LiDAR技術(shù)在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪中的應(yīng)用研究

李俊

摘要：房地產(chǎn)測(cè)繪是測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)重要測(cè)繪任務(wù)。傳統(tǒng)測(cè)繪采用全站儀、GPS-RTK、卷尺等儀器采集數(shù)據(jù)，操作效率低、數(shù)據(jù)采集成本高、周期長(zhǎng)。為了提高操作效率，降低數(shù)據(jù)生產(chǎn)成本，許多學(xué)者對(duì)攝影測(cè)量學(xué)進(jìn)行了深入的研究。

關(guān)鍵詞：LiDAR技術(shù);不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪;應(yīng)用

一、LiDAR技術(shù)介紹

激光雷達(dá)是激光測(cè)距和探測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，其通常由POS系統(tǒng)、采集管理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、存儲(chǔ)和控制系統(tǒng)組成。POS系統(tǒng)由IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)兩部分組成。GPS通過(guò)差分技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量傳感器在空中的精確位置，而IMU可以準(zhǔn)確地測(cè)量傳感器在空中的姿態(tài)。激光束發(fā)射到地面，在遇到障礙物后反射回到原來(lái)的路徑。激光傳感器通過(guò)記錄激光束的返回時(shí)間，并結(jié)合光速傳播的特點(diǎn)，計(jì)算傳感器與障礙物之間的距離，從而精確測(cè)量三維坐標(biāo)的障礙，以便開(kāi)展測(cè)繪業(yè)務(wù)。

根據(jù)運(yùn)載方式的不同，激光雷達(dá)可分為星載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)和地面激光雷達(dá)。機(jī)載激光雷達(dá)一般分為陸地激光雷達(dá)和海上激光雷達(dá)。海洋激光雷達(dá)主要用于測(cè)量海底地形，用于一般軍事用途。機(jī)載激光雷達(dá)通常指地面激光雷達(dá)，主要用于獲取地面結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)并渲染成不同的顏色，以便操作人員在采集不同結(jié)構(gòu)時(shí)能夠準(zhǔn)確判斷采集對(duì)象的類(lèi)型。

1.機(jī)載LiDAR測(cè)量。機(jī)載LIDAR測(cè)量是指將激光雷達(dá)安裝在固定翼、旋翼等飛行平臺(tái)上，從空中向地面垂直傳輸?shù)募す馐M(jìn)行測(cè)量。與傳統(tǒng)攝影測(cè)量相比，激光雷達(dá)技術(shù)可以快速獲取地物三維坐標(biāo)信息，具有精度高、制圖產(chǎn)品豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2.地面LiDAR測(cè)量。地面LiDAR測(cè)量是采用非接觸激光測(cè)量方式，利用激光束對(duì)掃描物體進(jìn)行大面積、高速度、高精度、大密度掃描，以點(diǎn)云的形式獲取被測(cè)目標(biāo)物的三維坐標(biāo)及復(fù)雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。與機(jī)載LiDAR測(cè)量相比，地面LiIDAR測(cè)量可以獲得近距離地面結(jié)構(gòu)物的三維坐標(biāo)，因而操作更靈活，成本更低，且可以獲取更豐富、更完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

二、LiDAR技術(shù)在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪中的應(yīng)用案例

1.機(jī)載LiDAR在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用案例

（1）測(cè)區(qū)介紹。調(diào)查區(qū)域平坦，約有70或80個(gè)庭院和零星的房屋。數(shù)據(jù)采集由配備無(wú)人機(jī)的激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行。

（2）數(shù)據(jù)獲取。測(cè)試區(qū)域約1平方公里。采用垂直起降無(wú)人機(jī)（Vtol），配備激光雷達(dá)設(shè)備。航向和側(cè)面重疊度分別設(shè)置為70%和55%，飛行高度為80米。在地面站軟件中，導(dǎo)入測(cè)量區(qū)域的距離線(xiàn)進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃，并在導(dǎo)航條件下收集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要是利用控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而獲得精度更高的絕對(duì)坐標(biāo)，將點(diǎn)云結(jié)果進(jìn)行拼接處理獲得完整的點(diǎn)云結(jié)果，時(shí)限無(wú)重復(fù)、無(wú)漏洞的數(shù)據(jù)處理。本次操作使用北京數(shù)字綠色地球的LiDAR360軟件對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行求解、修正和拼接，并對(duì)拼接結(jié)果進(jìn)行濾波和去噪處理。對(duì)地籍點(diǎn)、非地籍點(diǎn)和建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，為后續(xù)地籍圖的采集提供依據(jù)?；邳c(diǎn)云的地籍圖生成過(guò)程如圖1所示。

（4）地籍圖采集與編輯。地籍圖采集和編輯使用北京清華三維EPS軟件，該軟件支持三種不同形式的數(shù)據(jù)源，包括實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)、DOM+DEM數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。肉眼采集可直接對(duì)上述數(shù)據(jù)源進(jìn)行采集，采集結(jié)果精度高、效率高。本次獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式為L(zhǎng)AS，EPS支持的格式為PCD?？梢詫AS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入EPS進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和加載。收集需求模式的結(jié)果是2017，EPS中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)模板是2007模式，所以房屋是按照2007模式收集的。在收集的過(guò)程中，屬性直接分配給確定屬性的房子。采集完成后，將采集結(jié)果導(dǎo)出為DWG格式的矢量數(shù)據(jù)，裝入CASS10.1。將2007年的方案轉(zhuǎn)換為2017年的方案，并按照集合要求對(duì)結(jié)果進(jìn)行編輯，確保最終結(jié)果的圖紙面滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（5）精度檢查與統(tǒng)計(jì)。本次精度檢查主要檢查兩方面內(nèi)容，即坐標(biāo)絕對(duì)精度和房屋邊長(zhǎng)精度。利用全站儀采集了23個(gè)房角點(diǎn)，利用同精度中誤差計(jì)算公式（見(jiàn)式1），對(duì)23個(gè)房角點(diǎn)的精度進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)。

