車載LiDAR移動(dòng)測量系統(tǒng)在不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪中的應(yīng)用

田甜 李勝天

（江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊(duì)，江西 南昌 330001）

1 引言

為維護(hù)和保障廣大人民群眾的合法財(cái)產(chǎn)權(quán)益、助力鄉(xiāng)村振興，各級(jí)政府全面啟動(dòng)農(nóng)村宅基地、集體建設(shè)用地使用權(quán)及地上房屋所有權(quán)確權(quán)登記發(fā)證工作。權(quán)籍調(diào)查測繪作為不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，可查清農(nóng)村宅基地、房屋、集體土地等不動(dòng)產(chǎn)的界址、權(quán)屬、面積、用途、等級(jí)等基本情況，從而形成具有法律效應(yīng)的數(shù)據(jù)、圖件、表冊等調(diào)查資料[1]。傳統(tǒng)的不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪方式主要有以下問題 ：（1）使用GPS-RTK 和全站儀的全野外實(shí)測方法，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)周期長、受天氣和環(huán)境影響大等問題 ；（2）利用載人大飛機(jī)和無人機(jī)進(jìn)行航測的方式受制于空域申請困難，目前使用成本較高；（3）基于遙感測繪的手段因受衛(wèi)星重訪周期影響，影像現(xiàn)勢性不高，而且農(nóng)村居民點(diǎn)分散，冗余信息較多，現(xiàn)階段精度還難以達(dá)到要求。針對不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪現(xiàn)勢性要求高、快速成圖的特殊需求，傳統(tǒng)的測繪作業(yè)方式已難以滿足要求，亟待更新。近年來，測繪行業(yè)逐漸向著信息化、智能化方向發(fā)展，以無人機(jī)、三維激光掃描等為代表的先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展成熟，特別是高效快捷的車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)已成為當(dāng)前熱門的研究課題。

2 車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)工作原理

LiDAR 是一種以激光器為輻射源的雷達(dá)系統(tǒng)，簡稱激光雷達(dá)，是激光技術(shù)與現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合形成的一種先進(jìn)探測方式[2]，近年來已日趨發(fā)展成熟。車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)是由LiDAR 技術(shù)衍生而來的高新測繪技術(shù)，以汽車平臺(tái)為載體，將三維激光掃描儀、GNSS、POS（定姿定位系統(tǒng)，包括GPS 和IMU）、CCD相機(jī)等傳感器高度集成，通過車輛移動(dòng)掃描記錄行進(jìn)路線兩側(cè)物體的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等，掃描得到的數(shù)據(jù)稱為點(diǎn)云，后期用專業(yè)軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到物體的空間信息（作業(yè)示意圖如圖1所示）。

圖1 車載LiDAR移動(dòng)測量系統(tǒng)工作原理

車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)的工作原理為：三維激光掃描儀向周圍物體發(fā)射激光脈沖信號(hào)，同時(shí)接收物體反射回的信號(hào)，其測距原理是通過記錄激光脈沖發(fā)射的時(shí)間與獲得脈沖反射的時(shí)間差，來計(jì)算出從激光掃描儀到達(dá)物體的距離，計(jì)算公式為：

公式（1）中，d表示激光發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的距離，C表示光在空氣中的傳播速度，Δt表示激光脈沖發(fā)射的時(shí)間與獲得脈沖反射的時(shí)間差。GNSS 主要獲取當(dāng)前車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)位置的精確坐標(biāo)，通過基準(zhǔn)站和安裝在系統(tǒng)上的接收機(jī)同時(shí)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，再計(jì)算出車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)掃描中心的定位結(jié)果。IMU 通常是在GPS 信號(hào)失鎖情況下用于確定車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)運(yùn)行的瞬時(shí)姿態(tài)[3]，在GPS 信號(hào)較差時(shí)，通過提供系統(tǒng)橫滾、偏航和俯仰這三個(gè)姿態(tài)信息來補(bǔ)充GPS 信息。CCD 相機(jī)用于獲取道路兩側(cè)的數(shù)字影像，后續(xù)可利用點(diǎn)云和影像的配準(zhǔn)算法，給黑白點(diǎn)云附加彩色信息，以及為三維建模提供紋理信息。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

