地基三維激光雷達在新疆霍城縣地籍調查的應用

張巖博　魏建新

摘 要：農村土地利用的合理化規范化是我國近幾年努力的方向，由此農村宅基地所有權規范化愈來愈迫切。Rigel VZ1000是一款地基三維激光掃描儀，可獲取高精度的房屋點云數據，結合CAD制圖、數據建模有效完成了農村地籍調查的內容。基于地基的三維激光掃描技術能高效、省時省力、高精度的獲取生動的三維點云數據，為地籍調查工作人員減少一定的工作量。

關鍵詞：地基三維激光掃描 點云數據 地籍調 宅基地

中圖分類號：P272 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0066-03

隨著國家二調的結束，耕地面積，土地利用情況、城鎮土地權屬等問題大都已明確，而偏遠農村的房屋權屬、院落面積、房屋產權等并沒有完成調查。對農村進行地籍調查是當前我國國土部門的重要任務之一。GPS RTK對地籍測量的精度有所提高，GPS RTK的操作比較簡便易行并且能獲得實時的、精度較高的定位結果，誤差比較小。該測量方法中，GPS通過接收衛星信號定位空間地理坐標，RTK在很短的時間內獲取某個點的三維坐標[1]。這兩種設備協同工作，測量范圍大，受天氣、地勢等條件的影響小，比起傳統方式節省了人力、物力、時間。但是樹林等高大茂密的物體對其有遮擋，無法測量。

1 激光雷達系統介紹

激光雷達技術（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，它也是GPS全球定位系統之后的全新革命性測量工具。

1.1 地面激光雷達

地面激光雷達是一種綜合的集成了多種高科技的先進技術，采用非接觸高速激光測量的方法，利用激光束掃描大面積、高速度、高精度、大密度的目標地物[2]。通過一種新型的測量裝備，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。地面激光雷達小巧、方便、準確、高效、安全、穩定、可操作性， 能快速的建立詳盡準確的三維立體影像， 可以提供準確的定量分析， 可廣泛應用于各相關領域， 如逆向工程應用、復雜建筑物施工、地質研究、建筑物形變監測等領域。

1.2 激光雷達技術的特點

激光雷達（LiDAR）是過去10年中來快速發展并得到廣泛使用的測量方法。操作時間短，測量精度高，天氣影響小，操作安全，不受地形或地域的限制，可同時測量地面和非地面層。由于光的恒定速度，時間與散射器的距離有關，因此沿著電子束軌跡檢測空間信息。通過接收來自空氣中的粒子和分子的信號強度和頻率偏移來檢測氣溶膠的三維分布和徑向速度。它具有極高的角分辨能力、距離分辨能力和強抗干擾能力[3]。因此，隨著技術的不斷發展和普及，LiDAR將在軍事和民用領域得到更加廣闊的發展。

1.3 地面三維激光雷達應用現狀

地面三維激光雷達技術作為一種新型的高端技術，可以實時獲取高精度，高密度的空間三維坐標數據，具有更高的數據精度和數據分辨率，且其適應性也更強，不受云霧和光照的影響，從而構建出真實的目標物體的三維模型。從起步發展再到近年來的快速發展，激光雷達技術已經能夠在一定程度上解決我們所面臨的一些困境。近年來，激光雷達技術已成功應用于測量、林業調查、數字建設、工程設計等各個領域，現在更是滲透到我們生活的方方面面，比如：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。

2 地面激光雷達在地籍測量中的應用

2.1 地面激光雷達的數據采集與處理

2.1.1 前期準備

（1）測區資料搜集。調查區域數據主要包括航空照片或衛星圖像以及所在調查區域的地貌地形圖。（2）掃描線路初期設計。勘察區掃描線初步設計，線路設計主要基于調查區域的完整覆蓋，調查場地的分布是統一的。（3）測區實地踏勘。在工作開始之前，根據調查區的道路狀況進行現場勘察，實地調查是一個至關重要的環節。

2.1.2 規劃作業方案

根據項目要求，規劃掃描操作，根據現場調查情況調整和修改初始設定的掃描線路。在遵守規劃標準規則的前提下，實現各個網站基點的合理分配，并且根據功能分布來確定掃描的模式。基于預定站的數量以及掃描模式估計所要完成的工作量。完成以上工作后，我們根據計劃進行數據收集操作。

