激光三維雷達(dá)掃描在房地一體中的應(yīng)用探討

強(qiáng)亞明

摘要：我國(guó)空間信息數(shù)據(jù)較多，因此采集、處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，采用激光三維雷達(dá)裝置進(jìn)行對(duì)地掃描操作，可有效觀(guān)測(cè)房地一體狀態(tài)，更好測(cè)得待測(cè)房屋的三維空間信息，提高掃描精度。本文對(duì)激光三維雷達(dá)的掃描技術(shù)加以分析，通過(guò)原理、特點(diǎn)等因素進(jìn)一步深度了解該技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目案例，對(duì)房地一體中該技術(shù)的應(yīng)用流程進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：房地一體；激光三維雷達(dá)；坐標(biāo)信息獲取

1.引言

房地一體工程中應(yīng)將地上建筑如房屋等構(gòu)筑物，進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，以此獲取坐標(biāo)信息，為后續(xù)建設(shè)項(xiàng)目提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。傳統(tǒng)房地一體的測(cè)量采取人工配合測(cè)繪儀器的方式完成，該過(guò)程耗時(shí)耗力，不利于測(cè)量效率，現(xiàn)階段采用激光三維雷達(dá)對(duì)待測(cè)區(qū)域內(nèi)的房屋地理信息做出勘測(cè)，能精準(zhǔn)描繪出周邊地形地貌，突出區(qū)域特征，并在立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理，以此達(dá)成房地一體勘測(cè)工程目的。

2.激光三維雷達(dá)掃描技術(shù)

2.1技術(shù)原理

激光三維雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)包含了激光測(cè)距儀和高精度的慣性測(cè)量?jī)x器，另外該系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)結(jié)合了GPS技術(shù)，提高定位能力，該系統(tǒng)整合激光、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及測(cè)量、定位技術(shù)，高度集中作用下，為房地一體勘測(cè)提供了高精度的掃描辦法。激光雷達(dá)系統(tǒng)采用激光掃描設(shè)備，將房地目標(biāo)進(jìn)行激光掃描，由此得出兩者間的實(shí)測(cè)空間距離，同時(shí)使用差分接收機(jī)，獲取激光發(fā)射位置的瞬時(shí)性空間坐標(biāo)。另外使用慣性測(cè)量單元對(duì)飛行平臺(tái)姿態(tài)角進(jìn)行獲取，得出仰俯角度、側(cè)滾角度和偏航角度，充分利用以上數(shù)據(jù)，便可準(zhǔn)確得到地物的地理空間信息、邊角長(zhǎng)度信息，最終建立三維坐標(biāo)系，用坐標(biāo)數(shù)據(jù)表示地物表面位置信息。

2.2技術(shù)特點(diǎn)

使用激光三維雷達(dá)的掃描技術(shù)，可在其運(yùn)行中、數(shù)據(jù)結(jié)論等環(huán)節(jié)下歸納出四個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。第一，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非接觸的測(cè)量方式，因?yàn)槭褂眉す饫走_(dá)裝置，并不需要反射棱鏡做以位置信息的定位支持，技術(shù)可直接作用于待測(cè)地物表面，由此采集到精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)信息。第二，數(shù)據(jù)采樣比例較高，使用傳統(tǒng)空地一體勘測(cè)技術(shù)，多為人力與測(cè)繪儀器相配合的方法，導(dǎo)致測(cè)量中的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，并不能最為精準(zhǔn)得出測(cè)量數(shù)據(jù)，而雷達(dá)掃描可將測(cè)量區(qū)域內(nèi)的眾多采樣點(diǎn)屬于同時(shí)采樣，提高采樣率。第三，該技術(shù)主動(dòng)狀態(tài)下發(fā)射掃描光源，并可通過(guò)自身的激光發(fā)射頻率，判斷回波信息反饋中的地物三維坐標(biāo)信息。第四，該技術(shù)擁有較高分辨率，能夠針對(duì)目標(biāo)物的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，做出高精度數(shù)據(jù)的判斷。

