輕型機載LiDAR在農(nóng)村宅基地房屋測量中的應用

楊青山，湯學才，范彬彬，許正鵬

(1. 巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規(guī)劃設(shè)計院，新疆 庫爾勒 841000； 2. 新疆巴州國源測繪規(guī)劃中心，新疆 庫爾勒 841000)

輕型機載LiDAR在農(nóng)村宅基地房屋測量中的應用

楊青山1，湯學才1，范彬彬1，許正鵬2

(1. 巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規(guī)劃設(shè)計院，新疆 庫爾勒 841000； 2. 新疆巴州國源測繪規(guī)劃中心，新疆 庫爾勒 841000)

選擇新疆焉耆縣北大渠鄉(xiāng)北大渠村房屋密集區(qū)作為研究區(qū)，通過三角翼搭載輕型機載LiDAR進行了低空(170 m)交叉航線高密度點云數(shù)據(jù)采集，對點云數(shù)據(jù)進行拼接、校正、紋理信息增強，在點云上對房屋進行矢量化，并對結(jié)果進行精度檢查。點云數(shù)據(jù)房角點采集率為83.3%，中誤差為4.8 cm。采用機載LiDAR測量房角點能夠大大減少外業(yè)房角點測量的工作量。機載LiDAR的應用鮮有紋理信息的提取，本次測試通過對高密度點云數(shù)據(jù)進行有效的處理，提取了點云數(shù)據(jù)紋理信息，為機載LiDAR數(shù)據(jù)紋理信息的應用提供了參考，并對其精度有了明確的認識，可為后期相關(guān)工作的開展提供借鑒。

機載LiDAR；房屋測量；紋理提取；精度分析

Abstract： Taking a built-up area in Beidaqu village, Beidaqu township, Yanqi County, Xinjiang Uygur Autonomous Region as the study area, we acquired high density point cloud data in a cross-route way at low altitude (170 m) with the delta wing equipped with light airborne LiDAR. Then, we spliced, corrected and enhanced texture information of the point cloud data. Finally, we vectorized the housing information with the processed point cloud data and checked the vectorization results’ accuracy. The results show that the collection rate of housing corner points is 83.3% with the point cloud data, and the median error is 4.8 cm. Using the airborne LiDAR, we can greatly reduce the workload of measuring the housing corner points. In view of rarely studies of texture information extracting with airborne LiDAR, this paper offers a reference for the application of it, and gives a clear understanding of its accuracy. In addition, the results can provide reference to the further related work.

Keywords： airborne LiDAR；building surveying；texture；precision analysis

2016年農(nóng)村地籍調(diào)查加入了房屋測量的內(nèi)容，要求采用解析法測量房屋角點坐標，實地丈量房屋邊長，并采用幾何要素計算房屋面積，確保不動產(chǎn)單元的界址清楚、面積準確。農(nóng)村宅基地調(diào)查房角點測量精度按照《地籍調(diào)查規(guī)程》中界址點測量精度執(zhí)行，即房角點測量精度應滿足中誤差≤5 cm[1]。采用航空攝影測量的技術(shù)手段獲取房角點坐標，精度無法滿足要求；而采用GPS RTK或全站儀等測量手段完全實地測量，測量效率低，外業(yè)工作量巨大[2]。

機載LiDAR是一種集激光測距、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導航系統(tǒng)(INS)和CCD相機為一體的搭載在固定翼飛機或直升機上的激光探測和測距系統(tǒng)，精度高，能夠?qū)崟r獲取地形表面的三維空間信息[3-7]。然而受航空管制、飛行條件等限制，以飛機搭載LiDAR設(shè)備進行測繪作業(yè)，在時間和成本方面遇到極大挑戰(zhàn)。輕型LiDAR具有體積小、重量輕的特點，適合搭載在三角翼或無人機等低空飛行、起飛條件簡易、航空管制少的航空器上[8-9]，在節(jié)省數(shù)據(jù)采集成本的同時，降低了機載LiDAR的技術(shù)門檻，受到越來越多的關(guān)注。

