激光三維雷達掃描在房地一體中的應用探討

強亞明

摘要：我國空間信息數據較多，因此采集、處理過程相對復雜，采用激光三維雷達裝置進行對地掃描操作，可有效觀測房地一體狀態，更好測得待測房屋的三維空間信息，提高掃描精度。本文對激光三維雷達的掃描技術加以分析，通過原理、特點等因素進一步深度了解該技術，并結合現實項目案例，對房地一體中該技術的應用流程進行探討。

關鍵詞：房地一體；激光三維雷達；坐標信息獲取

1.引言

房地一體工程中應將地上建筑如房屋等構筑物，進行精準測量，以此獲取坐標信息，為后續建設項目提供基礎數據依據。傳統房地一體的測量采取人工配合測繪儀器的方式完成，該過程耗時耗力，不利于測量效率，現階段采用激光三維雷達對待測區域內的房屋地理信息做出勘測，能精準描繪出周邊地形地貌，突出區域特征，并在立體點云數據庫中進行數據信息處理，以此達成房地一體勘測工程目的。

2.激光三維雷達掃描技術

2.1技術原理

激光三維雷達系統內包含了激光測距儀和高精度的慣性測量儀器，另外該系統運作時結合了GPS技術，提高定位能力，該系統整合激光、計算機科學以及測量、定位技術，高度集中作用下，為房地一體勘測提供了高精度的掃描辦法。激光雷達系統采用激光掃描設備，將房地目標進行激光掃描，由此得出兩者間的實測空間距離，同時使用差分接收機，獲取激光發射位置的瞬時性空間坐標。另外使用慣性測量單元對飛行平臺姿態角進行獲取，得出仰俯角度、側滾角度和偏航角度，充分利用以上數據，便可準確得到地物的地理空間信息、邊角長度信息，最終建立三維坐標系，用坐標數據表示地物表面位置信息。

2.2技術特點

使用激光三維雷達的掃描技術，可在其運行中、數據結論等環節下歸納出四個技術特點。第一，該技術可實現非接觸的測量方式，因為使用激光雷達裝置，并不需要反射棱鏡做以位置信息的定位支持，技術可直接作用于待測地物表面，由此采集到精準的三維數據信息。第二，數據采樣比例較高，使用傳統空地一體勘測技術，多為人力與測繪儀器相配合的方法，導致測量中的采樣點數據較少，并不能最為精準得出測量數據，而雷達掃描可將測量區域內的眾多采樣點屬于同時采樣，提高采樣率。第三，該技術主動狀態下發射掃描光源，并可通過自身的激光發射頻率，判斷回波信息反饋中的地物三維坐標信息。第四，該技術擁有較高分辨率，能夠針對目標物的點位數據，做出高精度數據的判斷。

3.房地一體應用中的分析

3.1應用流程

在激光三維雷達掃描技術的房地一體應用下，可對整個應用過程做出詳細分析，如圖1所示，以此將該應用完善落實至待測目標建筑的地理信息獲取過程中。首先需要對待測區域內進行人工踏勘，并在合理位置布置像控，確保采集數據點位較為完整；其次對數據做出處理，應將航片進行妥善整理，并導入像控，進行空三計算，持續優化數據，建立出三維實景模型；接著將模型輸出，并獲取正射影像圖，得出完整數據信息下的空三報告；然后制作地形圖，并合理制訂配置方案，采用DP繪圖方式，進行地形圖的質量核驗，對圖形做以一定整飾，提供清晰的觀賞圖形；核驗雷達掃描技術的精度，經由野外測量與模型精度兩種檢核方式的交叉核驗，完成對圖形精度的分析；最終提交該技術的成果，包括有三維模型、正射影像，以及房地一體勘測項目的精準地形圖[1]。

3.2項目背景

選擇我國某自然村進行房地一體測量項目，該項目得出的數據將用于整合建庫，留存當地土地資源。項目的外業修補工程，需測繪出近4萬宗地，精度要求為5cm。施測過程中，因待測房屋較為分散且周邊植被茂密，使用傳統測量方法將不能獲取精準數據，所以使用激光三維雷達測量方式，可在該房地一體項目中取得達到精準度要求的測量數據結果。在空曠區域內，采用飛機搭載模式做好點云數據的相關收集工作，并選取該區域內已知坐標位置的點位，其上搭建靜態基站，進行后差分的處理分析。

3.3設備選擇

該待測區域的房地環境較為復雜，地勢起伏的地表結構基礎上，零散分布著待測房屋，且居住居民較多、地物遮掩情況較嚴重，因此選擇使用相應的設備，能提高測量精度，滿足項目要求。該案例項目中選取直升機作為設備載體，人為操控飛機運行，飛機上搭載有激光三維雷達的系統，型制為AS-900，其中該系統內將衛星定位設備（型制GNSS）、慣性測量設備（型制IMU）、激光掃描設備進行集成，并設置中心控制單元，保障測量精度可在數碼相機的150m范圍內達到5cm。該系統將回波功能加以應用，可有效穿透植被干擾，降低遮掩物體帶來的測量影響，另外系統搭載了自主研發的立體測圖軟件，提高繪圖效率，經實測，效率可達傳統效率8倍以上。

