激光雷達掃描在農村宅基地面積測量中的應用

邱曉磊

（1. 河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450000）

地籍測量是國家民生建設中的重點工作之一，目的是獲取詳細地籍信息以方便開展國土資源管理工作，促進土地資源的合理規劃和利用。地籍測量包括空間位置、界址范圍、權屬、面積等，其中面積測量是重點項目。隨著城市化進程的加快，城市范圍不斷擴張，城市慢慢與周圍的農村接軌，出現了很多城鄉結合部[1]。城鄉結合部管理一般較為混亂，為合理利用這部分農村土地資源，促進城鄉合理發展，需對農村宅基地面積進行測量。農村宅基地面積測量方法主要分為3 種：①手動測量，該方法準確度較高，但人力、物力成本較高，且若測量范圍較大、效率較低；②通過全野外數字測圖方法測量，通過電子全站儀在野外進行數字地形測量數據采集，再傳輸到室內計算機進行計算和測量，該方法存在點位精度不均勻、外業勞動強度大、作業效率較低、作業實施困難等問題；③通過傾斜攝影測量技術測量，從不同角度采集影像以保證影像的清晰度，再借助圖像處理方法進行處理，識別目標區域，完成面積測量，該方法能獲取地物完整、準確的紋理數據和定位信息，但冗余信息過多，若不能有效處理，則將導致目標識別困難，降低面積測量的準確性。針對上述問題，本文將激光雷達掃描技術應用于農村宅基地面積測量中，以期為地籍測量工作提供參考，提高宅基地面積測量的準確性。

1 農村宅基地面積測量

農村宅基地面積測量是地籍管理中的重要工作內容。明確農村宅基地面積能為城市規劃提供可靠依據，提升城市發展能力[2]?；谏鲜霰尘?，本文提出了一種基于激光雷達掃描技術的農村宅基地面積測量方法。

1.1 點云數據采集

農村宅基地面積測量的首要工作是數據采集。人工采集方式雖然準確性高，但效率低，面對大量農村宅基地，測量工作需耗費很長時間[3]。本文采用激光雷達掃描技術采集農村宅基地目標的點云數據。激光雷達掃描技術是一種非接觸式遠程采集方法，由激光雷達、導航系統、接收器、定位系統、控制器和飛行載體等部分組成。首先將采集工作所需設備裝載到飛行載體（無人機等）上組成掃描系統，無人機遵照指令飛行至目標點；再利用激光雷達發送脈沖信號，信號到達目標的瞬間會產生慢反射效應，利用掃描系統的接收器采集反射回來的信號[4]；最后結合時間差，即可計算得到目標點到與激光雷達掃描系統之間距離。

式中，D為農村宅基地與激光雷達掃描系統之間的距離；v為脈沖信號在空氣中的傳播速度；Δt為激光脈沖信號往返的時間差[5]。

在明確農村宅基地與激光雷達掃描系統之間的距離后，以掃描系統建立三維坐標系，再結合系統的縱橫向掃描角度，得出農村宅基地的點云數據[6]。

式中，X、Y、Z為農村宅基地點云數據的三維坐標；θ、?分別為激光雷達掃描系統的縱向、橫向掃描角度。

在采集過程中，為保證數據的全面性，需要注意的問題為：

1）無人機平臺需滿足4點要求：①選擇多旋翼無人機，以保證成像質量和超低空飛行；②無人機巡航速度控制在0~13 m/s可調節，以滿足不同地形、地貌航攝要求；③無人機電池動力續航時間在30 min以上，保證單架次可完成0.2 km2傾斜攝影；④無人機抗風性要求6級風保證飛行安全，4級風以下影像成果質量合格[7]。

2）激光點云數據質量對無人機飛行姿態要求較高，最好選擇風力小于3 級、氣流穩定的天氣進行采集作業[8]。

3）為使激光點云清晰反映房屋的主體和屋檐、陽臺、檐廊等附屬物，便于內業采集，在激光雷達工作頻率一定的條件下，可通過降低飛行高度、速度來提高點云密度，設計點云密度為100點/m2，優于常規作業[9]。

4）為保證房屋側面有足夠點云數據覆蓋，航線設計采用井字形布設。

5）根據差分模式的不同，區別架設基站。通?；炯茉O在較開闊、平整穩定的無人機起飛場地，采用CORS 模式，通過PC 端鏈接基站WiFi，利用CORS-RTK技術獲取基站準確坐標[10]。

點云數據采集完成后，基于**2000 獨立坐標系，借助軟件坐標轉換工具，對全部點云進行高斯3°帶投影，生成標準點云數據，繪制點云圖像[11]。

1.2 點云數據預處理

為能清楚辨認點云圖像中的細小地物影像，需對點云圖像進行預處理[12]。

1.2.1 點云濾波降噪

反射回來的脈沖信號中除所需的農村宅基地信號外，還包括地面上的樹木、行人、車輛等地物信號，這類點云為有序點云噪聲。由于本文只針對農村宅基地面積測量進行研究，因此需對有序點云去噪[13]。此外，由于受到采集設備本身影響，圖像中還包含散亂點云噪聲。本文采用不同方法對上述兩種噪聲點進行點云濾波降噪。

