無人機機載激光LiDAR系統在不動產測繪中的應用

何桂鳳 謝雄軍

（廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510700）

0.引言

作為測繪領域的一項重要測繪任務，不動產測繪的傳統作業方式主要是通過GNSS-RTK、全站儀、卷尺等測繪手段進行數據采集。傳統不動產測繪作業方式存在很多現實性問題，如，作業周期長、效率低以及生產成本高等。因此，探索基于測繪新技術、新方法的不動產測繪具有重要意義。發揮無人機傾斜攝影測量技術在空間數據采集中的優勢，全面分析論證傾斜攝影測量技術后，王小娟[1]將傾斜攝影測量技術應用于實際生產項目中，取得了不錯的效果。然而由于光學影像難以獲取植被茂盛區域的地形地貌數據，傾斜攝影測量技術不能完整采集測區數據，需要一定的外業補測工作。激光LiDAR技術通過發射激光脈沖，可極大概率穿透地表植被，獲取海量的地表三維點云數據[2]。作為近幾年發展起來的激光LiDAR技術，無人機機載激光LiDAR技術是一種主動式遙感技術，相比于傳統的機載激光LiDAR技術具有價格低、操作方便等優勢，目前已經在電力巡檢、高精度DEM制作等領域有著較為廣泛的應用。

發揮無人機機載激光LiDAR技術在空間三維數據采集中的優勢，本文提出將不動產測繪與無人機機載激光LiDAR技術相結合，以廣州市某不動產測繪項目為例開展相關試驗。本文對基于無人機機載激光LiDAR技術在不動產測繪中的關鍵技術進行了探索，并對無人機機載激光LiDAR不動產測繪成果的精度進行檢驗，結果表明：基于無人機機載激光LiDAR技術的不動產測繪具有數據采集效率高、數據處理便捷、成果生產周期短、項目投入小等優勢，是對測繪新技術與測繪項目結合的一種有益探索。

1.無人機機載激光LiDAR系統

1.1 系統組成與原理

機載LiDAR掃描系統是繼以GPS為代表的測繪技術以來的又一場測繪技術革命，目前常用的無人機機載激光Li-DAR系統主要由三個子系統組成，分別為GNSS系統、INS系統、激光掃描系統[3]，使用無人機機載激光LiDAR系統可以主動式獲取點云數據并能夠制作生成高精度DEM數據。通過多種子系統集成的無人機機載激光LiDAR系統可發射激光脈沖至被掃描物體表面，通過激光脈沖傳播速度、傳播時間以及掃描角度計算得到被掃描物體表面三維坐標信息。作為當今攝影測量與遙感領域最先進的對地觀測系統，無人機機載激光LiDAR系統在進行地表影像、點云數據采集時僅需少量或者不需要地面控制點。同時，無人機機載激光LiDAR技術是目前唯一能夠對森林覆蓋區地面高程進行測定的技術。

在數據層面上，無人機機載激光LiDAR技術分為兩個部分：（1）通過隨機攜帶的CCD相機獲取的地表影像數據；（2）通過GNSS動態差分技術以及測距、測角獲取地表精確的具有三維坐標的點云數據。無人機機載激光LiDAR系統的原理如圖1所示，通過GNSS定位激光器位置、INS系統得到激光發射方向、激光掃描角度，準確計算每一個地面光斑的三維點云坐標。

圖1 無人機機載激光LiDAR技術原理

1.2 無人機機載激光LiDAR系統誤差來源

無人機機載激光LiDAR系統在進行外業作業過程中，由于受自身以及環境影響，會產生多種誤差[4]，主要的誤差源包括：

（1）安置誤差。安置誤差包括兩個部分：姿態誤差是指激光掃描儀與IMU系統相對安置姿態誤差；位置誤差是指IMU系統中心與激光掃描儀中心安置位置偏移誤差。

（2）IMU中心位置偏移誤差。IMU中心位置偏移誤差由時間同步誤差引起。

（3）測姿誤差與定位誤差。測姿誤差是指IMU系統測定激光掃描儀姿態角的誤差；定位誤差是指GNSS系統中心與IMU系統中心的偏移誤差。

（4）激光掃描儀測量誤差。激光掃描儀測量誤差包括測角、測距誤差。

2.無人機機載激光LiDAR系統實現不動產測繪

將無人機機載LiDAR系統應用于不動產測繪的主要作業步驟為實地踏勘、航線規劃、外業影像與點云數據采集、地面控制測量、點云與影像數據處理、地物要素采集、地籍圖編繪以及精度檢驗等[5]，技術路線如圖2所示。

