地面LIDAR在地籍測量中的應用

賈娜娜+魏建新

摘要：隨著科學技術的不斷發展與完善，三維激光雷達技術在地籍測量中得到廣泛應用。為了更加完善地籍測繪任務，使用地面激光雷達系統對新疆伊犁地區進行地籍測量，通過實例操作，并進行精度驗證，最終得到較傳統測量更加客觀的效果，為地籍測量提出了一種更加方便、高效率、高精準的測量方法。

關鍵詞：地面激光雷達；點云數據；地籍測量；數據處理

中圖分類號：P271 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2605-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.002

Abstract： With the continuous development and improvement of science and technology， the 3D laser radar technology in the cadastral survey is widely used. In order to be more perfect cadastral surveying and mapping tasks， this article USES the ground laser radar system in xinjiang ili region for cadastral survey， through the instance， and the precision verification， get more objective than traditional measurement effect， put forward a more convenient for cadastral survey， high efficiency， high precision of a measurement method.

Key words： ground laser radar； point cloud data； cadastral surveying； data processing

隨著高科技術的快速發展，地籍測量的發展經歷了多次技術革新，而現階段的地籍測量也多與現代技術相結合。目前，地籍測量領域中應用到的新技術主要包括電磁感應測量法、雷達探地測量、GIS等高新技術[1]，這些技術共同組成了現階段地籍測繪體系。采用高端科學技術手段輔助地籍調查，可以更加準確快捷地完成土地調查工作[2]。這些高新技術在地籍測繪體系中發揮著重要作用，激光雷達系統就是其中的代表，這給中國地籍測繪工作的發展帶來了很大契機。

近年來，激光雷達已成為測繪領域中的一個新的研究熱點，這一高新技術在地籍測繪中發揮著重要作用[3]。激光雷達技術可為空間三維信息數據的獲取提供全新的技術手段，采用非接觸式主動測量方法，快速采集、獲取目標物高分辨率數據以及空間三維坐標數據。本研究主要介紹了地面激光雷達的基本原理、系統特點及應用領域，并將其技術成功應用于新疆伊犁地區霍城縣地籍測量中。通過實踐表明激光雷達技術能夠成功應用在地籍測繪中，并可顯著提高地籍測繪的效率與精度。

1 激光雷達系統介紹

激光雷達（Light Detection and Ranging，LIDAR）是近幾十年來攝影測量和遙感領域最具革命性的成就之一，也是繼GPS全球定位系統之后又一項嶄新的革命性測量工具[4]。激光雷達技術是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間坐標的主動遙感技術，激光雷達按照不同的運載平臺可以分為地基LIDAR、機載LIDAR及星載LIDAR。

1.1 地面激光雷達

地面激光雷達是一種集成了多種高新技術，采用非接觸高速激光測量方式，利用激光束對掃描物體進行大面積、高速度、高精度、大密度掃描[5]，以點云的形式獲取被測目標物的三維坐標及復雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數據的一種新型測量設備。其中，被激光束掃描經過的位置均以三維點的形式被記錄下來，測量得到的目標每個反射點的相對坐標數據被稱為點云數據。

1）地面激光雷達的構造組成。地面三維激光掃描儀主要由掃描系統、控制系統和電源系統三部分構成，其中核心是掃描系統，其組成部分主要包括激光測距系統、激光測角系統、CCD相機和儀器控制校正系統等。激光發射裝置激發射出激光束，激光束通過旋轉反光鏡反射，從發射窗口射出之后在空間范圍內進行掃描，與之發生接觸的位置或物體均以三維空間坐標點的形式記錄下來。

2）地面激光雷達的測量定位原理。地面激光雷達主要通過儀器自身發射激光束到旋轉式鏡頭中心，鏡頭通過快速而有序地旋轉將激光依次掃過被測區域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，根據光束的飛行時間可計算出激光光斑與掃描儀兩者之間的距離[6]。與此同時，儀器通過內置角度測量系統來測量每一激光束的水平角與豎直角，進而獲得每一個掃描點在掃描儀所定義坐標系內的X、Y、Z坐標值[7]。并將其錄入存儲設備予以記錄儲存。從而能夠精確、快速地獲取高精度、實時的三維點云數據。

1.2 激光雷達技術特點

1）非接觸主動式工作。地面激光雷達在獲取點云數據時不需與測量對象發生直接接觸，便可快速獲取真實準確的目標物點云數據[8]，可以很好地解決不宜接觸目標的測量與數據上的誤差問題。

