車載LiDAR移動測量系統(tǒng)在地籍測繪中的應用研究

陳哲

（德州市自然資源局，山東 德州 253000）

1 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷推進，城市土地供需矛盾日益突出，由此政府加大了國土資源的管理工作。作為國土管理的基礎性工作，地籍測繪所形成的數(shù)據(jù)、圖件對于掌握土地利用實際變化情況、持續(xù)更新土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫、深化“一張圖”系統(tǒng)和國土綜合監(jiān)管平臺建設發(fā)揮了巨大作用[1]。地籍測繪方法從傳統(tǒng)的平板儀測圖、全站儀測圖、GPS-RTK 測圖，到數(shù)字攝影測量測圖，精度和效率都在不斷提升。三維激光掃描技術(shù)是20 世紀90 年代中期開始興起的一項高新技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集速度和范圍、數(shù)據(jù)源的全面性、作業(yè)安全性以及自動化等方面都有了質(zhì)的飛躍，其中，車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)以其高效快捷、高精度的特點在當前備受關(guān)注。

2 車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)

2.1 工作原理

車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)是以行駛車輛為搭載平臺，能夠快速獲取行進路線兩側(cè)的三維空間信息和影像數(shù)據(jù)（如圖1 所示）。其基本組成主要包括：三維激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性測量單元（IMU）、CCD 相機等多種傳感器[2]。

圖1 車載LiDAR移動測量系統(tǒng)作業(yè)示意圖

三維激光掃描儀向周圍物體發(fā)射激光脈沖信號，同時接收物體反射回的信號，其測距原理是通過記錄激光脈沖發(fā)射的時間與獲得脈沖反射的時間差來計算出從激光掃描儀到達物體的距離，計算公式為：

式（1）中，d表示激光發(fā)射點和目標點之間的距離，C表示光在空氣中的傳播速度，Δt表示激光脈沖發(fā)射的時間與獲得脈沖反射的時間差。

（1）GPS 用于獲取當前車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)所在位置的精確坐標，其通過基準站和安裝在系統(tǒng)上的接收機同時接收導航衛(wèi)星發(fā)射出的信號，再經(jīng)過計算得出車載LiDAR移動測量系統(tǒng)掃描中心的定位結(jié)果。

（2）IMU 通常是在GPS 信號失鎖的情況下用于確定車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)運行的瞬時姿態(tài)[1]，在GPS 信號較差的情況下，其通過提供系統(tǒng)橫滾、偏航和俯仰這三個姿態(tài)信息來補充GPS 信息。

（3）CCD 相機用于獲取道路兩側(cè)的數(shù)字影像，后續(xù)可以利用點云和影像的配準算法，給黑白點云附加彩色信息，以及為三維建模提供紋理信息。

2.2 車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征

作為一種非接觸主動探測技術(shù)，車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)具有以下幾個特征：

（1）獲取到的點云數(shù)據(jù)量龐大。車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)能夠以每秒上百萬個點的速度掃描地物表面的三維信息，有效掃描距離大約在300m 左右。

（2）數(shù)據(jù)信息復雜且多樣。車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)獲取的點云數(shù)據(jù)包含大量的地物要素，這些要素包括道路、路燈、標識牌、護欄等公共設施，行道樹、灌木、花圃等綠化設施，以及移動中的車輛、行人等。

（3）點云數(shù)據(jù)包含多種信息。這些點云數(shù)據(jù)包含多種有價值意義的信息，除最基本的三維坐標信息外，還可以得到地物的反射強度信息以及多次回波信息[3]。點云與影像數(shù)據(jù)進行配準后，點云還可以賦予顏色和紋理信息。

3 應用實例

3.1 項目概況

某土地變更調(diào)查項目需要進行地籍測繪工作，考慮到使用常規(guī)方法生產(chǎn)效率不高，難以在約定工期內(nèi)完成任務，本項目嘗試應用車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)進行外業(yè)作業(yè)。該測區(qū)面積約1.5km2，以丘陵地貌為主，房屋分布不規(guī)則，具有一定的代表性。

