測(cè)繪新技術(shù)在地籍測(cè)繪中的效率評(píng)估與精度評(píng)價(jià)

蔣毅，李旭，魏鑫，王云凱

（1.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京 211102）

根據(jù)2019年中央1號(hào)文件要求，需在2020年順利完成宅基地使用權(quán)確權(quán)登記頒證工作；而地籍測(cè)繪則是該項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，因此2020年全國(guó)各地如火如荼開(kāi)展地籍測(cè)繪工作。傳統(tǒng)作業(yè)方法的人力投入大、時(shí)間周期長(zhǎng)[1]，在短時(shí)間內(nèi)很難完成這項(xiàng)任務(wù)；因此無(wú)人機(jī)傾斜攝影、無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)、站式掃描等技術(shù)相繼被應(yīng)用于地籍測(cè)繪生產(chǎn)中，大大提高了生產(chǎn)效率。本文對(duì)比了無(wú)人機(jī)傾斜攝影、無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)、站式掃描等技術(shù)與傳統(tǒng)方法的效率和成果精度，總結(jié)了不同場(chǎng)景地籍測(cè)繪應(yīng)采用的優(yōu)選方案。

1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程

1.1 測(cè)繪新技術(shù)介紹

1）無(wú)人機(jī)搭載AS-900HL激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)（圖1），采用高性能激光傳感器，測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)量精度高，激光雷達(dá)的多次回波技術(shù)可穿透植被，可在復(fù)雜地形條件下快速獲取高精度激光點(diǎn)云，適用于獲得復(fù)雜山區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 大黃蜂無(wú)人機(jī)搭載AS-900HL

2）賽爾PSDK 102S五鏡頭傾斜攝影相機(jī)采用CNC金屬工藝設(shè)計(jì)制造（圖2），重量更輕、尺寸更小，具備五相位智能自檢、一鍵重置、智能散熱、高精度測(cè)繪測(cè)量等功能。PSDK 102S鏡頭畸變極小，單相機(jī)同步誤差小于1 ms，5個(gè)鏡頭獨(dú)立POS，精度可達(dá)1 cm；搭配大疆智圖軟件，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)房一體化要求下免像控作業(yè)，大大提高數(shù)據(jù)采集精度和外業(yè)作業(yè)效率。

圖2 M300RTK+賽爾102S五鏡頭

3）徠卡RTC360三維激光掃描儀自帶Register360智能點(diǎn)云拼接軟件和Cyclone點(diǎn)云處理軟件（圖3），利用Register360通過(guò)站與站之間的公共點(diǎn)將點(diǎn)云拼接在一起，并形成一個(gè)閉合的相對(duì)空間模型，以確保數(shù)據(jù)的精確性。

圖3 RTC360三維激光掃描儀

1.2 測(cè)試技術(shù)流程

本文根據(jù)無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、站式掃描儀和全站儀的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合地籍測(cè)繪的技術(shù)要求，驗(yàn)證了各種方法的效率和精度。具體測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖

2 生產(chǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試區(qū)概況

本文選取江寧區(qū)建東社區(qū)蔡家村作為測(cè)試區(qū)，包括59宗地，面積約為0.03 km2。測(cè)試采用的無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、RTC360、全站儀均以同一控制網(wǎng)為基礎(chǔ)。

2.2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)具體流程

2.2.1 控制測(cè)量

對(duì)于無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)選擇基站位置，采集基站點(diǎn)坐標(biāo)作為控制點(diǎn)；由于M300RTK免像控，無(wú)需布置控制點(diǎn)；對(duì)于站式三維激光掃描，需在村莊四周布置4個(gè)控制點(diǎn)；全站儀野外實(shí)測(cè)嚴(yán)格按照TD/T1001-2012《地籍調(diào)查規(guī)程》要求布置控制點(diǎn)，具體控制點(diǎn)位如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)與站式三維掃描控制點(diǎn)位置圖

2.2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1）無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)。該測(cè)試區(qū)是經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘優(yōu)選的，現(xiàn)場(chǎng)四周空曠無(wú)遮擋無(wú)任何高大鐵塔，非常有利于無(wú)人機(jī)作業(yè)。無(wú)人機(jī)飛手利用谷歌地圖導(dǎo)入飛行KML范圍，設(shè)計(jì)井字形航線，并確保攝區(qū)邊界完全覆蓋。設(shè)置飛行航高為75 m，航線間距為50 m，井字飛行，飛行速度為6.1 m/s；設(shè)置激光雷達(dá)參數(shù)線頻為120線/s，點(diǎn)頻為550 KHz。在現(xiàn)場(chǎng)空曠位置架設(shè)基站，利用RTK采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，提供作業(yè)時(shí)所需的定位數(shù)據(jù)。為確保可對(duì)比性，在滿足精度的前提下，此次飛行只需1個(gè)架次即可完成作業(yè)。