1）有序點云去噪。本文采用高斯濾波算法對有序點云進行去噪，公式為：

式中，x、y、z為原始點云數據的坐標；σ為標準差。

2）散亂點云去噪。本文采用雙邊濾波算法對散亂點云進行去噪，公式為：

式中，hi為原始數據；ψ為雙邊濾波權重因子；ni為單位法向量。

1.2.2 點云配準

點云配準是指將多站掃描點云拼接到同一個坐標系上[14]，具體步驟為：①選擇待匹配的兩個點云圖像，記為點云A和B；②在A中隨機選取若干個數據點，組成點集，記為ai?A；③在B中找出與ai對應的數據點，組成對應最近點集，記為bi?B；④使得ai與bi的絕對差值達到最??；⑤求取旋轉矩陣C和平移矩陣L，使得，m為最鄰近點對個數；⑥利用C和L對ai進行處理，得到；⑦計算與bi之間的平均距離；⑧判斷平均距離是否小于設定的閾值，若小于則獲得對應點集，否則重復上述操作；⑨通過最小二乘法迭代求解待匹配點云的最優配準參數，完成點云配準。

1.3 農村宅基地目標識別

基于已預處理的圖像，識別點云圖像中的目標，劃分農村宅基地界址[15]，具體分為特征提取和目標識別兩個部分。

1）特征提取。點云數據完整地表達了目標的外形屬性，具有一定的幾何屬性?；诖?，本文進行農村宅基地特征提取，具體流程見圖1[16]。

圖1 點云數據特征提取流程圖

2）目標識別?；谔崛〉奶卣鼽c，通過與模型特征庫中的特征進行匹配識別目標[17]。特征匹配算法公式為：

式中，d(R,Q)為點云圖像中特征點與模型特征庫中特征點之間的距離；R為點云圖像特征點集合；Q為模型特征庫特征點集合；ri為R中第i個特征點；qi為Q中第i個特征點；n為特征點數量。

在模型庫中尋找到與Q最近和次近的兩個特征，然后計算這兩個特征之間的比值，當該比值小于1時，認為二者匹配。根據該匹配關系識別出對應的目標類型[18]，再利用CASS軟件劃分目標區界線，生成界址點，確定界址點坐標。

1.4 農村宅基地面積測量

基于目標識別結果，按照界址劃分范圍，測量農村宅基地面積。首先需對目標區域內的點云數據進行規則網格化（圖2）[19]；再按照式（6）測量農村宅基地面積。

圖2 點云數據規則網格化

式中，xi、yi為宅基地第i個界址點坐標；n為界址點數量；G為規則網格單位面積；m為量測區域內規則網格數量；K為比例尺[20]。

基于上述流程，即可完成整個農村宅基地面積測量工作。

2 實例應用測試

為測試基于激光雷達掃描技術的測量方法在農村宅基地面積測量中的應用效果，以某地區為例，進行算例分析與測試。以河南省最東部的某地區為例（圖3），進行應用測試。該地區圍繞城區，有很多農村。隨著城市的建設與發展，城市用地逐漸向外擴展。為合理規劃農村用地，實現城鄉和諧發展，需對周圍農村宅基地面積進行重新測量。

圖3 研究區范圍

本文采用兩臺GNSS接收機南方銀河6、飛馬無人機D200、6 臺D-OP300 航攝儀、6 臺D-LiDAR200 激光雷達、南方手持測距儀、HpT795 繪圖儀、Hp7500掃描儀、Hpm1005打印機、西數（2T）存儲設備、兩臺聯想計算機、兩臺戴爾T3600 圖形工作站、CASS9.1地形圖編輯軟件、兩個無人機管家點云處理軟件、兩個South LiDAR 點云采集軟件、兩個ArcGIS 數據入庫軟件、3 輛寶來汽車等軟硬件搭建應用測試系統，用于點云數據采集、處理與分析。其中飛馬無人機D200的具體參數見表1。

表1 D200飛馬無人機工作參數

按照搭建的應用測試系統，采集研究區點云數據，并對點云數據進行預處理，借助繪圖儀和CASS9.1 軟件繪制農村宅基地激光雷達掃描點云圖像（圖4）；然后識別點云圖像中的農村宅基地目標，并劃分界址點（圖5）。

圖4 農村宅基地激光雷達掃描點云圖像

圖5 農村宅基地目標識別

參考國土資發[2015]103號《不動產登記數據庫標準（試行）》，農村宅基地面積測算的精度要求為限差≤5 m2，中誤差≤3 m2。計算圖5中界址點內4塊宅基地面積，并統計其限差和中誤差，結果見表2，可以看出，計算得到的農村宅基地面積的限差和中誤差均在精度要求范圍內，說明激光雷達掃描技術在農村宅基地面積測量中具有很好的應用效果，達到了研究目標。

表2 精度計算結果/m2

3 結 語

農村宅基地面積測量工作是一次重大的地籍調查活動，對于促進社會和諧、保障經濟社會發展具有非凡意義。本文將激光雷達掃描技術應用于農村宅基地面積測量，實現了批量農村宅基地面積測量，并證明了該技術的應用效果，測量準確度較高。然而，在測量時還應提高工作的嚴謹性，如在飛機的空中飛行階段，應當密切監控，隨時轉換應急干預；做好儀器設備的防盜、防雷擊、防凍、防曬、防水等工作。外業掃描結束后，作業部門檢查員應以外業實測獲得的檢查點或測區已有的滿足精度標準的底圖為基準，對激光點云數據進行精度檢查。