2）獲取數據速度較快。地面激光掃描儀能在短時間內獲取大量空間目標的三維數據，目前脈沖式掃描速度已經達到30萬/S，相位式掃描速度已經達到96萬/S[9]。這一特點給野外數據的采集帶來極大方便。

3）數據信息豐富。獲取的數據包含物體表面精細信息，根據點云數據密度高的特性，獲得高清晰度信息。也可對表面復雜的物體進行測量，最終實現對目標物體的精細化測量。

1.3 LIDAR應用領域

近年來，激光雷達技術已成功運用到各領域，如測量、林業調查、數字建設、工程設計、農業、礦業、交通、城市規劃和城市三維建模、災害監測和遺產記錄等領域。

1）測量方面中的應用。在基礎測繪工作中，激光雷達可以獲取高密度、高精度的點云數據，以記錄被測物體的表面三維信息，通過數據加工和處理，以獲取高精度的DEM產品。相較于傳統的測繪技術手段具有顯著的優勢。

2）林業調查中的應用。在林業調查工作中，使用激光雷達采集的三維點云數據同航拍影像的結合，可以提取更多樹木信息，也用于森林區域水平的重建。

3）在數字建設方面的應用。通過激光雷達對地面建筑物進行多角度的掃描，可以快速獲取城市中各類建筑物的三維點云數據[4]。借助三維點云數據具有高精度、真三維、可測量等特點，進行數字城市的建設，以此創建的三維模型具有更逼真的效果和更精準的尺寸比例。

4）在農業方面的應用。利用自動化三維激光掃描系統鑒定分析作物表型，具有巨大的潛在優勢，這樣可以大幅度降低人力投入，能夠節約大量的人力和時間，并大大增加試驗數據的客觀性。

2 地面激光雷達在地籍測量中的應用

地籍是為土地稅收、土地產權保護、利用規劃及日常管理等方面順利進行的服務基礎[10]。從新中國成立以來，中國地籍工作就受到了國家的高度重視。20世紀80年代改革開放以來，中國地籍工作得到快速發展。在此期間，國家也先后出臺并完善了地籍的一些相關政策及地籍調查的技術規范、規程、規定和數據庫建設標準，并且統一了地籍測繪成圖結果的數據標準。

地籍測繪是地籍調查過程中最核心的部分，是以權屬調查為依據，進行獲取和表達地籍信息所進行的一項測繪工作。地籍測量成果是土地登記的依據[11]。地籍測繪的核心內容是房屋界址點的確定與測定宗地面積與邊界。

地籍測量發展到今天，經歷了多次技術革新。地籍測繪的方法從最傳統的配合測量儀器（如皮尺、經緯儀等）用紙、圖進行記錄完成野外調查這一方法，發展到航空攝影立體測量。盡管航空攝影立體測量在地籍測繪上有較為明顯的優勢，但由于地籍調查工作對地籍界址點精度要求較高，航空攝影立體測量很難從立體像上直接獲取界址點坐標等，這給測圖增加了很大的工作量。而近年來，國內所開展的地籍測量工作大多是全國性的測繪任務，并且地籍數據具有法律效力，對數據精度要求高，同步變更需及時。地面激光雷達點云數據具有現勢性較強、掃描對象完整、測量范圍容易控制等眾多特點，作為主要數據源進行地籍調查具有巨大優勢。因此將地面激光雷達應用在地籍調查中，可大大縮小地籍調查的周期性。隨著高科技術的快速發展，激光雷達高新技術在攝影測量領域應用廣泛。目前，激光雷達技術是測繪領域眾多測繪方法中最全面、最精確的技術手段。

2.1 地面激光雷達系統數據采集與處理

2.1.1 前期準備 ①測區資料搜集。測區資料主要包括測區的航拍或衛星影像及地形圖等。同時需很好地了解當地氣候氣象信息，調查測區內的道路分布以及地表地物分布狀況，從而確定測站點的架設方式。②掃描線路初期設計。初步設計測區的掃描線路，線路的設計主要依據測區覆蓋完整、測站點分布均勻、測量站移動站便捷且路徑不重復等規則選擇合適位置布設測站點、標靶及控制點。并將設定好的掃描路線以及站點分布標識于地形圖或遙感影像圖上，實地踏勘檢查站點設置以及線路的設定是否合理高效。③測區實地踏勘。工作開始前，根據測區的道路狀況進行實地踏勘，實地踏勘是極為關鍵的一個環節。通過在測區內進行實地探訪，根據測區的道路狀況對掃描線路進行修正，根據地物的分布疏密以及重要性掃描對象的位置合理規劃掃描站點的分布。

