標(biāo)靶點(diǎn)布設(shè)和測站點(diǎn)布設(shè)的位置[6]。

由于地籍測量過程中無法保證設(shè)站點(diǎn)為已知點(diǎn)，因此常采用任意設(shè)站掃描方式進(jìn)行地籍測量，主要工作內(nèi)容可分為3個(gè)方面，分別為點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和地籍要素提取繪制。

本文采用TrimbleTX8三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，為保證測量數(shù)據(jù)的完整性，在外業(yè)作業(yè)時(shí)，采用360°掃描模式，每個(gè)測站的掃描時(shí)間不得低于2 min，同時(shí)相鄰兩測站之間的距離需嚴(yán)格控制，轉(zhuǎn)站點(diǎn)不得少于4個(gè)，公共重疊區(qū)域不得低于30%。

由于研究區(qū)采用任意設(shè)站掃描方式進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，因此需要利用測區(qū)內(nèi)已知控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，本文對(duì)測區(qū)進(jìn)行控制測量，建立測區(qū)地籍測量控制網(wǎng)，在測塊四周不易被破壞的位置布設(shè)A4幅面的標(biāo)靶，并將其與測區(qū)控制網(wǎng)聯(lián)測，獲取標(biāo)靶中心絕對(duì)坐標(biāo)，以便后續(xù)將所測點(diǎn)云坐標(biāo)歸算至測區(qū)坐標(biāo)系下。本次掃描作業(yè)共設(shè)掃描站點(diǎn)115個(gè)，測塊四周均勻布設(shè)5個(gè)標(biāo)靶。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

在進(jìn)行實(shí)際掃描作業(yè)時(shí)，三維激光掃描儀各個(gè)掃描站所掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，均為以該設(shè)站處為原點(diǎn)的自定義坐標(biāo)系下的測區(qū)局部數(shù)據(jù)。為了得到測區(qū)范圍內(nèi)完整的地籍信息，需將所有掃描站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理[7]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接原理是通過一定的旋轉(zhuǎn)和平移，把不同坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，因此需要求得旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，以確定兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。假設(shè)A、B兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集為兩測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，現(xiàn)將坐標(biāo)系o-xyz中的A點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系O-XYZ中，兩點(diǎn)云任意公共點(diǎn)P在A點(diǎn)云中的同名點(diǎn)是Ai(x，y，z)，在B點(diǎn)云中的同名點(diǎn)是Bi(X，Y，Z)。則同名點(diǎn)應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(1)

式中，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣，λ為比例縮放系數(shù)。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)只涉及旋轉(zhuǎn)和平移，并沒有經(jīng)過縮放，是典型的剛性變換，因此λ值為1。其中：

(2)

(3)

式中：共有6個(gè)未知數(shù)，3個(gè)平移參數(shù)x0、y0、z0和3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)α、β、γ。因此要想求出這6個(gè)未知數(shù)，必須至少有6個(gè)線性方程，也就是需要至少3組不能共線的同名點(diǎn)對(duì)，才能求出這6個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)值[8]。通常情況下，為了提高轉(zhuǎn)換參數(shù)精度，工作人員盡可能多選擇幾組同名點(diǎn)對(duì)。

在地籍測量過程中，以首個(gè)掃描站為基準(zhǔn)站，將其他掃描站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)依次進(jìn)行拼接，確保相鄰兩個(gè)掃描站點(diǎn)之間的公共點(diǎn)不少于3個(gè)，使相鄰兩個(gè)掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)名相同的3組點(diǎn)對(duì)(pi,qi)滿足相同的變換矩陣T。為提高轉(zhuǎn)換精度，本次掃描過程中盡可能多設(shè)置公共點(diǎn)，以降低轉(zhuǎn)換誤差。

?piP，?qiQ,‖Tpi-q=0‖

(4)

式中：P和Q分別是相鄰兩個(gè)測站掃描的點(diǎn)云集合，pi和qi分別是點(diǎn)云集合P和Q中的某點(diǎn)。

在現(xiàn)實(shí)解算式(4)時(shí)面臨如何查找點(diǎn)對(duì)和如何求解矩陣T的問題，因此，本文用所有同名點(diǎn)匹配后的精度評(píng)估點(diǎn)云拼接的好壞，即

