機載LiDAR測量系統在“房地一體”農村不動產權籍調查中的應用

謝秀媛

（廣東泊銳數創空間有限公司，廣東 惠州 516006）

1 引言

傳統的房地測量方式作業周期長、外業強度大[1]、人員投入密集，工作進展易受外界因素影響，且傳統作業模式生產的數據成果為二維形式，難以對三維空間不動產信息進行精細化、準確化、直觀化管理。將機載LiDAR 測量系統應用到“房地一體”農村不動產權籍調查項目中，既可以直接基于三維模型采集內業數據，又可使用直觀的三維底圖開展外業權屬調查，能夠為“房地一體”農村不動產權籍調查項目提供高效、便捷的作業模式。

2 機載LiDAR 測量系統

2.1 機載LiDAR 測量系統原理

機載LiDAR 測量系統由空中測量平臺、激光掃描儀、全景相機（CCD）、衛星/慣性導航系統（GNSS/INS）、同步存儲控制系統等組成（如圖1 所示），空中測量平臺以中低空飛行器為主，常用的有固定翼飛機、無人機和直升機等。機載激光掃描儀與地面三維激光掃描儀相似，其通過高速激光掃描測量的方法，按照激光測距的原理，獲取被測物體表面大量密集點云數據和反射率等屬性數據和信息[2]。

圖1 機載LiDAR測量系統作業示意圖

機載LiDAR 測量系統的原理為：系統通過同步控制各個組件獲取定位信息，同時進行數據采集，其中，GNSS 系統可以快速獲取瞬時位置信息，INS 系統可以獲取瞬時的姿態及速度信息，利用GNSS 地面基站、移動GNSS、INS 系統、精密數據處理軟件，聯合進行POS 解算，可生成高精度的位置及速度信息[3]。機載LiDAR 測量系統通過對地面目標主動發射高頻率的激光脈沖，直接獲取目標物體表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，高精度POS 軌跡結合激光數據可生成帶有絕對坐標的激光點云成果[4]；同時，CCD 系統獲得的影像數據經過POS 處理后，影像帶有絕對坐標，將其RGB 屬性信息賦值到區域內的激光點云中，即可得到真實色彩的點云數據成果，基于這些數據信息即可快速重建出被測區域內的三維模型及各種圖件數據。

2.2 機載LiDAR 測量系統應用優勢

機載LiDAR 測量系統作為一種新興的測繪技術，具有較大的應用優勢。

（1）主動式探測，制約因素少

通過主動發射激光脈沖，獲取探測目標反射回來的信號，并處理得到地面目標的空間信息，具有不受天氣、光照等條件制約的優勢。

（2）獲取空間信息速度快、效率高，作業安全

通過飛行器的飛行和激光脈沖的掃描完成探測工作，在短時間內獲取大區域、大范圍的地表空間信息，工作效率較高。利用無人機等飛行器進行探測，可以對危險區域進行作業，作業安全得到保障。

（3）對植被具有一定的穿透作用

機載LiDAR 測量系統發射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力[5]，可以在一定程度上減少植被遮擋等造成的信息損失，獲取真實的地形數據。

（4）精度高

機載LiDAR 測量系統能夠快速獲取大范圍地面物體的空間坐標，且獲取的坐標具有較高的精度，在1km 的飛行高度下，獲取的點云數據平面精度可以達到0.1 ～0.5m，高程精度能夠達到分米級精度。

（5）提供的信息豐富

機載LiDAR 測量系統不僅能夠解算地面物體的三維空間坐標，同時可以記錄地面目標的強度信息[6]，部分LiDAR 系統還能夠記錄回波次數信息，豐富的信息為LiDAR 數據的使用提供了更多的可能性。

3 工程實例

3.1 工程概況

某“房地一體”農村不動產權籍調查項目需進行不動產權籍調查測繪工作。測區位于惠州市郊某鎮，以丘陵地貌為主，地勢復雜、植被茂密、交通不便，高程在75 ～105m 之間，面積約14.4km2。考慮到應用常規測量方法難度較大，因此使用無人機載LiDAR 測量系統進行作業。

3.2 數據獲取

采用華測P580 無人機平臺搭載AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統，獲取目標區域內激光點云及影像數據。AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統集成了激光掃描系統、定位定姿系統（包括全球定位系統GNSS 和慣性導航儀IMU）、控制單元。系統輕量化設計，重量3.2kg，數據采集速度達10 萬點/秒，其設計最大測距250m、測量精度15mm、重復精度為10mm。