其中M為中誤差，n為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)?！鱴和△y分別為在X方向和Y方向的較差。

利用卷尺量測(cè)了15條邊長(zhǎng)，用來(lái)檢測(cè)房屋的邊長(zhǎng)精度，具體的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2和表1。

通過(guò)圖2可以看出，23個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，在X方向和Y方向較差，均小于5cm，在DS（平面直線(xiàn)距離）方向上較差最大為6cm，且多數(shù)檢測(cè)點(diǎn)較差小于5cm，最后統(tǒng)計(jì)得到中值誤差為4.8cm，符合地籍規(guī)范二級(jí)精度需求，成果絕對(duì)坐標(biāo)精度高。通過(guò)表1可以看出，15條邊長(zhǎng)檢測(cè)結(jié)果中，最大殘差為5.6cm，最小殘差僅為1.9厘米，平均值為3.9cm，精度完全符合地籍規(guī)范要求。通過(guò)實(shí)際案例可知，采用機(jī)載LIDAR方式生產(chǎn)的地籍圖，精度可以符合地籍規(guī)范要求，且精度分布均勻，符合正態(tài)分布成果，可用性強(qiáng)。

2.地面LIDAR在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用案例

（1）測(cè)區(qū)介紹。測(cè)區(qū)位于城區(qū)邊緣，房屋分布密集，不宜采用機(jī)載LIDAR方式生產(chǎn)。結(jié)合地形和房屋分布特點(diǎn)，采用GeoSLAM手持移動(dòng)掃描儀進(jìn)行房屋數(shù)據(jù)采集。

（2）數(shù)據(jù)獲取。通過(guò)攜帶手持移動(dòng)掃描儀SLAM，在測(cè)區(qū)的每個(gè)巷道勻速步行，獲取巷道兩側(cè)密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)交叉方式行走，確保采集數(shù)據(jù)完整，獲取高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理。根據(jù)測(cè)量區(qū)域內(nèi)巷道的分布布置合理數(shù)量的控制點(diǎn)，通過(guò)全站儀采集控制點(diǎn)坐標(biāo)。第一次使用控制點(diǎn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)為每個(gè)車(chē)站，正確得到高精度點(diǎn)云，然后導(dǎo)致不同的網(wǎng)站，得到完整的結(jié)果，然后使用LIDAR360一系列的數(shù)據(jù)處理，包括地面點(diǎn)分類(lèi)，分類(lèi)的噪音、建筑分類(lèi)等，不同層次的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)有不同的特征。對(duì)于孔洞區(qū)域，采用點(diǎn)云插值來(lái)補(bǔ)充和改善脆弱性區(qū)域。

（4）地籍圖采集與編輯。將點(diǎn)云結(jié)果導(dǎo)入EPS軟件，EPS自動(dòng)轉(zhuǎn)換格式并加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后按照地籍圖采集規(guī)范的要求在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上采集地籍圖。然后將收集到的結(jié)果導(dǎo)出為DWG格式，并加載到CASS10.1中進(jìn)行2007模式到2017模式的轉(zhuǎn)換。利用中國(guó)社會(huì)科學(xué)院自身的質(zhì)量檢測(cè)模塊對(duì)地籍圖結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，以確保數(shù)據(jù)結(jié)果的可用性。

（5）精度檢查與統(tǒng)計(jì)。精度檢查主要檢查兩個(gè)方面，即坐標(biāo)絕對(duì)精度和房子邊長(zhǎng)的精度。采用全站儀采集16個(gè)角點(diǎn)，用公式（1）檢驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)坐標(biāo)精度。用卷尺測(cè)量10個(gè)邊長(zhǎng)，以測(cè)試房屋邊長(zhǎng)的準(zhǔn)確性。具體測(cè)試結(jié)果如圖3和表2所示。

通過(guò)圖3可以看出，16個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，最大殘差小于5cm，最小殘差僅為2.5cm，中值誤差為3.5cm，分析圖2和圖3可知，較機(jī)載LiDAR方式而言，地面LiDAR方式生成的地籍圖成果精度更高。通過(guò)表1可以看出，10條邊長(zhǎng)檢測(cè)結(jié)果中，最大殘差為3.1cm，最小殘差僅為1.6厘米，平均值為2.4cm，精度完全符合地籍規(guī)范要求。對(duì)比表1和表2可知，地面LiDAR方式生產(chǎn)的地籍圖精度較機(jī)載LiDAR方式生產(chǎn)的地籍圖精度更高。機(jī)載LiDAR從空中進(jìn)行作業(yè)，較地面LiDAR而言，其效率更高，適合大面積任務(wù)區(qū)作業(yè)，但是受空域限制，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要獲取空域點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的房地產(chǎn)測(cè)繪方法效率低、成本高、周期長(zhǎng)。為了解決上述問(wèn)題，本文提出利用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用專(zhuān)業(yè)軟件LiDAR360進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用EPS進(jìn)行地籍圖采集，利用檢測(cè)點(diǎn)對(duì)地籍圖精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，采用機(jī)載激光雷達(dá)和地面激光雷達(dá)技術(shù)制作的地籍圖能夠滿(mǎn)足地籍規(guī)范的要求，具有效率高、成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性和參考意義。

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