南昌市某確權(quán)登記發(fā)證項(xiàng)目需開展不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪工作，測區(qū)地貌以低山丘陵為主，居民地分布密集分散，街道狹窄，房屋建筑形狀極不規(guī)則，測量難度較大。如果采用常規(guī)測量手段需投入大量人力物力，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。針對以上情況，項(xiàng)目組決定將車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)應(yīng)用于該工程。

3.2 方案設(shè)計(jì)

（1）路線規(guī)劃。合理的掃描路線規(guī)劃是全面獲取不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，采集前需勘察預(yù)定測區(qū)范圍的實(shí)際路線，將實(shí)際勘察的GNSS 軌跡導(dǎo)入電子地圖，并結(jié)合測區(qū)遙感影像規(guī)劃路線。掃描路線以直行、左拐為主，減少在GNSS 失鎖區(qū)域滯留時(shí)間，避免GNSS 失鎖造成的組合導(dǎo)航精度下降。為保證數(shù)據(jù)的完整性，需往返兩次采集數(shù)據(jù)，增加物體點(diǎn)云密度。

（2）作業(yè)流程。車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪中主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理兩大流程，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集包括設(shè)備調(diào)試、架設(shè)GNSS 基站、點(diǎn)云采集；點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、地籍信息提取與矢量化、地籍成圖以及精度檢查，具體作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 作業(yè)流程

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

（1）設(shè)備調(diào)試。本次掃描采用華測導(dǎo)航MS-900 車載激光掃描測量系統(tǒng)，該設(shè)備重約3.5kg，數(shù)據(jù)采集速度高達(dá)55 萬點(diǎn)/秒，最大測距達(dá)920m，測量精度達(dá)10mm@100m，重復(fù)精度5mm，通過搭載摩托車平臺(tái)，一次跑車能全方位無死角掃描道路兩側(cè)的地物目標(biāo)。作業(yè)前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整激光、相機(jī)等傳感器的各項(xiàng)參數(shù)，確保系統(tǒng)各硬件接口和指示器正常工作。

（2）架設(shè)GNSS 基站。單個(gè)基站覆蓋半徑不大于5km，基站應(yīng)架設(shè)在平面和高程精度均優(yōu)于1cm 的已知點(diǎn)上，相鄰基站應(yīng)保證有一定重疊度。

（3）點(diǎn)云采集。數(shù)據(jù)采集時(shí)，行車速度不超過20km/h，以確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集密度，盡可能減少因錯(cuò)車造成的點(diǎn)云空洞，移動(dòng)測量車在通過隧道、峽谷地帶后均在GNSS 信號(hào)良好且安全處靜止1 分鐘以上。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)包含：組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)、照片流數(shù)據(jù)、原始點(diǎn)云流數(shù)據(jù)和同步控制板數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)解析后，可獲得地方坐標(biāo)系下的高精度真彩點(diǎn)云數(shù)據(jù)、系統(tǒng)行駛軌跡、全景影像數(shù)據(jù)。利用RISCAN Pro 軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及全景數(shù)據(jù)的快速解析，該軟件還附帶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算功能，在獲得測區(qū)精確轉(zhuǎn)換參數(shù)后，可快速實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)任意坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。測區(qū)預(yù)處理后的局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 測區(qū)局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)

（2）地籍信息提取與矢量化。利用SWDY 三維點(diǎn)云應(yīng)用軟件將預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地物進(jìn)行快速分類，并自動(dòng)提取出房屋、圍墻、柵欄等地物信息，道路、植被等地形信息，最后根據(jù)提取的信息進(jìn)行地物、地形連圖處理，保證線形的連續(xù)性，提取后自動(dòng)連圖矢量化成果如圖4 所示。