圖2 無人機機載激光LiDAR系統不動產測繪技術路線

2.1 數據采集

本項目中使用科衛泰六旋翼無人機作為航攝平臺，搭載華測導航AS900-HL激光LiDAR測量系統以及索尼微單相機進行數據采集，同時采集地表點云數據、影像數據以及POS數據等原始數據。在地面使用GNSS-RTK技術采集基站數據以及檢查點數據，其中基站數據用于后差分POS數據解算，檢查點數據用于評價點云精度。考慮到無人機的續航能力、照片重疊率以及激光對植被穿透率較多等因素，無人機機載激光LiDAR系統采集數據時設置的參數為：航向重疊度為60%，旁向重疊度為80%，相對航高為120 m。通過實地進行無人機機載激光LiDAR數據采集可實現測區地形數據全覆蓋。

2.2 數據處理

內業數據處理主要是使用POS數據對原始點云數據進行解算得到具有真實三維坐標的點云數據，以及針對點云數據的濾波等后處理。POS數據解算軟件為Inertial Explore軟件，首先在Inertial Explore軟件中新建項目工程，將外業采集IMU數據、移動站GNSS數據、基準站GNSS數據加載至項目工程中，經組合導航解算得到飛行軌跡數據。飛行軌跡數據解算完成后，對解算結果進行檢查，檢查內容包括IMU處理狀態、姿態與位置精度、處理精度報告等，解算結果無誤后將飛行軌跡文件輸出。

針對無人機機載激光LiDAR點云數據的處理分為三個步驟，分別為點云融合、坐標轉換與點云精處理，其中點云融合在HGO軟件中完成，坐標轉換在Ztpointprocess軟件中完成，點云精處理在TerraSolid軟件中完成。在Ztpointprocess軟件中加載飛行軌跡數據與原始點云rxp數據，通過設置系統檢校參數將原始rxp數據轉換生成具有真實三維坐標的點云數據，點云格式為通用的LAS格式。最后，將LAS格式點云數據加載至TerraSolid軟件中進行點云濾波、去除噪聲點等精處理，其中以120°掃描角度進行濾波，對經處理后的點云質量進行檢查，主要檢查項為：

（1）點云數據是否將整個測區覆蓋完整。

（2）航帶之間是否有漏洞以及重疊率是否滿足要求（不小于50%）。

（3）航帶拼接誤差是否符合數據處理要求（航帶拼接誤差要小于0.5 m，大于0.5 m需要重新解算）。

對于影像數據的處理，將飛行軌跡數據與原始影像數據加載至Pix4dmapper軟件中進行處理，制作正射影像圖。

2.3 地籍圖編繪

使用清華山維EPS軟件作為地籍圖編繪軟件，將符合生產條件的點云數據、影像數據加載至清華山維測圖軟件中。其中三維窗口顯示點云數據，二維窗口顯示正射影像數據，將點云數據與影像數據作為數據源進行矢量地物的繪制。地物矢量提取完成后，根據各要素以及地物的符號嚴格按照圖示規定進行編輯處理，得到最終不動產測繪成果。

3.工程應用案例

3.1 項目概況與數據采集

為了在保證不動產測繪成果精度的前提下提高整體作業效率，本文結合廣州市某不動產測量項目，開展基于無人機載激光LiDAR技術的不動產測繪試驗。該不動產測量項目測區面積約為1.25 km2，地形以平地、丘陵為主，測區內地物有建筑物、道路、植被等，種類豐富。使用多旋翼飛行平臺搭載數據采集系統進行測區數據采集，共航飛4個架次，每架次飛行時間約20 min。

