利用無人機機載激光雷達開展農村不動產權籍調查

闕德海

（龍巖市勘察測繪大隊，福建 龍巖 364000）

0.引言

為推動不動產登記制度的建立和實施，全國陸續開展農村不動產權籍調查工作。農村不動產權籍調查中一直面臨著諸多問題，如，農村房屋分布廣，部分房屋連片，測量難以分辨，工作效率低；房屋附屬結構多，測量作業時存在漏測情況，最后的修正核實工作量大；隨著更多的年輕人外出就業，農村房屋空置率高，在需要對有些房屋進屋調查測量時，完成難度高；我國農村不動產權籍調查工作量大，需要投入大量的人力、物力，且測量人員培養慢、測量效率較低。

激光雷達測量技術（LiDAR）是一種新興技術，在測繪作業時表現出快速、高效、精確等優點。于俊紅等[1]利用車載激光雷達測量系統對太倉市農村不動產進行權籍調查，并與傳統測量結果進行了測量效率、測量精度對比分析。結果表明：車載激光雷達測量系統測量效率為500戶/天，傳統測量效率僅為15戶/天。同時車載激光雷達測量系統測量精度穩定，即使少部分位置精度偏移亦可通過測點校正使其滿足測量要求。陳佳旺等[2]將傾斜攝影測量技術應用于農村不動產權籍調查作業中，首先結合實際案例，對傾斜攝影測量技術要點及在實際應用中的必要性進行分析，并計算生成的地籍圖精度。結果表明：點位中誤差僅為8.7 cm。劉旭[3]利用無人機搭載傾斜攝影機開展農村不動產權籍調查工作，結合實際案例，從經濟性、技術層面、工作效率等方面探討了無人機傾斜攝影測量技術的可行性。齊慶會[4]從技術效率層面對比分析機載三維航攝技術和激光雷達測量技術在不動產權籍調查中的優缺點。結果表明：機載三維航攝技術在輸出三維模型時可視化效果好，而激光雷達測量技術測得的點云數據幾何精度高，二者各有優點，在不動產權籍調查中有很好的應用前景。馮梅[5]列舉了基于LiDAR技術和航空影像技術兩種三維模型建立方法，并對其優缺點進行比較，指出實際應用中為了達到高效、精確的目的，往往需要結合多種作業方案。閭海洋等指出采用全站儀單點測量的傳統不動產權籍調查方法耗費大量人力、物力，成本較高，雖然可保證測量精度但效率低下。

本文利用激光雷達測量技術開展農村不動產權籍調查，高效精確建立測區地籍圖，并對其精度進行分析，有效提高了不動產權籍調查效率。

1.測量技術原理

1.1 機載激光雷達測量技術

機載激光雷達測量技術結合了計算機終端技術、激光測距技術、POS動態載體姿態測量技術以及高精度全球定位系統差分定位技術。通過測距、角度和全球定位系統差分技術GNSS獲得目標區域數字模型及地面物體的三維坐標。同時，通過機載CCD圖像采集系統獲取目標區域的圖像信息，采用計算機終端軟件對激光點數據進行處理，將采集到的數據與圖像信息相對應，從而完成對目標區域的信息采集工作。

其測量原理如圖1所示，首先，機載雷達向目標區域發射電磁波信號，獲取測量距離、角度等。之后，通過全球定位系統和慣性輔助系統計算分析得出相應地區地面光斑的三維坐標。三維坐標的計算基于極坐標定位原理，對于某一空間向量，已知其模與坐標方向，即可計算出該向量另一端的點坐標。

圖1 機載激光雷達測量技術原理

1.2 數據采集技術

三維數據采集技術是通過CDD圖像傳感器及INS慣性輔助系統對目標區域物體進行空間三維信息數據采集，結合機載激光雷達技術，獲取具體的點云數據信息的一種技術方法。

基于點云數據的采集技術，使用三維立體數據采集軟件，進一步提高點數據的精確度，生成無損矢量數據，將采集的點云數據進行編輯，形成DEM、DLG等成果。

2.實際案例的應用

本次試驗區是上杭縣稔田鎮化厚村，范圍約為2.0 km2。本項目數學基礎：

（1）坐標系統：2000國家大地坐標系，中央子午線經度為117°。

（2）高程基準：1985國家高程基準，基本等高距為1.0 m，高程值單位為m。

（3）投影方式：高斯—克呂格投影3°分帶。

試驗區域地形、地貌復雜，房屋類型、附屬結構多，房屋周邊山形較多，高程特征點采集困難。試驗區域的選取具有代表性，可為后續利用無人機機載激光雷達開展農村不動產權籍調查作業提供參考。