(5)

式中：E為拼接誤差。

3.2 測塊點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在完成各掃描站點(diǎn)之間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后，需要對(duì)拼接好的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將其歸算至測區(qū)絕對(duì)坐標(biāo)系下。測塊周邊均勻布設(shè)了5個(gè)采用測塊四周及中心的A4幅面的標(biāo)靶，并與測區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，其中心坐標(biāo)已知，測塊點(diǎn)云轉(zhuǎn)換完成后的內(nèi)符合精度如表1所示。

表1 內(nèi)符合精度Tab.1 Precisionofinnerconsistency點(diǎn)號(hào)ΔX/cmΔY/cmΔD/cm平均較差/cm中誤差/cmC101.21.2C20.70.91.1C33.10.43.1C4-0.5-0.6-0.8C51.9-1.12.21.691.80

3.3 繪制地籍圖

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完成后，需要對(duì)其進(jìn)行精簡。點(diǎn)云精簡也叫點(diǎn)云抽稀或者點(diǎn)云重采樣，實(shí)際上就是根據(jù)需求的點(diǎn)云密度對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)重新采樣，以達(dá)到消除冗余數(shù)據(jù)的目的[9]。針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡，研究人員也提出了許多算法，使得點(diǎn)云精簡過程更加簡化且高效。

在研究過程中，采用天寶點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Trimble Realworks對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡處理，對(duì)拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云抽稀處理，建立三維實(shí)景模型，采用MicrostationV8i進(jìn)行地籍要素提取工作。在Microstation軟件中，可采用點(diǎn)云切片方式獲取測區(qū)內(nèi)的界址點(diǎn)和地物特征點(diǎn)，提取界址點(diǎn)、地物點(diǎn)坐標(biāo)以及界址邊長的地籍要素，并對(duì)其進(jìn)行矢量化處理，繪制測區(qū)地籍圖。研究區(qū)局部三維實(shí)景模型及矢量化地籍成果分別如圖1和圖2所示。

圖1 研究區(qū)局部三維模型Fig.1 Local 3D model of the study area

圖2 矢量化地籍圖Fig.2 Vectorized cadastral map

4 精度評(píng)定

地籍測量是一項(xiàng)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y繪工作，其工作成果對(duì)我國的土地管理工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10]。因此，對(duì)地籍測量成果的精度有著較高的要求。采用三維激光掃描技術(shù)采集測繪研究區(qū)內(nèi)的地籍信息。為確保測繪成果的精確性，需對(duì)地籍圖的精度進(jìn)行校核。本文在測區(qū)范圍內(nèi)選取一定數(shù)量的界址點(diǎn)，采用高精度GNSS-RTK對(duì)界址點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，以RTK測量結(jié)果為真值，對(duì)三維激光掃描儀測繪成果進(jìn)行精度分析，分別從界址點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)中誤差和界址點(diǎn)間距中誤差兩個(gè)方面進(jìn)行精度評(píng)定。

4.1 精度評(píng)定方法

通過查閱GB/T 14268—2008《國家基本比例尺地形圖更新規(guī)范》、TD/T 1001—2012《地籍調(diào)查規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范，可知測區(qū)范圍內(nèi)相鄰的控制點(diǎn)或界址點(diǎn)，坐標(biāo)中誤差不應(yīng)大于5 cm，詳細(xì)信息如表2所示。

表2 界址點(diǎn)精度Tab.2 Accuracyofboundarypoints類別界址點(diǎn)相對(duì)于臨近界址點(diǎn)單位中誤差/cm中誤差允許誤差界址點(diǎn)間距允許誤差/cm一±5±10±10二±7.5±15±15