3.2 方案設計

外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，首先對測區(qū)進行踏勘，以了解測區(qū)的道路情況。其次，還需要對車輛的行進路線進行詳細規(guī)劃，尤其是對有樹木和高樓的遮擋區(qū)域進行實地調(diào)查，提出補充測量方案。規(guī)劃行駛路線的基本原則如下：

（1）以盡可能短的行駛距離完成作業(yè)區(qū)域的全部掃描任務，同時盡量避免重復掃描。

（2）盡量選擇GPS 信號良好的行駛路線，保證測量精度。

3.3 數(shù)據(jù)采集

（1）設備介紹

本項目所采用的車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)是在越野車上集成安裝了1 部高精度慣性導航設備（GPS/IMU）、1 臺高分辨率全景相機、2 臺RIEGL 公司不同型號的激光掃描儀VZ-400 和LMS-120i、1 臺同步控制單元以及4 臺工控計算機。該車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)將所有高精度傳感器安裝在車頂平臺，并通過系統(tǒng)標定建立嚴格的幾何關(guān)系，同時采用計算機時鐘和GPS 作為時間基準，通過同步控制系統(tǒng)，保證所有傳感器與平臺的運動和姿態(tài)同步進行。當車輛以一定速度勻速行駛時，GPS 和IMU 同時觀測并記錄各傳感器的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，地面激光雷達和全景相機以一定采樣頻率開始掃描和拍照，所有傳感器都受控于車載計算機系統(tǒng)，并通過同步控制系統(tǒng)觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集，在完全依靠動態(tài)GPS 和IMU 的情況下，整體精度一般在厘米級，從而實現(xiàn)全方位場景下的三維點云信息和紋理信息的快速獲取。

（2）點云和影像數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時需要綜合考慮道路交通擁擠狀況、天氣狀況、周邊環(huán)境等，天氣選擇在天空晴朗的時間段，數(shù)據(jù)成果設置為*.pgr 的格式。數(shù)據(jù)采集完成后，做好數(shù)據(jù)下載和備份工作，同時對采集的數(shù)據(jù)進行完整性檢查。全景相機是按照固定的頻率采集周邊環(huán)境照片，在進入測區(qū)拍攝前，需要做好影像預覽，調(diào)整影像色調(diào)和亮度，進行白平衡等工作。

3.4 數(shù)據(jù)處理

利用Waypoint Inertial Explore 軟件對車載POS 數(shù)據(jù)及GPS 基站數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算。IMU/GPS 在數(shù)據(jù)處理上通常有兩種方式：一是將IMU、GPS 的原始數(shù)據(jù)同時進行卡爾曼濾波，計算出載體位置和姿態(tài)信息；二是將IMU、GPS 的原始數(shù)據(jù)各自處理，然后再聯(lián)合解算出載體的姿態(tài)信息和具體位置[4]。在定位前，分離出IMU、GPS 數(shù)據(jù)，并對分離后的GPS 數(shù)據(jù)進行處理。在數(shù)據(jù)定位后，根據(jù)GPS 天線偏心分量數(shù)值，可先解算得到GPS 天線的坐標信息（偏心分量實測獲得），再根據(jù)IMU 偏心分量及IMU 與激光掃描儀相對位置，計算激光掃描儀的坐標信息（該部分數(shù)值由標定資料提供）。利用RiScan Pro 軟件對聯(lián)合定位信息進行處理，得到車載三維激光掃描儀的行跡文件，完成對激光點云的定位定向，確定每個激光點的三維坐標。車載三維激光掃描系統(tǒng)采集到海量的點云數(shù)據(jù)，由于車輛行駛過程中的顛簸、樹木的遮擋、玻璃的透射等各種干擾，點云數(shù)據(jù)存在冗余及噪聲，采用CityScene軟件進行濾波以去除噪聲點，得到濾波后的點云數(shù)據(jù)（如圖2 所示）。