2）無(wú)人機(jī)傾斜攝影。前期準(zhǔn)備工作與機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)基本一致，外業(yè)實(shí)地踏勘并在大疆智圖App上規(guī)劃航線。設(shè)置飛行高度為80 m，地面分辨率為1.5 cm，飛行速度為8 m/s，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。由于測(cè)試采用大疆M300RTK技術(shù)，其自帶的測(cè)量系統(tǒng)在控制器鏈接上無(wú)線網(wǎng)后，能自主鏈接千尋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)差分定位，無(wú)需布置像控點(diǎn)。準(zhǔn)備完成后，由無(wú)人機(jī)飛手操控M300RTK無(wú)人機(jī)按照預(yù)先規(guī)劃的航線開(kāi)始作業(yè)，為確保可對(duì)比性，在滿足精度的前提下，此次飛行也只需1個(gè)架次即可完成作業(yè)。

3）RTC360站式掃描。將ST80輕質(zhì)腳架與掃描儀連接好、檢查儀器正常后，即可開(kāi)始架站作業(yè)。為保證點(diǎn)云采集完整密集，需在每個(gè)巷口架站；且站與站之間間隔不超過(guò)10 m，必須有公共角。與無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)不同，其能保證房屋的完整性，而站式掃描由于無(wú)法進(jìn)入農(nóng)戶(hù)院子，將導(dǎo)致采集的房屋不完整，此時(shí)需在奧維軟件上標(biāo)注位置，后期補(bǔ)充掃描或補(bǔ)充調(diào)繪，作業(yè)時(shí)還需在奧維軟件上記錄架站地點(diǎn)，在平板電腦上利用Cyclone Field 360實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)遺漏缺失，方便后期點(diǎn)云成果的拼接。架站數(shù)據(jù)采集前，需放置標(biāo)靶并用釘子固定，標(biāo)靶點(diǎn)中心坐標(biāo)即控制點(diǎn)坐標(biāo)，標(biāo)靶離掃描儀不超過(guò)2 m，以確保采集數(shù)據(jù)時(shí)能掃到標(biāo)靶。掃描儀數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，再使用RTK采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

1）無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)下載到電腦，采用Inertial Explorer后處理軟件處理所有可用的GNSS、INS數(shù)據(jù)，提供高精度組合導(dǎo)航信息，包括位置、速度和姿態(tài)等。POS解算操作主要包括基站數(shù)據(jù)預(yù)處理和GPS/INS組合解算兩個(gè)部分。基站數(shù)據(jù)預(yù)處理是將基站原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式，再對(duì)移動(dòng)站數(shù)據(jù)處理后的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行組合解算，得到高定位定姿數(shù)據(jù)。通過(guò)點(diǎn)云解算，對(duì)原始激光文件進(jìn)行解碼，解算得到WGS84橢球下的經(jīng)緯度和橢球高數(shù)據(jù)，由于測(cè)試地區(qū)采用南京地方坐標(biāo)系，為方便實(shí)際應(yīng)用，融合解算軟件支持將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目坐標(biāo)系，輸出las格式的點(diǎn)云成果。利用Comapping點(diǎn)云采集軟件，配合“兩點(diǎn)確線法”、“垂線測(cè)圖法”和三維點(diǎn)云模型，對(duì)房屋形狀、結(jié)構(gòu)等地形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2）無(wú)人機(jī)傾斜攝影。采集的原始數(shù)據(jù)通過(guò)大疆智圖數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行三維實(shí)景模型建模。全新升級(jí)的大疆智圖V2.2版本，新增了支持五相機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，模型精度更高，重建速度更快，建模過(guò)程一鍵完成，處理效率是其他軟件的3倍。建模完成后，利用3DMapper軟件采集房屋邊線，利用TIN網(wǎng)輔助繪圖，建模過(guò)程中已提取了大量不規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn)，這些測(cè)點(diǎn)在正射影像視角下會(huì)非常集中，利用該特性，在集中區(qū)域選擇特征點(diǎn)構(gòu)成房屋平面圖。3DMapper還提供了模型紋理提取功能，能更直觀地采集特征點(diǎn)。