參照測區地形地貌及建筑物、植被覆蓋等情況，結合機載LiDAR 測量系統的特點，在保證安全飛行的前提下，制定本次任務的飛行路線規劃圖（如圖2 所示）和飛行參數。設計相對起飛點航高為120m、飛行速度為7.5m/s、航向間距60m，共設計30 條水平航帶和2條垂直航帶。結合空域及天氣因素，共飛行兩個架次，完成了測區的全部數據采集任務，總飛行用時為4 小時58 分。數據采集完成后，點云數據量為35.66GB，獲取影像共5998 張，對數據進行完整性檢查，確保采集數據完全覆蓋測區、無大面積遺漏。

圖2 飛行路線規劃圖

3.3 數據處理

數據處理主要有POS 數據解算、點云數據融合、數據采集、調繪與地籍圖編繪四個步驟。

（1）POS 數據解算

運用GPS 差分及慣性定位后處理軟件進行PPK 后差分解算POS 數據，POS 解算采用基站數據和移動站GPS 數據和IMU 數據進行組合解算，并輸出點云融合階段需要使用的高精度定位定姿數據。POS 解算操作主要包括基站數據預處理和軌跡解算兩部分，將基站原始數據轉換為相應格式，然后將移動站的數據與處理之后的基站數據進行組合解算，得到高精度定位定姿數據和航線軌跡，同時導出高精度相機照片的外方位元素。

（2）點云數據融合

將解算后的POS 定位定姿數據與掃描儀原始數據經時間同步后，生成帶有絕對坐標的點云數據，融合后的點云數據是后續數據采集測圖的基礎。圖3 為通過解算并且上色融合后得到的點云數據成果，經處理后得到的點云密度約為750 pt/m2。

圖3 點云數據成果

（3）數據采集

數據采集基于三維立體環境下進行測圖，同步加載點云數據、正射影像數據，按照先整體后局部的原則，通過二三維窗口聯動進行地物采集。由于機載點云數據密度有限，考慮點云數據不能夠準確覆蓋所有建筑物角點位置成果，對于建筑物使用打點交會法進行采集，在建筑物底部墻面上以三點確定一條直線，兩點連線另外一點作為檢核，與臨面線相交確定建筑物腳點位置[7]。此方法能精確地按照點云成果進行制圖，避免產生較大誤差。對于地形和一些線狀地物采集，使用DOM 輔助點云數據進行。對于高程數據，在三維模型上通過賦點的方式可獲取相應位置的高程坐標值。

（4）調繪與地籍圖編繪

點云數據采集完成后獲得地籍圖初步成果，進行外業綜合補測與調繪，調繪前對通過點云采集得到的矢量數據進行檢查，使用直觀的三維模型底圖進行外業權屬調查。調繪完成后再進行內業數據編輯，添加屬性數據即完成地籍圖的編繪整飾工作。圖4 為經過外業調繪與內業數據編輯的部分測區1∶1000地籍圖。

圖4 部分測區地籍圖

3.4 精度統計

以中誤差作為精度指標對機載LiDAR 測量系統采集的點云數據質量進行分析評價，在測區范圍內均勻選取一些特征點，如房屋角點、圍墻拐點、地面標示線或井蓋中心，使用GNSS-RTK 和全站儀采集特征點的平面坐標和高程，將實測的坐標數據與從點云數據中量測的坐標進行比對。本項目共選取100 個特征點進行檢測，統計結果如表1 所示。

通過表1 的數據統計得出，利用機載LiDAR 測量系統采集的點云數據的平面中誤差為±3.63 cm，高程中誤差為±4.49 cm，能夠滿足《地籍測量規范》（CH 5002-94）中的二級界址點的精度要求。

表1 點云數據精度統計

3.5 效率統計

利用機載LiDAR 測量系統完成本次不動產權籍調查測繪工作后，將其與傳統測繪方法進行了效率比較，結果如表2 所示。

表2 生產效率統計

從表2 可以看出，機載LiDAR 測量系統的生產效率比傳統測繪方法提高了10 倍以上，應用效果顯著。

4 結束語

基于機載LiDAR 測量系統開展“房地一體”農村不動產權籍調查，有效提高了測繪內外業的工作效率和成圖質量，且成果精度完全符合相關規范的要求。隨著LiDAR 設備越來越小型化，其搭載的載體將會更加豐富。基于多平臺的LiDAR 測量系統都已面世[8]，隨著新型基礎測繪的開展，LiDAR 測量系統將在全要素測繪生產中大展身手，具有廣闊的應用前景。