鑒于三角翼搭載輕型LiDAR具備精度高、飛行條件簡易等特點[10-12]，本文考慮將該技術(shù)應用于農(nóng)村地籍調(diào)查房角點測量，以期減少外業(yè)房角點實地測量的工作量，提高工作效率。為明確輕型機載LiDAR應用于農(nóng)村宅基地房屋調(diào)查的技術(shù)流程、效率和精度，選擇焉耆縣境內(nèi)北大渠鄉(xiāng)北大渠村為測試對象，通過三角翼搭載輕型LiDAR進行超低空、高密度和高重疊采集數(shù)據(jù)，充分掌握輕型機載LiDAR的作業(yè)流程，明確其平面精度及限制因素，確定輕型機載LiDAR測量房角點精度能否滿足不動產(chǎn)測量規(guī)范的精度要求，為相關(guān)的測繪工作提供借鑒。

1 測區(qū)狀況及儀器設(shè)備

1.1 測區(qū)概況

本次測試選擇焉耆縣境內(nèi)北大渠鄉(xiāng)北大渠村中央密集居民點作為測試區(qū)，北大渠村位于平原地帶，南北貫通，地勢平坦。居民點內(nèi)房屋密集，土房、老磚房、新建混房、多層樓房等多種房屋共存，為不同結(jié)構(gòu)類型的房屋測量提供了樣本，具有較好的農(nóng)村宅基地房屋調(diào)查代表性。航攝范圍如圖1所示，黑色選框為測試區(qū) ，測區(qū)總面積約5 km2。

圖1 航攝范圍

1.2 儀器設(shè)備

本次測試采用73.5 kW、最大載重250 kg的動力三角翼作為航飛平臺，搭載集成了機載LiDAR激光發(fā)射系統(tǒng)、航空慣性導航系統(tǒng)、相機，總重量為13 kg的輕型機載LiDAR,平面定位精度為10 mm+1×10-6D，高程定位精度為20 mm+1×10-6D。

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 機載LiDAR數(shù)據(jù)采集方法

2.1.1 航飛高度的確定

機載LiDAR的量測精度主要由激光測距(S)、GPS定位(Xs、Ys、Zs)，以及IMU姿態(tài)(Ω、ω、κ)和掃描角(θ)等8個測量值的精度所決定。在各項參量量測誤差一定的情況下，各項系數(shù)是隨掃描角θ及測距值S而變化的[13]，掃描角誤差是固定的，可在出廠時測定，因此各項系數(shù)隨測距值S變化而變化，S值與航飛高度直接相關(guān)，航飛高度越低，S值越小，各項系數(shù)誤差越小。綜合考慮飛行安全的因素，將航飛高度設(shè)定為170 m。

2.1.2 航線設(shè)計

采用順著房屋排列方向和垂直房屋排列方向交叉飛行的方式進行點云數(shù)據(jù)采集，通過低空高重疊度交叉航線飛行，盡可能提高了點云密度(機載三維激光掃描數(shù)據(jù)采集技術(shù)參數(shù)見表1)，充分獲取了房屋的紋理信息。

測區(qū)面積約5 km2，面積較小，只需在測區(qū)中心架設(shè)一個基站。在進行飛行作業(yè)的同時，基站開機與三角翼上搭載的GPS同步觀測，且需在三角翼起飛前5 min打開GPS接收機，在三角翼停機后5 min關(guān)閉GPS接收機。

表1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)參數(shù)

2.2 地面控制布設(shè)方法

點云數(shù)據(jù)無法具體標記出特征點，由因此需要提取具有特征的斜面來控制點云的平面精度[14-15]。控制標志結(jié)構(gòu)如圖2所示，由背靠背的2個正方形板構(gòu)成，板的尺寸為1 m×1 m，板與地面的角度可以調(diào)整為30°、45°和60°。測區(qū)內(nèi)一共布設(shè)控制標志物10處，共布設(shè)20個斜面均勻分布于整個測區(qū)。

2.3 地面測量

新疆巴州CORS已覆蓋測區(qū)，本次地面控制測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式，在測量地面控制點時，同時記錄WGS-84坐標系和CGCS2000坐標系成果，用于測量坐標系轉(zhuǎn)換。

2.3.1 控制標志的測量

在布設(shè)的控制面板上，挑選4個測量點的三維坐標，保證4個點連線構(gòu)成的閉合4邊形面積大于0.5 m2，其分布形式如圖2所示。本次測試共測量斜面20個，用于點云的絕對精度校正。

圖2 斜面選點分布形式

2.3.2 檢查點的測量

挑選沒有房檐的房屋作為檢查點，測量時攀爬到房頂，將GPS立于房屋的最外檐進行測量，共計測量均勻分布在測區(qū)的房角點36個。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 點云數(shù)據(jù)處理