圖2 濾波后的點云數(shù)據(jù)

3.5 地籍成圖

（1）軟件配置

首先建立數(shù)據(jù)庫，在VsurMap 軟件中配置好成圖區(qū)域的點云、軌跡、照片、數(shù)據(jù)庫等內(nèi)業(yè)成圖所需要的內(nèi)容，之后基于真彩激光點云和可量測全景影像進行要素采集。

（2）地籍要素采集

在地籍要素采集中，可以將點、線要素分類采集，首先進行點狀地物的提取，然后在全景照片中使用單全景采集功能采集線狀要素，該作業(yè)方式可以較好地避免兩種不同數(shù)據(jù)采集方式來回切換，方便作業(yè)人員進行操作，以提高工作效率。在地籍要素采集過程中，為輔助判斷地物可采用點云與全景聯(lián)動定位的方法，如在全景影像中采集樹木的位置，可自動定位到二維地圖中，開展要素采集工作。對于內(nèi)業(yè)無法采集到的特征點數(shù)據(jù)，則需要人工利用常規(guī)測繪儀器進行外業(yè)補測，再對各要素進行編輯處理，最后將矢量數(shù)據(jù)導出為DWG 格式（如圖3 所示），完成地籍圖的編繪。

圖3 地籍圖

3.6 精度檢查

利用GPS-RTK 和全站儀對部分界址點進行檢查，以檢驗利用車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)采集的點云數(shù)據(jù)精度。在測區(qū)不同區(qū)域選取30 個明顯地物點,對內(nèi)業(yè)成圖數(shù)據(jù)進行檢查，利用其坐標差值進行統(tǒng)計，選取的地物點大多數(shù)為房屋拐角點，房屋立面無復雜結(jié)構(gòu)，常規(guī)測繪儀器能夠一次性測量，不會發(fā)生誤差的累積，部分界址點精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 部分界址點精度統(tǒng)計

經(jīng)式（2）計算，車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)的平面位置中誤差達到±3.79cm，高程中誤差達到±4.88cm，滿足地籍測繪規(guī)范的精度要求。

3.7 應用總結(jié)

任務完成后，項目組將傳統(tǒng)地籍測繪方法與車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)的生產(chǎn)效率進行了比較：在外業(yè)效率方面，利用GPS-RTK 和全站儀測一幢普通民房需要兩個人，用時10 分鐘左右；而車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)，只需不足2 小時就能完成約100 幢房屋的數(shù)據(jù)采集。在內(nèi)業(yè)效率方面，傳統(tǒng)方法需要對數(shù)據(jù)進行展點，再與草圖進行對比，最后繪制出地籍圖；而車載三維激光測量系統(tǒng)，可以在導出數(shù)據(jù)后直接在點云上進行描繪，再經(jīng)過簡單處理就可直接出地籍圖。經(jīng)比較，內(nèi)業(yè)出圖效率比傳統(tǒng)作圖高出3 倍以上?？傮w來看，車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)和GPS-RTK、全站儀的測繪方法相比，生產(chǎn)效率至少提高了5 倍，且精度有保證，應用效果顯著。

4 結(jié)束語

車載LiDAR 移動測量系統(tǒng)顯著提高了地籍成圖的速度，既高效又快捷，在道路狀況好、GNSS 信號強的地區(qū)，數(shù)據(jù)采集覆蓋率、工作效率以及測量精度較高，能夠滿足地籍測圖的需求。試驗發(fā)現(xiàn)，其主要問題是受GNSS 信號影響較大，道路狀況差時，數(shù)據(jù)采集覆蓋率不高。下一步仍需研究的方向是：

（1）采用多種方式相結(jié)合來彌補數(shù)據(jù)采集覆蓋率低的問題，如與無人機航測技術(shù)相結(jié)合，充分利用航測高覆蓋率的優(yōu)勢。

（2）提高內(nèi)業(yè)成圖軟件的自動化水平，例如自動提取建筑物或道路邊線等。