3.房地一體應(yīng)用中的分析

3.1應(yīng)用流程

在激光三維雷達(dá)掃描技術(shù)的房地一體應(yīng)用下，可對(duì)整個(gè)應(yīng)用過(guò)程做出詳細(xì)分析，如圖1所示，以此將該應(yīng)用完善落實(shí)至待測(cè)目標(biāo)建筑的地理信息獲取過(guò)程中。首先需要對(duì)待測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行人工踏勘，并在合理位置布置像控，確保采集數(shù)據(jù)點(diǎn)位較為完整；其次對(duì)數(shù)據(jù)做出處理，應(yīng)將航片進(jìn)行妥善整理，并導(dǎo)入像控，進(jìn)行空三計(jì)算，持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)，建立出三維實(shí)景模型；接著將模型輸出，并獲取正射影像圖，得出完整數(shù)據(jù)信息下的空三報(bào)告；然后制作地形圖，并合理制訂配置方案，采用DP繪圖方式，進(jìn)行地形圖的質(zhì)量核驗(yàn)，對(duì)圖形做以一定整飾，提供清晰的觀(guān)賞圖形；核驗(yàn)雷達(dá)掃描技術(shù)的精度，經(jīng)由野外測(cè)量與模型精度兩種檢核方式的交叉核驗(yàn)，完成對(duì)圖形精度的分析；最終提交該技術(shù)的成果，包括有三維模型、正射影像，以及房地一體勘測(cè)項(xiàng)目的精準(zhǔn)地形圖[1]。

3.2項(xiàng)目背景

選擇我國(guó)某自然村進(jìn)行房地一體測(cè)量項(xiàng)目，該項(xiàng)目得出的數(shù)據(jù)將用于整合建庫(kù)，留存當(dāng)?shù)赝恋刭Y源。項(xiàng)目的外業(yè)修補(bǔ)工程，需測(cè)繪出近4萬(wàn)宗地，精度要求為5cm。施測(cè)過(guò)程中，因待測(cè)房屋較為分散且周邊植被茂密，使用傳統(tǒng)測(cè)量方法將不能獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，所以使用激光三維雷達(dá)測(cè)量方式，可在該房地一體項(xiàng)目中取得達(dá)到精準(zhǔn)度要求的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。在空曠區(qū)域內(nèi)，采用飛機(jī)搭載模式做好點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相關(guān)收集工作，并選取該區(qū)域內(nèi)已知坐標(biāo)位置的點(diǎn)位，其上搭建靜態(tài)基站，進(jìn)行后差分的處理分析。

3.3設(shè)備選擇

該待測(cè)區(qū)域的房地環(huán)境較為復(fù)雜，地勢(shì)起伏的地表結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，零散分布著待測(cè)房屋，且居住居民較多、地物遮掩情況較嚴(yán)重，因此選擇使用相應(yīng)的設(shè)備，能提高測(cè)量精度，滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。該案例項(xiàng)目中選取直升機(jī)作為設(shè)備載體，人為操控飛機(jī)運(yùn)行，飛機(jī)上搭載有激光三維雷達(dá)的系統(tǒng)，型制為AS-900，其中該系統(tǒng)內(nèi)將衛(wèi)星定位設(shè)備（型制GNSS）、慣性測(cè)量設(shè)備（型制IMU）、激光掃描設(shè)備進(jìn)行集成，并設(shè)置中心控制單元，保障測(cè)量精度可在數(shù)碼相機(jī)的150m范圍內(nèi)達(dá)到5cm。該系統(tǒng)將回波功能加以應(yīng)用，可有效穿透植被干擾，降低遮掩物體帶來(lái)的測(cè)量影響，另外系統(tǒng)搭載了自主研發(fā)的立體測(cè)圖軟件，提高繪圖效率，經(jīng)實(shí)測(cè)，效率可達(dá)傳統(tǒng)效率8倍以上。

3.4數(shù)據(jù)的采集及處理

結(jié)合項(xiàng)目精度需求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，選擇基準(zhǔn)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，由此采集激光雷達(dá)技術(shù)下的測(cè)量數(shù)據(jù)?？辈飕F(xiàn)場(chǎng)的范圍、地貌、交通情況等，是影響到雷達(dá)掃描的重要因素，因此選擇單種房地一體測(cè)量方式，其得出數(shù)據(jù)符合精度要求的難度較大，采用多種作業(yè)結(jié)合的測(cè)量方式可有效提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