3.1.1 點云相對精度拼接

選取架構(gòu)航向，以架構(gòu)航線為基準調(diào)整縱向航線的位置和姿態(tài)，使縱向航線點云和架構(gòu)航線點云完全融合到一起，進一步調(diào)整其他的橫向航線，將全部點云拼接到一起。點云拼接調(diào)整順序和策略見表2。其中，北、東、高、滾轉(zhuǎn)、俯仰、方位分別簡稱N、E、H、R、P、Y。

表2 點云數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整策略

3.1.2 點云絕對精度校正

用控制數(shù)據(jù)校正已拼接的點云，測量的20個斜面全部參與平差，殘差小于0.03 m，完成校正后點云數(shù)據(jù)完全融合，無分層現(xiàn)象，融合后多航帶點云與單一航帶點云厚度一致。

3.1.3 去除冗余點云數(shù)據(jù)

低空高重疊度交叉航線的數(shù)據(jù)采集方式獲取的點云數(shù)據(jù)密度大，大量點云對于本次測試為冗余數(shù)據(jù)。圖3(a)為點云投影到二維平面的頂視圖。冗余的點云將會嚴重影響矢量化數(shù)據(jù)加載速度，且不利于判斷建筑物的邊緣，因此將平面(X、Y方向)的點云數(shù)據(jù)進行抽稀。X、Y方向抽稀為0.5 m/點，抽稀后的點云數(shù)據(jù)如圖3(b)所示。進一步將高度低于1 m的地面點云數(shù)據(jù)刪除，利于后期建筑物邊緣的采集。剔除地面點云后數(shù)據(jù)頂視圖如圖3(c)所示。

圖3 點云投影到二維平面的頂視圖

3.2 建筑物界址點采集

將點云數(shù)據(jù)導入南方CASS軟件，房屋邊緣因立面(Z方向)點云疊加，形成了較為明顯的紋理特征，對這些紋理進行矢量化，即得到了房屋的線劃圖，矢量化時取(Z方向)點云形成紋理中心。

3.3 坐標轉(zhuǎn)換

機載LiDAR采用WGS-84坐標系，而農(nóng)村宅基地房屋調(diào)查采用CGCS2000坐標系，因此，實際應用過程中，涉及WGS-84坐標系與CGCS2000坐標系轉(zhuǎn)換。本次測試項目區(qū)范圍較小，在測區(qū)的周邊和中心選取5組測量點，同時測量WGS-84坐標和CGCS2000坐標，用這5組點計算適用于本測區(qū)的小范圍四參數(shù)，然后將成果統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標成果。

4 精度分析

本次測試共計測量36個房角點作為檢查點，均勻地分布于測試區(qū)范圍內(nèi)。因遮擋和遮蔽導致墻面點云稀疏，部分紋理信息丟失，房角點未能在點云上捕捉。36個檢查點中，共捕捉到30個房角點，采集率83.3%，中誤差0.048 m。檢查統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 機載LiDAR測量精度統(tǒng)計

根據(jù)國土資發(fā)〔2014〕101號文件，農(nóng)村宅基地調(diào)查房角點測量精度按照《地籍調(diào)查規(guī)程》(TD/T 1001—2012)中界址點測量精度執(zhí)行。

參照《地籍調(diào)查規(guī)程》中界址點精度指標，對機載LiDAR點云矢量化房角點結(jié)果進行分析，統(tǒng)計結(jié)果見表4。本次測試房角點采集率為83.3%。其中41.7%(14個)的房角點點位誤差≤5 cm，能夠滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》一級界址點中誤差精度要求；77.8%(28個)的房角點點位中誤差≤10 cm，能夠滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》一級界址點允許誤差精度要求房；所有矢量化數(shù)據(jù)83.3%(30個)房角點點位誤差均能夠滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》二級界址點允許誤差精度要求。

表4 北大渠村房角點允許誤差精度統(tǒng)計 (%)

