旋翼無人機載激光雷達在農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中的應用

吉緒發(fā)

(廣東南方數(shù)碼科技股份有限公司，廣東 廣州 510665)

當前，我國正大力推動農(nóng)村權(quán)籍調(diào)查工作，工作時間緊迫，且對調(diào)查時的土地所有權(quán)界址點精度要求較高。按地籍調(diào)查規(guī)程要求，土地使用權(quán)明顯界址點精度不低于一級：中誤差不大于5 cm，允許誤差不大于10 cm。隱蔽界址點精度不低于二級：中誤差不大于7.5 cm，允許誤差不大于15 cm。按傳統(tǒng)的解析法進行全野外調(diào)繪，雖然能夠保證界址點測量的精度，但天氣是否良好、村民是否長期外出，都會明顯影響測量工作效率。目前一些地方在農(nóng)村權(quán)籍調(diào)查工作的地籍測量中使用了新的技術以提高測量工作效率，如采用吊車搭載三維激光雷達掃描儀或使用無人機進行傾斜攝影測量。通過吊車搭載三維激光雷達掃描儀進行地籍測量，克服了傳統(tǒng)地籍測量中工作效率低、勞動強度大等問題，提高了地籍成圖與權(quán)屬調(diào)查的效率[1]；較傳統(tǒng)地籍測量采集數(shù)據(jù)自動化程度高、測量精確度高，且具有可重復性和便于計算機及軟件處理等優(yōu)勢[2]。另外，無人機傾斜攝影測量技術應用于農(nóng)村地籍調(diào)查能夠解決大部分房屋界址點的測量且大部分測量結(jié)果精度甚至優(yōu)于解析法[3]。結(jié)合前人的研究成果[4-5]，并考慮到傾斜模型受遮擋影響較大，受遮擋區(qū)域會產(chǎn)生拉花、變形及內(nèi)業(yè)采集不準確或無法采集，需進行外業(yè)補測等問題[6]，并且機載激光雷達技術在工程應用中具有可快速獲取高密度三維激光點云及高清影像，快速處理獲得的DEM、DOM及DLG等高精度地理信息數(shù)據(jù)，無需布設大量外業(yè)控制點，無需大量外業(yè)調(diào)繪，自動化程度高，數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短等優(yōu)點[7]，本文提出將無人機(旋翼機)載激光雷達采集點云數(shù)據(jù)的技術應用于農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查，并對其精度進行驗證。

1 關鍵技術

1.1 旋翼無人機載激光雷達測量技術原理

機載激光雷達技術是集激光測距技術、計算機技術、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量技術和高精度動態(tài)全球定位系統(tǒng)差分定位技術于一身的攝影測量領域中的新興技術。激光測距技術是通過激光器向地面目標發(fā)射電磁波信號，以實現(xiàn)高精度測距的目的,如量測距離、角度、速度等。在現(xiàn)代測量領域中，便捷性和相對精確性使其在傳統(tǒng)的測量工作中扮演著極為重要的角色，是新型測量手段的基礎，從以往使用反射棱鏡作為定位測距儀系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在不需要合作目標作定位的激光測距系統(tǒng)[8]。全球定位系統(tǒng)的出現(xiàn)則是解決了作為載體的機器在全球海陸空的定位問題。計算機技術和載體姿態(tài)測量技術的集成使機器高精度動態(tài)載體姿態(tài)的測定成為可能[9]。三者成熟的技術共同構(gòu)成了機載激光雷達測距技術的基礎。

機載激光雷達技術在數(shù)據(jù)層面上分兩部分，即通過測距測角及GPS動態(tài)差分定位能夠獲取精確的高分辨率數(shù)字地面模型及地面物體的三維坐標，通過隨機攜帶的CCD相機獲取對應地區(qū)的影像信息[10]；再經(jīng)過計算機相應的軟件對激光點云數(shù)據(jù)進行處理(濾波、分類、檢查)，形成相應區(qū)域的點云圖像，并將其與實際對應地區(qū)的影像信息相結(jié)合，從而進行對應地區(qū)信息的采集。

機載激光原理如圖1所示。機載激光雷達系統(tǒng)以飛機作為觀測平臺，結(jié)合激光器的高度、激光掃描角度、從GPS得到的激光器位置和從INS得到的激光發(fā)射方向，可準確計算出每一個地面光斑的三維坐標[11]。

圖1 旋翼無人機載激光雷達測量原理

機載激光雷達系統(tǒng)采用極坐標定位原理確定地面三維坐標信息。則矢量終點，即掃描點的點位坐標，等于矢量起點與矢量長度和方向確定的坐標分量之和[12]。其確定地面點三維坐標的數(shù)學本質(zhì)：對于一空間向量，已知其模和其在物方坐標空間方向，若已知向量起點的空間坐標，則該向量的另一端點的坐標可唯一確定。

隨著無人機低空遙感技術的興起，針對其需求而研制的無人機LiDAR系統(tǒng)也大量出現(xiàn)，由于受重量和體積的限制，無人機LiDAR系統(tǒng)的精度有限，在數(shù)據(jù)采集和處理時需要增加外業(yè)工作量以保證精度[13]。

