機載LiDAR測量系統(tǒng)在“房地一體”農村不動產權籍調查中的應用

謝秀媛

（廣東泊銳數創(chuàng)空間有限公司，廣東 惠州 516006）

1 引言

傳統(tǒng)的房地測量方式作業(yè)周期長、外業(yè)強度大[1]、人員投入密集，工作進展易受外界因素影響，且傳統(tǒng)作業(yè)模式生產的數據成果為二維形式，難以對三維空間不動產信息進行精細化、準確化、直觀化管理。將機載LiDAR 測量系統(tǒng)應用到“房地一體”農村不動產權籍調查項目中，既可以直接基于三維模型采集內業(yè)數據，又可使用直觀的三維底圖開展外業(yè)權屬調查，能夠為“房地一體”農村不動產權籍調查項目提供高效、便捷的作業(yè)模式。

2 機載LiDAR 測量系統(tǒng)

2.1 機載LiDAR 測量系統(tǒng)原理

機載LiDAR 測量系統(tǒng)由空中測量平臺、激光掃描儀、全景相機（CCD）、衛(wèi)星/慣性導航系統(tǒng)（GNSS/INS）、同步存儲控制系統(tǒng)等組成（如圖1 所示），空中測量平臺以中低空飛行器為主，常用的有固定翼飛機、無人機和直升機等。機載激光掃描儀與地面三維激光掃描儀相似，其通過高速激光掃描測量的方法，按照激光測距的原理，獲取被測物體表面大量密集點云數據和反射率等屬性數據和信息[2]。

圖1 機載LiDAR測量系統(tǒng)作業(yè)示意圖

機載LiDAR 測量系統(tǒng)的原理為：系統(tǒng)通過同步控制各個組件獲取定位信息，同時進行數據采集，其中，GNSS 系統(tǒng)可以快速獲取瞬時位置信息，INS 系統(tǒng)可以獲取瞬時的姿態(tài)及速度信息，利用GNSS 地面基站、移動GNSS、INS 系統(tǒng)、精密數據處理軟件，聯合進行POS 解算，可生成高精度的位置及速度信息[3]。機載LiDAR 測量系統(tǒng)通過對地面目標主動發(fā)射高頻率的激光脈沖，直接獲取目標物體表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，高精度POS 軌跡結合激光數據可生成帶有絕對坐標的激光點云成果[4]；同時，CCD 系統(tǒng)獲得的影像數據經過POS 處理后，影像帶有絕對坐標，將其RGB 屬性信息賦值到區(qū)域內的激光點云中，即可得到真實色彩的點云數據成果，基于這些數據信息即可快速重建出被測區(qū)域內的三維模型及各種圖件數據。

2.2 機載LiDAR 測量系統(tǒng)應用優(yōu)勢

機載LiDAR 測量系統(tǒng)作為一種新興的測繪技術，具有較大的應用優(yōu)勢。

（1）主動式探測，制約因素少

通過主動發(fā)射激光脈沖，獲取探測目標反射回來的信號，并處理得到地面目標的空間信息，具有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢。

（2）獲取空間信息速度快、效率高，作業(yè)安全

通過飛行器的飛行和激光脈沖的掃描完成探測工作，在短時間內獲取大區(qū)域、大范圍的地表空間信息，工作效率較高。利用無人機等飛行器進行探測，可以對危險區(qū)域進行作業(yè)，作業(yè)安全得到保障。

（3）對植被具有一定的穿透作用

機載LiDAR 測量系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力[5]，可以在一定程度上減少植被遮擋等造成的信息損失，獲取真實的地形數據。

（4）精度高

機載LiDAR 測量系統(tǒng)能夠快速獲取大范圍地面物體的空間坐標，且獲取的坐標具有較高的精度，在1km 的飛行高度下，獲取的點云數據平面精度可以達到0.1 ～0.5m，高程精度能夠達到分米級精度。

（5）提供的信息豐富

機載LiDAR 測量系統(tǒng)不僅能夠解算地面物體的三維空間坐標，同時可以記錄地面目標的強度信息[6]，部分LiDAR 系統(tǒng)還能夠記錄回波次數信息，豐富的信息為LiDAR 數據的使用提供了更多的可能性。

3 工程實例

3.1 工程概況

某“房地一體”農村不動產權籍調查項目需進行不動產權籍調查測繪工作。測區(qū)位于惠州市郊某鎮(zhèn)，以丘陵地貌為主，地勢復雜、植被茂密、交通不便，高程在75 ～105m 之間，面積約14.4km2?？紤]到應用常規(guī)測量方法難度較大，因此使用無人機載LiDAR 測量系統(tǒng)進行作業(yè)。

3.2 數據獲取

采用華測P580 無人機平臺搭載AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統(tǒng)，獲取目標區(qū)域內激光點云及影像數據。AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統(tǒng)集成了激光掃描系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)（包括全球定位系統(tǒng)GNSS 和慣性導航儀IMU）、控制單元。系統(tǒng)輕量化設計，重量3.2kg，數據采集速度達10 萬點/秒，其設計最大測距250m、測量精度15mm、重復精度為10mm。