2.1.2 規劃作業方案 根據項目要求對掃描作業制定方案，基于實地踏勘的情況，對初期設定的掃描線路進行調整與修改，實現在符合作業規則的前提下合理分布站點，根據地物的分布情況確定掃描模式。并依據預定的站點數以及掃描模式估計工作量。在完成以上工作之后，開始依據方案開展數據采集作業。

2.1.3 外業數據采集 ①檢查數據獲取設備。數據采集之前，首先需要試運行整個系統，檢查數據獲取與數據存儲是否正常，標靶數量是否匹配、檢查點云數據和二維影像是否能準確匹配等。②數據獲取。根據規劃作業方案，采用“基站點+測站點”的方法，進行轉掃測量。即通過在已知控制點上架設三維激光掃描儀為基站點，同時在與另一測站點相互通視的已知控制點上架設標靶（記為標靶點），根據測量物體的特征，對三維激光掃描儀按一定的參數進行設置后采集被測物體點云數據；在點云數據中找到標靶點的位置并對標靶進行精細掃描，最終獲得后視點標靶的相對坐標[12]。③數據質量檢查。對當日掃描數據備份存儲之后，進行粗拼接檢驗，通過對全局數據拼合效果的檢查，確定測區內關鍵地物是否覆蓋完全，是否有漏測空洞，點云密度是否符合后期處理需求等。通過檢查，對點云數據獲取不理想的區域，通過調整局部掃描精度重新掃描，直到符合標準再進行下一個區域的掃描測量。④數據補測。對于質量不達標的測量數據，需要進行加站補測作業。補測主要針對數據點密度不足以反映被測物體所關注的細節以及存在數據空洞的情況分別在原來站點處進行加密掃描與尋找區域內的制高點進行補站測量。

2.2 地面激光雷達數據內業處理流程

內業數據處理是對外業數據采集的所有數據進行處理，主要內容包括點云數據拼接及坐標轉換、地籍要素繪制、圖廓整飾、數據檢驗及精度驗證等。

1）坐標系轉換。由于地面激光雷達數據的采集過程是單站逐個掃描的形式，每一測站獲取的點云數據均有獨立的掃描儀坐標系（SOCS），為了得到完整的目標數據，必須將每一個測站的點云轉換到同一個坐標系統之內[13]。在數據采集完成之后，在點云工作站中需要進行工程級別的單站數據之間的拼接處理，將整個的掃描區域歸一到統一的坐標系統之下，即工程坐標系（PRCS）。經過拼接之后，工程坐標系下的所有單站之間具有準確的相對位置關系，通過全局配準將所有的三維坐標點轉換到地理坐標系下，即全局坐標系（GLCS），以便準確實現實景照片和點云數據的匹配。

2）數據拼接。點云拼接的過程主要包括兩個環節，首先進行手動粗拼接，在要進行拼接處理的相鄰兩站點之間，通過手動尋找同名點對來解算轉換矩陣SOP，獲得一個較好的初始相對位置。然后在此基礎上，通過迭代最近點算法（Iterate Closest Points）進行自動精確拼接，從而達到不同站點之間的點云的精細拼合。

3）地籍要素繪制。首先根據點云三維顯示的俯視投影圖，勾勒出研究區各線狀地物的輪廓。采取人機交互的操作，在南方CASS軟件中進行地籍要素的提取、屬性編輯和修飾等地籍要素矢量數據。

4）圖廓整飾。通過選擇不同的視圖模式來判斷界址點和邊界的位置信息，用點云工作站的測圖模塊提取界址點。最終完成在點云數據基礎上的地籍圖的繪制。

3 實際應用

基于中國正在開展的全國地籍調查項目的實施，本研究選擇以新疆伊犁地區霍城縣為試驗區進行地籍調查，該試驗區能夠很好地反映出中國西北地區農村居住特點。研究區地處伊犁河谷的開闊地帶，農村居住房屋建筑具有時間較長、宅基地較為集中，建筑物不規則等特點。利用地面激光雷達技術對該地區進行地籍測量，快速獲取被測物體的空間三維坐標數據及各地籍要素，并同步拍攝實景照片，真實再現所測對象的三維立體景觀[14]，通過照片信息獲取建筑結構、街道名等信息，為地籍圖的繪制做準備。