3.4數據的采集及處理

結合項目精度需求，根據現場環境的影響，選擇基準站點進行測量作業，由此采集激光雷達技術下的測量數據。勘察現場的范圍、地貌、交通情況等，是影響到雷達掃描的重要因素，因此選擇單種房地一體測量方式，其得出數據符合精度要求的難度較大，采用多種作業結合的測量方式可有效提高數據的準確性。

背包作業的模式可獲取更多有用的地物信息，但地面GPS裝置的信號較易受到干擾，所以應采用地面布控方式，提高信號的正確獲取率，以此增加點云數據的精確性。在一定條件下，對點云位置進行糾正，降低錯誤位置信號對該項目數據精準性的影響，從而獲得更高精度下的激光點云位置信息數據。

采集數據過程中使用無人機作業模式，能有效規避GPS或衛星信號受干擾的情況，但是飛行相對航高，測區地形地貌及航線規劃等因素對成圖精度產生較大的影響，在實際作業過程中，要根據設備和地形地貌情況進行較為精確的參數計算和分析。同時地面靜態基站測量要同步進行，因而需要綜合考慮靜態基站數據質量，坐標轉換精度以及高程擬合精度等[2]。

數據采集完成后，便可獲得原始基站數據、原始GPS數據和原始點云數據，首先通過基站數據和GPS數據進行慣導解算，獲得采集軌跡數據，以此獲取測區的激光點云無縫拼接數據。對數據進行分析，并做出預處理方案，可有效優化數據，促進三維坐標的準確建立，提高項目建設效率。

激光雷達點云數據解算輸出后，還需要根據項目需求對點云數據坐標系統進行轉換。在輸出點云時，在initial explorer里設置好投影參數，通過轉換參數獲得所需的投影坐標系統下的點云數據。獲取點云數據后，對坐標數據進行分析，可判斷出地面目標物的地理信息狀態，包括邊長信息、形狀信息等。

4.掃描技術試驗數據分析

對該項目技術做出試驗數據分析，首先應判斷技術數據的獲取模式，當測量區域位置處于房屋及電線密集區時，可采用背包作業模式，而在較為空曠的區域時，則采用無人機搭載模式進行點云數據采集。在測區附近選取一個坐標的已知點，在該點上架設靜態基站，并帶入點云數據進行后差分處理。在采集過程中盡量勻速步行，盡可能避免急拐彎以及快速掉頭導致慣導記錄錯誤而造成測量誤差，圖2為測區范圍和背包作業軌跡。

當數據采集完成，則需對地面結構部署檢查點，為確保數據準確，檢查點應選擇在點云測量中具備較高辨識度、清晰度的地物目標物角點，可有效提高數據精度。當激光點云數據得出后，使用地面上搭設的靜態基站，進行后差分技術的運用，經解算后推導出點云數據，將該數據統一命名，格式后綴為Las。當點云數據軟件選擇了原有檢查點進行位置分析，該布設位置上推導出相應的云坐標，再利用該坐標與RTK檢查點的坐標以對比，由此得出檢校點、測量點等點位的精度數據，還可得出實測數據與圖解數據的誤差分析，將激光點云技術的相對精度以數據展示。

從精度的統計數據中可知，激光雷達點云的數據，可將點位誤差降至0.054m左右，最大的殘差誤差數據也不超過0.063m，因此能夠充分滿足房地一體中的測量精度要求。其中要求規定，明顯界址位置的檢查點位置精度要達到5cm、隱蔽界址位置精度為7.5cm，相對精度要求為10cm，而該項目中誤差平均為0.064m，所以也可滿足相對精度要求[3]。

5.結語

綜上，激光三維雷達可全天候運作，將地面三維數據進行較高精準度下的獲取，因此在房地一體的勘測項目中，被良好應用，具備現實應用價值。通過對激光雷達的測量應用分析，得出點云精度與觀測數據的實際效果，首先當沒有GPS給予精準定位情況下，慣導系統的定位效果并不理想，而激光的反射作用將會影響點云精度，造成數據浮動現象；其次采用激光雷達進行戶外作業，提高項目成圖率，并且測定精度可滿足空地一體的實測要求。需注意的是在地物遮擋情況嚴重時，采用其他工作方式來配合該區域下的探測，保障空地一體的點云數據精度維持較高水平。

參考文獻：

[1]張力元，張法星，蔡愛玲，等；三維激光雷達掃描技術在河流模擬中的應用[J].水電能源科學， 2020， 38（08）：121-124.

[2]舒斯紅.移動式激光雷達在房地一體測量中的應用[J].資源信息與工程， 2018， 33（05）：119-121.

[3]張美娜，呂曉蘭，邱威等；基于三維激光點云的靶標葉面積密度計算方法[J].農業機械學報， 2017， 48（11）：172-178.