2.1.3 激光雷達掃描儀

三維激光掃描儀工作原理為，測量時掃描儀發射出激光束脈沖信號，經過被測目標自身的漫反射后，沿著近似相同的反射路徑反射回接收器，接收器通過反射的時間、角度等信息計算出發射器與目標物的距離、坐標等信息[4]。

2.1.4 研究區概況

中國新疆伊犁哈薩克自治州的霍城縣，地理坐標為東經80°11′～81°24′，北緯43°39′～44°50′。縣境北依天山與博爾塔拉蒙古自治州溫泉縣為鄰，南與察布查爾縣隔河相望，東與伊寧市接壤，西以霍爾果斯與哈薩克斯坦國為界，邊界線長183km，具有沿邊、沿路、沿河、沿山的獨特地理優勢，是中國唯一的既轄地級行政區、又轄縣級行政區的自治州。南北長120km、東西寬85km，總面積5720km2（如圖1）。霍城縣城西北的三宮鄉，距縣城15km。三宮鄉面積126.9km2，包含有有下三宮村、沙灣村、上三宮村、東灣村4個村。三宮鄉道路規劃較為方正，房屋以磚房、棚房為主，有獨立的院落。

2.2 外業獲取數據

2.2.1 布設測點

根據三宮鄉村房屋坐落方向/面積、林帶遮擋和道路走向等的實際情況分派兩個人布設測量點，在需要布設測點的地方做上記號以便實驗時及時找到測量點，提高工作效率。布設測點時點位的選擇要均勻分布、合理，盡量避開樹木遮擋的地方，以防掃描不全面，降低測量精度。需打點測量的地物有，房屋、圍墻、棚房、院內大于5m×5m面積的果園、菜地、花壇、道路林帶、院門、臺階、檐廊、錯位墻體，錯位間距大于30cm，需打拐角點、廁所。

2.2.2 RTK獲取標靶數據

為獲取房屋的地理坐標，在每個獨立的房屋選擇三個控制點，用RTK測這三個點的坐標信息。傳統人為測量坐標的方法以之前的點為參考，一個點的坐標出錯，其后就會累加，錯上加錯；RTK獲取的是三維坐標，測量的點與點之間是相互獨立的，不以其他點位參考，它是自動化的儀器測量，有效的避免人為干涉，增加測量精度，使測量結果更加可靠。

2.2.3 激光雷達采集點云數據

將三維激光掃描儀VZ1000架設在吊車頭上，通過升降吊車調節掃描范圍；每一個站點掃描兩組數據，一組為高站數據，一組為低站數據，這種掃描方式是為了使掃描更全面。高站點掃描的范圍大但是精度不高，并且覆蓋吊車下方面積大；低站點掃描的范圍程度小，但是精度高，并且可以掃描到高站點下方覆蓋的面積，以此來減少數據缺失。掃描時保證掃描的全面性的同時，也要盡量減少掃描的點數，因為點云數據非常大，掃描點過多容易造成數據的冗余，增加工作量。

2.3 內業處理數據

2.3.1 粗拼精拼

內業組需對外業組取得的點云數據用Rigel系列產品配套的RISCAN PRO軟件進行拼接，首先，粗拼：為了提高拼接精度，本研究采用手動拼接的方法對點云數據先進行粗拼處理。首先將高站兩兩拼接，在兩幅圖中至少各選擇相對應的4個點，粗拼的精度要求在0.1以下。先拼接高站點，然后再拼接低站點。全部粗拼結束后將所有站點的點云數據在同一幅圖中打開，通過改變不同站點的顏色觀察各站點的重合度，沒有分層情況才可以精拼。其次，精拼：精拼需要使用軟件狗，插上軟件狗后啟動RISCAN PRO，需將一個站點設為基站鎖定，之后通過調節參數，觀察拼接結果的正態分布圖，正態分布好則拼接結果較好。拼接結果如圖2。

2.3.2 數據轉換輸出

在RISCAN PRO拼接完成的點云數據非常大，需要過濾其它冗余的數據，將點云數據分成幾次轉換成.dxf格式輸出，.dxf是畫圖所用軟件CASS可以識別的數據格式，進而實現數據的矢量化。這時候工作人員要注意不要在轉換的過程中遺漏某些區域。