3.2 成果處理

按照前文的設計技術路線，將采集完成的外業數據加載至數據處理軟件中進行點云數據、影像數據的處理，其中解算得到測區點云數據如圖3所示。將點云數據與正射影像數據加載至繪圖軟件中進行地籍圖測制。

圖3 試驗區無人機機載激光LiDAR掃描數據

3.3 精度檢測

為了對本文基于無人機機載激光LiDAR技術的不動產測繪的可行性進行檢驗，使用傳統高精度檢驗點采集技術在測區內均勻采集檢驗點檢測成果精度。將采集檢測點坐標與無人機機載激光LiDAR系統成圖的圖上坐標進行對比，計算地物點平面絕對位置中誤差。通過高精度統計方法對成果精度進行統計，本次試驗中共隨機抽取248個地物點進行成果平面絕對位置精度檢測，精度統計結果如表1所示。

表1 不動產測繪成果平面絕對位置精度統計

使用手持測距儀測量地物點間距的方式對地物點平面位置相對精度進行檢測。將測量地物點間距與基于無人機機載激光LiDAR系統成圖成果中同名點間距進行對比，計算得到地物點平面相對位置中誤差，同樣使用高精度統計方法對成果精度進行統計。在測區內均勻采集152條邊長進行平面相對位置精度統計，相對位置精度統計結果如表2所示。

表2 不動產測繪成果平面相對位置精度統計

通過表1、表2可知：地物點平面絕對位置檢測中誤差為0.033 m，滿足不動產測繪規范中規定的中誤差小于0.05 m的精度要求，粗差率為1.2%，滿足粗差率在5%以內的精度要求；地物點平面相對位置檢測中誤差為0.029 m，滿足不動產測繪規范中規定的中誤差小于0.05 m的精度要求，粗差率為2.6%，滿足粗差率在5%以內的精度要求。通過對基于無人機機載激光LiDAR不動產測繪成果的精度統計結果可知，將無人機機載激光LiDAR技術應用于不動產測繪是切實可行的。

3.4 無人機機載激光LiDAR不動產測繪技術特點

使用無人機機載激光LiDAR點云數據進行不動產要素采集時，可以對建筑物進行任意高度切片，房屋邊界以三維激光點的形式呈現，便于作業員的判斷。由于墻面沒有凹凸，基于點云數據采集的矢量數據精度更高。另外，使用無人機機載激光LiDAR技術進行不動產測繪時，其作業時間不受限制，白天、夜晚均可進行航飛數據采集，同時不需要布設像控點，可大大降低外業工作量、節約人力成本。

4.結束語

結合無人機機載激光LiDAR系統的技術特點，本文將該技術應用于不動產測繪項目試驗中，全面描述了無人機機載激光LiDAR系統的組成部分、技術原理以及誤差來源。相比于傳統大型機載激光LiDAR系統，無人機機載激光Li－DAR系統能夠進行全天候、高精度地表三維數據與影像數據獲取，具有廣泛的應用前景。將無人機機載激光LiDAR技術應用于廣州市某不動產測繪項目試驗中，對無人機機載激光LiDAR技術實現不動產測繪的關鍵技術進行了探索與分析，并對成果數據的數學精度進行檢驗，結果表明：基于無人機機載激光LiDAR技術的不動產測繪成果滿足成圖成果精度要求。利用無人機機載激光LiDAR技術進行不動產測繪可在保證成果精度的前提下大大降低外業工作量，節約人力成本，在傳統技術手段測量困難的密集區域具有巨大優勢。但是無人機機載激光LiDAR系統在進行作業時存在續航時間短、荷載受限等問題，對于大面積長續航作業存在一定難度。因此，針對續航短、荷載有限等現實性問題的解決對于提高無人機機載激光LiDAR技術的應用具有重要意義。