5 討 論

上述測試方法中，測量房角點中誤差為4.8 cm，捕捉率為83.3%，應用于農(nóng)村宅基地房屋調(diào)查能夠大量減少外業(yè)房角點的測量。采用低空、大重疊度交叉航線飛行，能夠提高點云精度，增強房屋的紋理信息，但航飛效率較低，將該測試方法應用于大面積的農(nóng)村地籍調(diào)查項目需飛行員在低空環(huán)境下長時間作業(yè)，風險極高。機載LiDAR的量測精度影響因子中， IMU姿態(tài)(Ω、ω、κ)對機載LiDAR精度影響最大，制約著航飛高度，隨著輕小型慣導技術(shù)的進一步發(fā)展，能夠在滿足精度的前提下增加航飛高度，實現(xiàn)大面積安全作業(yè)。采用地面布設(shè)人工控制標志物可提高點云拼接的精度，但布設(shè)過程需花費大量的時間和人力，并且標志物需要在航飛之前完成，制約著航飛的進度。測試中發(fā)現(xiàn)測區(qū)中分布著自然的標志物，如路基斜坡、渠面等，可通過后期在測區(qū)挑選自然地物作為控制標識，完成點云數(shù)據(jù)的控制拼接。房角點精度滿足1∶500大比例尺地形圖測圖要求,將機載LiDAR應用于大比例地形圖測量，能夠有效減少界址點測量的工作量，提高工作效率。隨著測繪地理信息技術(shù)的發(fā)展，掃描的三維點云信息可在今后的不動產(chǎn)測繪、地籍三維模型建立中發(fā)揮積極作用，實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)采集，重復數(shù)據(jù)利用。

6 結(jié) 論

本次測試選擇焉耆縣北大渠鄉(xiāng)北大渠村房屋密集區(qū)作為研究區(qū)，采用三角翼搭載輕型機載LiDAR低空(170 m)交叉航線高密度點云數(shù)據(jù)采集，地面合理布設(shè)人工控制標志，對點云數(shù)據(jù)拼接校正，抽稀平面(X、Y)方向的點云數(shù)據(jù)(0.5 m/點)，并將相對高度低于1 m的點云數(shù)據(jù)刪除，將處理好的點云數(shù)據(jù)導入南方CASS軟件通過點云數(shù)據(jù)的紋理特征進行矢量化，利用測區(qū)內(nèi)均勻分布的36個檢查點，參照《地籍調(diào)查規(guī)程》對結(jié)果進行了比對分析，得到以下結(jié)論：

(1) 點云數(shù)據(jù)紋理信息弱，通過低空、高重疊、交叉航線的方式增加點云密度，保證點云的精度，立面(Z)方向的點云可形成能夠識別的紋理。因遮擋和遮蔽導致墻面點云稀疏，部分紋理信息丟失，部分房角點未能在點云上捕捉，房角點采集率為83.3%。

(2) 機載LiDAR測量房角點中誤差為4.8 cm，根據(jù)《地籍調(diào)查規(guī)程》， 41.7%的房角點滿足一級界址點中誤差精度要求，77.8%滿足一級界址點允許誤差精度要求，所有矢量化數(shù)據(jù)中83.3%均能夠滿足二級界址點允許誤差精度要求。

(3) 上述測試方法雖然夠大量減少外業(yè)房角點測量的工作量，降低人員攀爬房屋的風險，但航飛效率較低，不具有大規(guī)模作業(yè)的可行性。機載LiDAR的應用鮮有紋理信息的提取，本次測試通過獲取高密度點云數(shù)據(jù)進行有效的處理，提取點云數(shù)據(jù)紋理信息矢量化，為機載LiDAR數(shù)據(jù)紋理信息的應用提供了參考，并對其精度有了明確的認識，可為后期相關(guān)工作的開展提供借鑒。

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TheApplicationofLightAirborneLiDARonRuralHomesteadBuildingSurveying

YANG Qingshan1，TANG Xuecai1，F(xiàn)AN Binbin1，XU Zhengpeng2

(1. Bazhou Land Resources Surveying and Planning Institute,Korla 841000，China; 2. Xinjiang Bazhou State Source Surveying and Mapping Planning Center,Korla 841000，China)

P27

A

0494-0911(2017)09-0088-04

2017-07-06

楊青山(1970—)，男，高級工程師，主要從事不動產(chǎn)測繪、工程測量和攝影測量方面的工作。E-mail：137268099@qq.com

楊青山，湯學才，范彬彬，等.輕型機載LiDAR在農(nóng)村宅基地房屋測量中的應用[J].測繪通報，2017(9)：88-91.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0294.