首先根據規劃方案掃描研究區，獲得被測區的三維點云數據圖（圖1），可以清晰地看出房屋的邊界、農用地、道路等要素，并且通過不同角度的旋轉清楚的確定房屋腳點以及界址點、特征線等。

掃描工作結束后，內業人員通過人機交互的作業方式，將點云導入點云工作站中，根據點云三維顯示的投影圖（圖2），依據地籍測繪規范在南方CASS軟件中進行矢量數據的提取，得到地籍要素的矢量數據并進行屬性編輯和修飾等（圖3）。通過選擇不同的視圖模式來判斷界址點和邊界的位置信息，用點云工作站的測圖模塊提取界址點。最終完成在點云數據基礎上的地籍圖的繪制。

在地籍要素獲取過程中，對復雜地段隱蔽的界址點，提取困難以及有部分激光雷達無法采集到的區域，將在后期使用GPS-RTK或全站儀測量方式進行人工實地補測。最終綜合激光雷達獲取的數據與補測數據共同完成地籍成圖。

4 試驗結果評估與精度驗證

在完成全測區的測量成圖之后，利用全站儀進行了點位的核查，顯示RTK檢測點與點云檢測點（圖4），將全站儀精確測量的點位與地面激光雷達獲取的對應點的坐標進行精度的檢查和對比，采用解析法根據坐標得到點位中誤差（表1）。

《地籍調查規程》表明，地籍測量的允許限差在15 cm以內。從統計結果可以得到，在點位的實際檢查過程中選取的部分數據精度誤差完全符合《地籍調查規程》解析界址點的精度要求。試驗證明，地面激光雷達測量系統點云的精度能夠滿足地籍測量的測圖精度。采用地面激光雷達測量系統進行地籍測量這一方法是可行的。

5 展望

通過使用地面激光雷達系統作業方式，對新疆伊犁某農村進行試驗。經過解算得出精確的數據信息，并在點云的基礎上完成界址點選取、界址線界定及宗地邊界的提取等工作。分析可知，激光雷達技術具有明顯的優勢，能夠快速獲取地籍測量所需的信息，實現多種數據同時入庫。通過驗證采用激光雷達進行地籍測量這一方法具有很高的可行性。

激光雷達技術作為一種新型的測量技術，可以快速獲取全面的空間三維信息，為常規傳統的測量帶來了新的突破。至目前為止，國內所進行的地籍測繪工作都是在二維地籍的基礎上開展的，但隨著城市的快速發展和土地的集約、節約利用，迫使其向立體化方面發展[15]。三維地籍必將成為今后地籍管理工作的發展方向。根據激光雷達目前的發展趨勢來看，激光雷達技術必將在地籍測繪領域發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

[1] 鄭 培.地籍測量與現代測繪新技術的精度控制[J].硅谷，2013（2）：20-21.

[2] 葉 松，曹 波，張 煜.機載激光雷達技術及其在土地調查中的應用[J].測繪通報，2010（3）：68-71.

[3] 劉慎棟.淺談新技術在地籍測繪中的應用[J].價值工程，2011（19）：164.

[4] 張 婷.土地測繪信息化技術在土地開發管理中的應用[J].科技創新與應用，2014（14）：132.

[5] 張新磊.基于地面型三維激光掃描系統的場景重建及相關應用[D].貴陽：貴州大學，2009.

[6] 邱貞生.三維激光掃描技術在礦山采空區測繪中的應用[J].福建地質，2012（1）：90-94.

[7] 王漢順.三維激光掃描技術在公路邊坡監測中的應用[J].科技與企業，2013（5）：111.

[8] 李恒星.激光雷達點云特征分析與數據分割[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[9] 戴升山，李田鳳.地面三維激光掃描技術的發展與應用前景[J].現代測繪，2009（4）：11-12，15.

[10] 劉劍飛.城鄉地籍數據集成技術研究[D].南京：南京師范大學，2008.

[11] 張攀科，裴 亮，王留召，等.車載激光掃描系統在地籍測量中的應用[J].測繪科學，2015（9）：163-166.

[12] 李 震，劉紅星.三維激光掃描儀在城市記憶工程的應用研究[J].河南水利與南水北調，2015（6）：58-60.

[13] 代世威.地面三維激光點云數據質量分析與評價[D].西安：長安大學，2013.

[14] 陶茂枕.基于BP神經網絡的三維激光掃描點云數據的濾波方法研究[D].西安：長安大學，2014.

[15] 房延偉.三維激光掃描技術在地籍測繪中的應用[D].長春：吉林大學，2013.