參照測區(qū)地形地貌及建筑物、植被覆蓋等情況，結合機載LiDAR 測量系統(tǒng)的特點，在保證安全飛行的前提下，制定本次任務的飛行路線規(guī)劃圖（如圖2 所示）和飛行參數。設計相對起飛點航高為120m、飛行速度為7.5m/s、航向間距60m，共設計30 條水平航帶和2條垂直航帶。結合空域及天氣因素，共飛行兩個架次，完成了測區(qū)的全部數據采集任務，總飛行用時為4 小時58 分。數據采集完成后，點云數據量為35.66GB，獲取影像共5998 張，對數據進行完整性檢查，確保采集數據完全覆蓋測區(qū)、無大面積遺漏。

圖2 飛行路線規(guī)劃圖

3.3 數據處理

數據處理主要有POS 數據解算、點云數據融合、數據采集、調繪與地籍圖編繪四個步驟。

（1）POS 數據解算

運用GPS 差分及慣性定位后處理軟件進行PPK 后差分解算POS 數據，POS 解算采用基站數據和移動站GPS 數據和IMU 數據進行組合解算，并輸出點云融合階段需要使用的高精度定位定姿數據。POS 解算操作主要包括基站數據預處理和軌跡解算兩部分，將基站原始數據轉換為相應格式，然后將移動站的數據與處理之后的基站數據進行組合解算，得到高精度定位定姿數據和航線軌跡，同時導出高精度相機照片的外方位元素。

（2）點云數據融合

將解算后的POS 定位定姿數據與掃描儀原始數據經時間同步后，生成帶有絕對坐標的點云數據，融合后的點云數據是后續(xù)數據采集測圖的基礎。圖3 為通過解算并且上色融合后得到的點云數據成果，經處理后得到的點云密度約為750 pt/m2。

圖3 點云數據成果

（3）數據采集

數據采集基于三維立體環(huán)境下進行測圖，同步加載點云數據、正射影像數據，按照先整體后局部的原則，通過二三維窗口聯動進行地物采集。由于機載點云數據密度有限，考慮點云數據不能夠準確覆蓋所有建筑物角點位置成果，對于建筑物使用打點交會法進行采集，在建筑物底部墻面上以三點確定一條直線，兩點連線另外一點作為檢核，與臨面線相交確定建筑物腳點位置[7]。此方法能精確地按照點云成果進行制圖，避免產生較大誤差。對于地形和一些線狀地物采集，使用DOM 輔助點云數據進行。對于高程數據，在三維模型上通過賦點的方式可獲取相應位置的高程坐標值。

（4）調繪與地籍圖編繪

點云數據采集完成后獲得地籍圖初步成果，進行外業(yè)綜合補測與調繪，調繪前對通過點云采集得到的矢量數據進行檢查，使用直觀的三維模型底圖進行外業(yè)權屬調查。調繪完成后再進行內業(yè)數據編輯，添加屬性數據即完成地籍圖的編繪整飾工作。圖4 為經過外業(yè)調繪與內業(yè)數據編輯的部分測區(qū)1∶1000地籍圖。

圖4 部分測區(qū)地籍圖

3.4 精度統(tǒng)計

以中誤差作為精度指標對機載LiDAR 測量系統(tǒng)采集的點云數據質量進行分析評價，在測區(qū)范圍內均勻選取一些特征點，如房屋角點、圍墻拐點、地面標示線或井蓋中心，使用GNSS-RTK 和全站儀采集特征點的平面坐標和高程，將實測的坐標數據與從點云數據中量測的坐標進行比對。本項目共選取100 個特征點進行檢測，統(tǒng)計結果如表1 所示。

通過表1 的數據統(tǒng)計得出，利用機載LiDAR 測量系統(tǒng)采集的點云數據的平面中誤差為±3.63 cm，高程中誤差為±4.49 cm，能夠滿足《地籍測量規(guī)范》（CH 5002-94）中的二級界址點的精度要求。

表1 點云數據精度統(tǒng)計

3.5 效率統(tǒng)計

利用機載LiDAR 測量系統(tǒng)完成本次不動產權籍調查測繪工作后，將其與傳統(tǒng)測繪方法進行了效率比較，結果如表2 所示。

表2 生產效率統(tǒng)計

從表2 可以看出，機載LiDAR 測量系統(tǒng)的生產效率比傳統(tǒng)測繪方法提高了10 倍以上，應用效果顯著。

4 結束語

基于機載LiDAR 測量系統(tǒng)開展“房地一體”農村不動產權籍調查，有效提高了測繪內外業(yè)的工作效率和成圖質量，且成果精度完全符合相關規(guī)范的要求。隨著LiDAR 設備越來越小型化，其搭載的載體將會更加豐富?；诙嗥脚_的LiDAR 測量系統(tǒng)都已面世[8]，隨著新型基礎測繪的開展，LiDAR 測量系統(tǒng)將在全要素測繪生產中大展身手，具有廣闊的應用前景。