圖4 提取后自動(dòng)連圖矢量化成果

3.5 地籍圖繪制

基于上述對地籍要素特征的自動(dòng)提取和自動(dòng)連圖成果，利用SWDY 軟件進(jìn)行房屋、道路、宗地等要素的矢量編輯，對于未提取出的特征點(diǎn)，在點(diǎn)云工作站中可選擇不同的視圖模式來提取。其中一種為通過點(diǎn)云三維顯示來提取特征點(diǎn)和邊界信息，也可以利用俯視投影視角，根據(jù)地物的輪廓信息判斷特征點(diǎn)和邊界的位置，提取特征點(diǎn)的坐標(biāo)。從俯視視角下可以看到線狀地物在點(diǎn)云投影中表現(xiàn)清晰，易于識(shí)別。內(nèi)業(yè)處理方法無法采集到的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，需要人工實(shí)地補(bǔ)測。

3.6 精度檢查

為了檢查本次不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍測繪成果的精度，項(xiàng)目均勻選取地籍成果圖中的100 個(gè)界址點(diǎn)當(dāng)作檢查點(diǎn)，利用GPS-RTK 與全站儀實(shí)地測量，將檢查點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)與實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比對，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 檢查點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)/m

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)和中誤差計(jì)算公式：

公式（2）中n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)，計(jì)算得出100 個(gè)檢查界址點(diǎn)的平面中誤差為±3.3cm，高程中誤差為4.1cm，參照《地籍測繪規(guī)范》（CH 5002-94 ）之規(guī)定：一類界址點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于5cm，允許誤差不大于l0cm，本項(xiàng)目的檢查界址點(diǎn)精度符合規(guī)范中一類界址點(diǎn)的精度要求。

3.7 應(yīng)用總結(jié)

任務(wù)完成后，項(xiàng)目組將車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪方法的生產(chǎn)效率進(jìn)行了比較：在外業(yè)效率方面，傳統(tǒng)測繪需要投入十幾名甚至幾十名外業(yè)作業(yè)人員，人員能力和責(zé)任心的差異常常導(dǎo)致測繪成果質(zhì)量有較大差距，而車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)只需較短時(shí)間就能完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，測量誤差不會(huì)產(chǎn)生累積。在內(nèi)業(yè)效率方面，傳統(tǒng)方法需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)，再與草圖進(jìn)行對比，最后繪制出成果圖，而車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)可在導(dǎo)出數(shù)據(jù)后直接在點(diǎn)云上進(jìn)行描繪，再經(jīng)過簡單處理就可直接出成果圖，經(jīng)比較，內(nèi)業(yè)出圖效率比傳統(tǒng)作圖高出3 倍以上。總體來看，車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)較傳統(tǒng)測繪方法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）方便靈活。車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)可以快速到達(dá)測區(qū)并迅速展開作業(yè),面對普通汽車難以作業(yè)的小路和人行道等，可將設(shè)備安裝在摩托車上進(jìn)入隱蔽地區(qū)作業(yè)，保證了測量數(shù)據(jù)的完整性。

（2）工作效率高。在測量過程中，激光掃描儀實(shí)時(shí)獲取包含三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、RGB 信息和屬性信息，搭載的高分辨率相機(jī)獲取影像資料，可以完整得到地籍?dāng)?shù)據(jù)，采集過程人為干預(yù)少，極大地減少外業(yè)工作時(shí)間。內(nèi)業(yè)方面可實(shí)現(xiàn)屬性自動(dòng)掛接和一鍵式三維建模，使得內(nèi)業(yè)工作更加簡單、方便。

（3）精度高。系統(tǒng)搭載的激光雷達(dá)測量儀器可獲取厘米級(jí)精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]，滿足地籍要素采集需要的精度。在城市GNSS 信號(hào)失鎖嚴(yán)重區(qū)域，RTK 采集手段難以實(shí)施，移動(dòng)測量技術(shù)采集效率的優(yōu)勢尤為突出。

4 結(jié)束語

不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪是一項(xiàng)繁瑣的工作，傳統(tǒng)測量方法受多種客觀因素影響， 外業(yè)作業(yè)時(shí)間難以控制，車載LiDAR 移動(dòng)測量系統(tǒng)以其方便靈活、高效率、高精度等優(yōu)勢大大提高了地籍成圖的速度，節(jié)省了人力物力。經(jīng)驗(yàn)證，利用該系統(tǒng)所獲取的成果在精度上完全符合相關(guān)規(guī)范要求，為不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測繪提供了一種嶄新的數(shù)據(jù)獲取方式，相信隨著科技的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)必將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。