2.1 作業流程

本文試驗采用飛馬D2000多旋翼無人機，搭載D-Li－DAR500激光雷達系統對上杭縣稔田鎮化厚村農村不動產權籍調查底圖生產，作業的技術流程如圖2所示。

圖2 作業流程

（1）首先對目標區域進行勘測，收集資料。

（2）處理測區數據資料，設計飛行路線以及確定地面基站架設方位。

（3）利用無人機搭載激光雷達，經提前設定的飛行路線對測區進行激光掃描并采集數據。采集完成后檢查飛行路線及飛行數據，查漏補缺，確保數據完整。

（4）利用飛馬無人機管家（專業版）對采集點云數據進行處理、檢查，利用EPS（2020）點云地理要素矢量對象化協同處理系統軟件輸出形成工作底圖。

2.2 機載激光雷達測量系統

測量系統由以下幾部分組成：

（1）GPS地面基站：用于限制無人機飛行路線以及作業范圍。

（2）INS慣性輔助系統：用于測量掃描裝置的空間姿態參數，確保掃描裝置處于目標掃描區域。

（3）激光測距儀：用于確定激光雷達信號到地面參考點的距離。

（4）CDD圖像傳感器：用于記錄測區范圍內的地形地貌，必要時可為數據計算、數據成圖提供參考。

2.3 外業部分

（1）測區踏勘：了解測區地形地貌以及測量范圍，特別是合同約定房屋周邊30 m范圍內地形、地貌覆蓋范圍。

（2）基站架設、基站坐標測量及航線設計：根據測區范圍合理布置地面基站，確定基站方位、間距及數量，確保進行飛行測量作業時可同步接收GPS信號，同時根據前期測區踏勘資料，確定航線設計覆蓋測區全范圍。

（3）激光掃描：利用無人機搭載激光雷達，進行飛行采集數據作業，覆蓋掃描測區。本次無人機飛行數據設定為：飛行速度10 m/s，飛行高度100 m，激光雷達重疊率50%，相機重疊率航向60%，旁向23%，點云密度58個/m2。

（4）數據下載：飛行作業完成后，檢查飛行路線及飛行數據，確保數據完整后將數據下載至飛馬無人機管家（專業版）處理。

2.4 內業部分

外業部分作業包含數據采集工作，內業部分則是將外業采集的數據進行分析處理。利用飛馬無人機管家（專業版）對原始數據進行解算，通過精度檢測，刪除邊緣精度差的數據，得到高精度數據。最后利用EPS（2020）點云地理要素矢量對象化協同處理系統軟件參照GB/T 20257.1-2017以及福建省地方標準DB35/T1491-2015標準將數據輸出為工作底圖，處理步驟如下：

（1）原始數據：GNSS基準站數據、POS采集數據、激光點云數據。

（2）點云生成：解算POS數據，提取特征點，對原始激光點云數據與POS數據進行融合解算，轉換生成CGCS 2000坐標系下的las格式點云。

（3）高程轉換：平面已是2000國家大地坐標系，高程轉換通過基準站2個不同坐標系下的坐標擬合得到高程異常，然后將所有的點云數據加上高程異常。為保證轉換精度，利用龍巖市自然資源局提供的資料及轉換參數進行了坐標轉換和高程精化檢驗，檢驗結果合格。

（4）點云處理：點云融合，點云糾偏，剔除低噪點和航帶重疊點，最后進行點云分類。鑒于本項目入戶調查需求，提供可視化效果，便于地物識別與應用，對點云成果進行賦色處理。

（5）內業采集：參照上述標準，對點云數據進行采編、繪圖，最后得到工作底圖。軟件編輯如圖3所示。

圖3 采集頁面

2.5 機載雷達激光測量精度分析

影響機載激光雷達測量點精度的因素大致分為兩點：儀器誤差、目標物體反射面引起的誤差。掃描鏡頭微小震動、掃描儀轉動電機的非均勻轉動、物體表面粗糙度都會對測量點精度造成影響。

本次共設置了148個外業實際測量作業點，將實測地面點坐標與激光點云圖中的坐標進行對比，如表1所示。數據表明：該無人機機載激光雷達系統性能良好，激光點云圖上坐標點與實測點坐標誤差符合設計要求，激光雷達點云強度質量高，最大誤差為8.1 cm，最小誤差僅為1 cm，粗差率為4.5%，中誤差為4.7 cm。

表1 測量精度對比

表1 點位精度檢查記錄表

同時在外業采集中，對54條邊長進行統計記錄，并與激光點云圖中對應邊長進行誤差分析。結果表明，激光點云圖中邊長中誤差為4.4 cm，粗差率為4.2%，粗差率滿足有關質量規范要求，如表2所示。

表2 地籍圖邊長精度檢查記錄表

結果表明：利用無人機機載激光雷達開展農村不動產權籍測量方式相較于傳統全人工外業采集方法，既能提高數據采集效率，同時可保證數據精度。

3.結束語

利用無人機機載激光雷達開展農村不動產權籍調查相較于傳統人工外業調查，具有采集效率高、采集幾何精度準確、機動性高等特點，激光點云賦色后可作為不動產權籍調查外業的參考資料。人工外業采集雖然在測量數據精度方面比較有優勢，但是其工作效率較低，外業采集效率僅為機載激光雷達測量效率的1/30。當機載激光雷達測量數據出現偏差，也可及時通過補測或者人工外業采集輔助來提高點云數據整體精度，相較于全人工外業采集依然具有較大優勢。此外，無人機機載激光雷達測量一般不受天氣、環境影響，即使在夜晚也可開展數據采集工作，有較強的穿透力，房屋遮擋部分也可被雷達覆蓋捕捉，短時間內即可獲取海量信息。

本文將無人機機載激光雷達測量技術引入農村不動產權籍調查項目，闡述了該方法的技術流程，并對其采集的點云數據精度與外業實測采集點數據進行精度驗證。研究表明，無人機機載激光雷達測量技術在保證點云數據質量的同時，具有快捷、靈活、工期短的特點，在未來的農村不動產權籍調查作業中具有廣泛的應用前景。