在完成測區(qū)矢量化地籍圖工作后，對(duì)地籍圖成果精度進(jìn)行分析評(píng)定，以測區(qū)內(nèi)檢核點(diǎn)坐標(biāo)值為真值，以矢量化地籍圖上與檢核點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位為測量值，分別計(jì)算各點(diǎn)位平面中誤差和高程中誤差，對(duì)矢量化地籍圖進(jìn)行構(gòu)建得到的模型進(jìn)行點(diǎn)位精度分析。中誤差計(jì)算公式如下：

(6)

式中：ΔX為平面坐標(biāo)X方向的坐標(biāo)差值，ΔY為平面坐標(biāo)Y方向的坐標(biāo)差值，ΔZ為Z方向的坐標(biāo)差值，n為測區(qū)范圍內(nèi)的檢核點(diǎn)數(shù)量。

地籍圖成果的平面位置中誤差可根據(jù)X、Y方向的中誤差進(jìn)行計(jì)算，其公式如下：

(7)

4.2 精度評(píng)定結(jié)果分析

為確保界址點(diǎn)點(diǎn)位精度檢驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，本次研究按“均勻分布”的原則，在測區(qū)范圍內(nèi)共選取200個(gè)不同地物類型的界址點(diǎn)進(jìn)行地籍圖成果精度評(píng)定。在三維激光掃描儀地籍測量成果上提取對(duì)應(yīng)的界址點(diǎn)坐標(biāo)，與GNSS-RTK測量成果進(jìn)行差值計(jì)算；同時(shí)采用全站儀、激光測距儀以及精密鋼卷尺等測繪儀器對(duì)相鄰界址點(diǎn)之間的平距進(jìn)行精確測量，取3次獨(dú)立測量結(jié)果的平均值作為真值，將其測量結(jié)果與矢量化地籍圖上量測的邊長進(jìn)行綜合比對(duì)，檢驗(yàn)矢量化地籍圖的地物相對(duì)精度。矢量化地籍圖精度檢核結(jié)果詳見圖3。其中，圖3(A)為平面位置中誤差分布圖，圖3(B)為高程中誤差變化曲線，圖3(C)為相對(duì)地物距離中誤差變化曲線。

圖3 三維激光掃描成果精度分析Fig.3 Accuracy analysis of 3D laser scanning results

通過對(duì)利用三維激光掃描技術(shù)獲得的地籍圖進(jìn)行精度評(píng)定可得，所選界址點(diǎn)的平面位置中誤差為3.62 cm，高程中誤差為4.77 cm，以及界址點(diǎn)間距的相對(duì)精度中誤差為4.18 cm，均小于5 cm，滿足GB/T 14268—2008《國家基本比例尺地形圖更新規(guī)范》、TD/1001—2012《地籍調(diào)查規(guī)程》等規(guī)定的不大于5 cm的要求。由此表明，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)測區(qū)進(jìn)行地籍信息的測繪工作，其測繪成果精度可以達(dá)到厘米級(jí)，精度較高，符合地籍測量國家標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。三維激光掃描技術(shù)為大比例尺地籍測量提供了一種高效率、高精度、高性價(jià)比的新型測試方法，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地籍測量方式的不足。

5 結(jié)束語

地籍測量作為我國土地信息管理的基礎(chǔ)性工作，其測繪成果的精確性、時(shí)效性、可視性均具有較高的要求。本文針對(duì)傳統(tǒng)地籍測量方式的工作量大、作業(yè)效率低、作業(yè)過程不具備可追溯性等弊端，采用三維激光掃描技術(shù)獲取測區(qū)范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Trimble Realworks對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用Microstation提取測區(qū)地籍要素，繪制地籍圖；并在測區(qū)內(nèi)選擇200個(gè)界址點(diǎn)作為地籍圖精度檢核點(diǎn)，利用高精度GNSS-RTK獲取檢核點(diǎn)坐標(biāo)，分析評(píng)定地籍測繪成果的平面中誤差、高程中誤差以及地物間距中誤差。經(jīng)驗(yàn)證，采用三維激光掃描技術(shù)得到的測區(qū)地籍圖，其精度滿足我國地籍測量規(guī)范要求，為我國地籍測量的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)手段，具有一定的實(shí)用價(jià)值。