2.3.3 CASS畫圖

點云數據轉換成.dxf格式后，轉入到CASS9.1中繪制目標地物。本研究所需繪制的目標的物為房屋、圍墻、林帶、道路、電桿、菜地、檐廊、支柱墩和大門，將其它不需要的數據以此過濾掉。以《地籍調查規程》為參考，并結合實地調查的地物狀況進行繪制[5]。繪制過程中可通過查找點云數據比對不清晰的地方，若是有不能確定的地方可標注，反饋給外業人員。如果有表示不清晰、有缺失的墻體，同時標記住疑惑點，以備后期調查補充坐標。

3 實際應用

3.1 權屬調查

內業進行畫圖的過程中外業組需調查房屋的權屬性，詳細的記錄宗地所屬人的詳細信息、宗地編號、界址點，并補測內業組反饋的遺漏地方。權屬調查人員應提前提前做好相關工作，調查過程中結合實際情況詳細的記錄界址點，確認所調查宗地的所屬權、使用情況，邊長和面積，記錄的筆記要清晰，要求宗地所屬人簽字。調查員根據實際情況以1：500比例尺手繪出每一塊宗地的房屋屬性，并標記出周邊宗地的所有人，以供內業人員參考。同時，要做好記錄調查文檔的存檔工作。

3.2 權屬線繪制

繪制權屬線前，先用CASS對矢量化的圖進行自動檢查，排除房屋互相切割的錯誤。連接權屬時，權屬線不能越過已經有的界址點圓圈，同一條權屬線需要完全重合。畫權屬線時，修改參數，將權屬線的寬度設為“0”，以便畫的時候，能自動檢查權屬線是否和地物完全重合。等出圖的時候，再修改權屬線參數為“0.3”。如有分宗情況，先用輔助線將界址點位置定好，再連接權屬，連接好后，把輔助線刪除。如果分宗的權屬線從房屋中間穿過，權屬連接好后，將房屋重新畫，從權屬線處將房屋分成兩間房，不能切割房屋。權屬連接完成，在輸入宗地號時，注意街道號、街坊號、宗地編號錄入正確。一個村全部連接權屬完成后，修改界址點最大點號，先設為零，再用線把整個村的宗地圈起來，重排界址點號，選擇3，輸入起始界址點號1，整個村界址點重新排號。權屬線繪制如圖3。

3.3 建立數據庫

CASS畫圖、權屬性錄入完后開始著手本次研究的最終目的數據庫的建立。需利用ARCGIS軟件，并結合國土資源部的需求與當地的實際情況，完成完整的農村地籍信息數據庫的建立，為宅基地所有權提供依據，實現農村土地登記、規劃、實時更新的數字化管理。建立數據庫可將數據統一管理，方便日后的使用與更新，為農村的地籍管理提供三維數據。數據庫建立完成后，要整體檢查一遍，與實地調查的結果校對，確保數據庫信息的準確。

4 結語

處于新疆偏遠地區的農村，大多還沒有管理規劃村莊，村民所有土地還沒有實現規范化，有一些農村甚至沒有修道路和獨立院落。實現這些農村土地權屬合法規范迫在眉睫，明確農村土地面積和權屬既可以保障村民的合法權益，也能促進土地的合理利用，為城鄉一體化奠定基礎。我們國家大力倡導農村土地所有權的合法化，需要查清每一塊土地的用途與所屬人信息，用來解決農村土地使用過程中出現的糾紛和問題，加強土地管理，防止亂占耕地、草地現象。地籍調查工作比較枯燥，質量要求高，并需要當地人員的配合，相關工作人員要保持工作的熱情，協調與當地人的友好關系，認真負責，彼此協作，一起解決工作中出現的問題，確保數據客觀，有依據，為高效的獲得準確結果一起努力。

參考文獻

[1] 李君，李貴中，李樹云.應用無人機數字影像進行農村宅基地確權技術研究[J].測繪通報，2016（4）：83-84，95.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 婁彤彤，羅傳文，韓吉燁，等.基于農村地籍調查的土地利用狀況研究——以牡丹江市五林鎮為例[J].安徽農業科學，2015（27）：270-271，273.