3）RTC360站式掃描。基于RTC360三維激光掃描儀自帶的Register360智能點(diǎn)云拼接軟件和Cyclone點(diǎn)云處理軟件，首先利用Register360通過(guò)站與站之間的公共點(diǎn)將點(diǎn)云拼接在一起，形成一個(gè)閉合的相對(duì)空間模型，以確保數(shù)據(jù)的精確性；再通過(guò)Cyclone對(duì)控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)轉(zhuǎn)換，從而得到CGCS2000坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云模型，導(dǎo)出las格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景復(fù)制的三維模型。與無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)相似，RTC360站式掃描也是利用Comapping進(jìn)行房屋平面圖的繪制；區(qū)別在于，RTC360具有強(qiáng)大的復(fù)制技術(shù)，能同時(shí)得到一個(gè)實(shí)景三維模型，能更直接地觀察房屋結(jié)構(gòu)形狀等信息，無(wú)需采用Comapping自帶的三維點(diǎn)云模型對(duì)房屋形狀、結(jié)構(gòu)等地形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2.2.4 效率評(píng)估

以測(cè)試區(qū)范圍為例，本文分別統(tǒng)計(jì)分析了無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)、M300RTK傾斜攝影、站式三維掃描和全站儀實(shí)測(cè)4種方式完成各階段測(cè)量任務(wù)的時(shí)間，生產(chǎn)效率對(duì)比如圖6所示，可以看出，相較于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)，在保證精度的前提下，無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的總體采集效率最高，無(wú)人機(jī)傾斜攝影次之，站式三維掃描第三，均優(yōu)于傳統(tǒng)全站儀方法。

圖6 各種方法效率對(duì)比圖/h

2.2.5 精度評(píng)價(jià)

項(xiàng)目測(cè)量完成后，本文分別將無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)、M300RTK傾斜攝影、站式三維掃描生產(chǎn)的房屋數(shù)據(jù)成果與傳統(tǒng)全站儀生產(chǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1新技術(shù)方法實(shí)測(cè)坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)表/m

由測(cè)試區(qū)精度驗(yàn)證分析來(lái)看，雖然近年來(lái)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在遙感與測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]，可從垂直、傾斜等不同角度采集影像[3]，獲取地面物體全方位的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后生成實(shí)景三維影像[4]，但由于測(cè)區(qū)內(nèi)有部分植被遮擋，粗差不好控制，勉強(qiáng)可達(dá)點(diǎn)位精度，間距精度偏大；無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)在植被覆蓋區(qū)域的優(yōu)勢(shì)更明顯[5]，有效解決了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)圖精度的不足，且能大幅提高傳統(tǒng)方法的效率，其每一架次數(shù)據(jù)由基站坐標(biāo)解算獲得，自成剛體，間距精度可得到有效控制[6-7]，其點(diǎn)位精度和間距精度都是最好的。測(cè)繪新技術(shù)能大大減少外業(yè)的人力物力消耗，節(jié)約時(shí)間，提高工作效率，還能提高測(cè)圖質(zhì)量和精度[8]；且與傳統(tǒng)作業(yè)模式相比，在效率、精度、成本和工期等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)[8-9]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將測(cè)繪新技術(shù)與傳統(tǒng)全站儀方法在同一地區(qū)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，闡述了各種新技術(shù)的生產(chǎn)工序，分析了各種新技術(shù)的效率情況，進(jìn)而利用傳統(tǒng)方法驗(yàn)證了其他3種方法生產(chǎn)的數(shù)據(jù)精度。無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的精度和效率均最高，但其設(shè)備貴、風(fēng)險(xiǎn)高、操控要求高；無(wú)人機(jī)傾斜攝影具有模型直觀、可直接量測(cè)、外業(yè)調(diào)繪工作量少、整體成本較低等優(yōu)勢(shì)，但其受光照影響較大，植被遮擋等造成的粗差不好控制，精度受到一定影響；站式掃描儀不受空域限制、輕小便攜、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；由此可見(jiàn)，3種測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用于地籍測(cè)繪或地形測(cè)繪均是可行的，但各有優(yōu)劣，具體應(yīng)根據(jù)空域、成本、交通、房屋密集程度、植被茂密程度等情況來(lái)選擇，為用戶(hù)提供了多種選擇方案。