1.2 三維立體數(shù)據(jù)采集技術

三維立體數(shù)據(jù)采集是指利用一系列傳感器或測量設備對三維立體待測物體進行空間三維信息數(shù)據(jù)采集。搭配機載的激光雷達測量技術，獲取的為點云數(shù)據(jù)信息。

基于點云數(shù)據(jù)的三維立體采集，采用南方三維立體數(shù)據(jù)采集軟件(iData_3D)，它是以iData數(shù)據(jù)工廠為平臺基礎、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一款三維立體測圖系統(tǒng)，利用傾斜三維模型或海量點云數(shù)據(jù)進行DLG的采編、制圖、入庫，可廣泛應用于地形測量、城鎮(zhèn)或農(nóng)村地籍、電力、管線、市政等行業(yè)。利用iData_3D可以秒級加載海量點云數(shù)據(jù)，通過點云捕捉、快捷鍵設置等功能，可提高點云的采集準確度。同時，軟件提供點云過濾、裁剪盒等工具，可用于快速采集道路邊線及市政部件，消除影響作業(yè)效率的高層建筑或植被，提升點云立采效率。軟件可直接生產(chǎn)PDB格式的矢量數(shù)據(jù)，與ArcGIS數(shù)據(jù)庫無縫銜接，并可分發(fā)為CASS制圖標準的DWG格式文件，保證圖形、屬性、精度無損轉(zhuǎn)換。

2 某村莊權(quán)籍調(diào)查地籍測量實施

本次試驗選取了房屋類型比較典型的區(qū)域，涉及7個村莊，約1.5 km2。涵蓋房屋結(jié)構(gòu)復雜、附屬結(jié)構(gòu)多、房屋規(guī)整的有個別區(qū)域有遮擋、房屋不規(guī)整的遮擋嚴重等實際作業(yè)中可能涉及的多種類型。

2.1 激光雷達地籍測量技術流程

激光雷達測量應用于地籍測量的技術流程如圖2所示。

圖2 應用激光雷達測量的地籍測量技術流程

(1)確定需要勘探的測區(qū)，收集測區(qū)資料，設計飛行器航線和地面基站架設位置。

(2)裝載激光雷達測量系統(tǒng)的飛行器由測區(qū)外飛至測區(qū)上空，按項目勘察設計的飛行路線進行激光掃描采集數(shù)據(jù)，以明顯地物點設置的基站輔助修正飛行路線，采集完成后檢查采集路線與采集區(qū)域是否完整，如有遺漏則及時補測，以保證數(shù)據(jù)完整性。

(3)下載激光掃描采集的數(shù)據(jù)，形成原始的激光點云數(shù)據(jù)；下載基站的觀測數(shù)據(jù)；收集記錄基站的坐標數(shù)據(jù)。三者共同構(gòu)成激光點云數(shù)據(jù)。

(4)針對形成的激光點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，去除誤差，從而形成可用的工作底圖。

2.2 旋翼無人機載激光雷達測量系統(tǒng)組成

本文采用南方測繪六旋翼無人機載激光雷達移動測量系統(tǒng)SZT-R250對試驗區(qū)域進行航飛，獲取矢量宗地及房屋的激光點云數(shù)據(jù)。

旋翼無人機載激光雷達測量系統(tǒng)分為4個部分：

(1)用于確定激光雷達信號的參考點空間位置的GPS發(fā)射器，確定無人機在測區(qū)的飛行路線和覆蓋范圍。

(2)用于確定掃描裝置的相對空間位置姿態(tài)參數(shù)的姿態(tài)測量裝置，保證掃描裝置位于正確的位置上對測區(qū)進行掃描。

(3)用于測定激光雷達發(fā)射的參考點到地面激光腳點間距離的激光測距儀，形成相應的原始數(shù)據(jù)。

(4)成像裝置，一般用于對掃描區(qū)域進行影像上的記錄，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供必要的參考信息。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

(1)測區(qū)踏勘：在航飛之前對測區(qū)進行踏勘，了解測區(qū)范圍及測區(qū)內(nèi)的地物地形情況。

(2)基站架設及基站坐標測量：應用激光雷達進行飛行作業(yè)時，需要在測區(qū)地面明顯地物點處布設基站，根據(jù)測區(qū)的大小、地形概況確定基站布設的距離和數(shù)量。一般情況下在地面布設1～3個基站，間距為30～50 km，在航攝過程中基站用于同步接收GPS信號，并測定動態(tài)差分GPS的定位結(jié)果供數(shù)據(jù)解算時使用[14]。

(3)航線設計及激光雷達掃描：根據(jù)測區(qū)的地物地形情況設定覆蓋掃描區(qū)域的航線，按照測區(qū)勘探設計的采集路線用激光雷達掃描進行數(shù)據(jù)采集。本次案例中設定的無人機航線飛行數(shù)據(jù)為航高65 m；飛行速度8 m/s；航線間距60 m；采用交叉航線航飛。

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

(1)基站觀測數(shù)據(jù)：在測區(qū)明顯地物特征點設置的基站所收集的飛行器觀測數(shù)據(jù)信息。

(2)原始激光點云：飛行器在使用激光掃描測區(qū)時所收集到的地面腳點反射的數(shù)據(jù)。

(3)基站點坐標：在測區(qū)明顯地物特征點設置的基站的坐標信息。

(4)激光點云數(shù)據(jù)解算：使用POS數(shù)據(jù)及基于數(shù)據(jù)解算軟件解算轉(zhuǎn)換的基站點坐標，預處理原始激光點云并進行差分解算，通過精度檢測檢驗高程中誤差和平面中誤差，獲取精確的激光點云數(shù)據(jù)。解算軟件可將航帶邊緣精度稍差的點云數(shù)據(jù)自動分類，刪除冗余數(shù)據(jù)。

(5)內(nèi)業(yè)采集處理：內(nèi)業(yè)采用iData_3D軟件基于點云數(shù)據(jù)采集，成果數(shù)據(jù)庫采用通用的地理信息空間數(shù)據(jù)標準，結(jié)合iData平臺下的骨架線符號化技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)動態(tài)采編、入庫、出圖一體化作業(yè)，最終形成工作底圖。

2.5 地籍測量成果輸出

采用模板機制輸出成果，通過自主研發(fā)的iData報表插件，編輯word模板實現(xiàn)自定義效果，簡單高效、快速出表，可定制化程度高。

2.6 旋翼無人機載激光雷達測量技術精度分析

點位精度檢測：采用92個外業(yè)實測點，與傾斜模型同一點位進行平面坐標對比，傾斜模型的點位中誤差為4.4 cm，粗差率不超過5%(見表1)。

表1 點位精度 m

邊長精度檢測：采用50個外業(yè)實測邊長，對比傾斜模型的對應邊長，剔除粗差后傾斜模型的邊長中誤差為4.1 cm，粗差率不超限(見表2)。

表2 邊長精度 m

激光雷達的作業(yè)方式不是每天都能滿負荷航飛，其平均航飛效率為1.1 km2/d。機載激光雷達測量技術主要是采用主動測量方式對測量區(qū)域的實際情況進行測量，不受可見光的影響，因此能夠穿透薄云、薄霧，其在使用過程中一般不受天氣、自然環(huán)境限制，對外界環(huán)境的依賴程度較低且能在夜晚開展工作，不受時間上的影響。將該技術應用于植被豐富的地區(qū)，其測量結(jié)果不受植被的影響，具有較強穿透力，能夠直接測量植被下的房屋區(qū)域等，適合植被情況復雜的農(nóng)村區(qū)域[15]。本文只體現(xiàn)白天作業(yè)的效率。航飛完成之后，經(jīng)過高集成化解算即可開始內(nèi)業(yè)采集工序，如圖3所示。

圖3 激光點云工序比例

3 結(jié) 語

相較于傳統(tǒng)全過程外業(yè)調(diào)查測量，利用旋翼無人機搭載激光雷達進行掃描，在相同時間段內(nèi)，無人機測量比人工測量所獲取的信息量大，內(nèi)外業(yè)工作量小，處理周期短，效率高，不受可見光影響限制，充分利用了旋翼無人機的強機動性。其機載激光雷達具有小型化和輕量化的特征，靈活便捷，適應狹小空間飛行，對起降場地要求簡單，操作人員可實時調(diào)整旋翼無人機的位置和航線，通過快速建立模型保證激光雷達掃描得到的數(shù)據(jù)的完整性。

在實地進行無人機激光雷達掃描時，基于iData_3D軟件進行地物激光點云采集，輔以適度的人工補充作業(yè)，可有效減少工作量，解決復雜地物的測量。在激光測量中可以從任意高度對房屋取切斷面，房屋邊界以矢量點的形式呈現(xiàn)可以更直觀地判斷墻面位置，減少判斷過程。墻面沒有凸凹，采集精度更高。在遮擋區(qū)域，由于激光點云具有多回波特性，房屋的墻面可完整表現(xiàn)且周邊不會產(chǎn)生變形。總體可以達到以下效果：①可通過房屋高度判斷層數(shù)；②房屋附屬柱子可通過多角度觀察進行判斷；③能夠判斷不封閉陽臺、飄樓、柱廊、露臺等房屋附屬結(jié)構(gòu),無法區(qū)分封閉的陽臺、廊等房屋附屬與主房，無法判斷屋頂材質(zhì)，臨時搭建房屋，需外業(yè)核查。

通過iData_3D軟件對收集的點云數(shù)據(jù)進行預處理，去除冗雜數(shù)據(jù)，加載海量的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的編輯和管理。通過自主iData_3D軟件可以生成DSM、使用多種快速采集房屋工具(直角繪房、直線繪房、房棱繪房)、智能化自動提取輪廓線(智能繪房)、批量提取高程點、自動提取等高線、模型切割，從而高效率、智能化地實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理，形成工作底圖。

通過案例進行精度驗證，在同等時間內(nèi)利用旋翼無人機載激光雷達測量得到的點云數(shù)據(jù)的精度符合要求。