背包作業(yè)的模式可獲取更多有用的地物信息，但地面GPS裝置的信號(hào)較易受到干擾，所以應(yīng)采用地面布控方式，提高信號(hào)的正確獲取率，以此增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確性。在一定條件下，對(duì)點(diǎn)云位置進(jìn)行糾正，降低錯(cuò)誤位置信號(hào)對(duì)該項(xiàng)目數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性的影響，從而獲得更高精度下的激光點(diǎn)云位置信息數(shù)據(jù)。

采集數(shù)據(jù)過(guò)程中使用無(wú)人機(jī)作業(yè)模式，能有效規(guī)避GPS或衛(wèi)星信號(hào)受干擾的情況，但是飛行相對(duì)航高，測(cè)區(qū)地形地貌及航線(xiàn)規(guī)劃等因素對(duì)成圖精度產(chǎn)生較大的影響，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，要根據(jù)設(shè)備和地形地貌情況進(jìn)行較為精確的參數(shù)計(jì)算和分析。同時(shí)地面靜態(tài)基站測(cè)量要同步進(jìn)行，因而需要綜合考慮靜態(tài)基站數(shù)據(jù)質(zhì)量，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度以及高程擬合精度等[2]。

數(shù)據(jù)采集完成后，便可獲得原始基站數(shù)據(jù)、原始GPS數(shù)據(jù)和原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先通過(guò)基站數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行慣導(dǎo)解算，獲得采集軌跡數(shù)據(jù)，以此獲取測(cè)區(qū)的激光點(diǎn)云無(wú)縫拼接數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并做出預(yù)處理方案，可有效優(yōu)化數(shù)據(jù)，促進(jìn)三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確建立，提高項(xiàng)目建設(shè)效率。

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算輸出后，還需要根據(jù)項(xiàng)目需求對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在輸出點(diǎn)云時(shí)，在initial explorer里設(shè)置好投影參數(shù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換參數(shù)獲得所需的投影坐標(biāo)系統(tǒng)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可判斷出地面目標(biāo)物的地理信息狀態(tài)，包括邊長(zhǎng)信息、形狀信息等。

4.掃描技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)該項(xiàng)目技術(shù)做出試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，首先應(yīng)判斷技術(shù)數(shù)據(jù)的獲取模式，當(dāng)測(cè)量區(qū)域位置處于房屋及電線(xiàn)密集區(qū)時(shí)，可采用背包作業(yè)模式，而在較為空曠的區(qū)域時(shí)，則采用無(wú)人機(jī)搭載模式進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。在測(cè)區(qū)附近選取一個(gè)坐標(biāo)的已知點(diǎn)，在該點(diǎn)上架設(shè)靜態(tài)基站，并帶入點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后差分處理。在采集過(guò)程中盡量勻速步行，盡可能避免急拐彎以及快速掉頭導(dǎo)致慣導(dǎo)記錄錯(cuò)誤而造成測(cè)量誤差，圖2為測(cè)區(qū)范圍和背包作業(yè)軌跡。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成，則需對(duì)地面結(jié)構(gòu)部署檢查點(diǎn)，為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，檢查點(diǎn)應(yīng)選擇在點(diǎn)云測(cè)量中具備較高辨識(shí)度、清晰度的地物目標(biāo)物角點(diǎn)，可有效提高數(shù)據(jù)精度。當(dāng)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)得出后，使用地面上搭設(shè)的靜態(tài)基站，進(jìn)行后差分技術(shù)的運(yùn)用，經(jīng)解算后推導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)統(tǒng)一命名，格式后綴為L(zhǎng)as。當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件選擇了原有檢查點(diǎn)進(jìn)行位置分析，該布設(shè)位置上推導(dǎo)出相應(yīng)的云坐標(biāo)，再利用該坐標(biāo)與RTK檢查點(diǎn)的坐標(biāo)以對(duì)比，由此得出檢校點(diǎn)、測(cè)量點(diǎn)等點(diǎn)位的精度數(shù)據(jù)，還可得出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與圖解數(shù)據(jù)的誤差分析，將激光點(diǎn)云技術(shù)的相對(duì)精度以數(shù)據(jù)展示。

從精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可知，激光雷達(dá)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)，可將點(diǎn)位誤差降至0.054m左右，最大的殘差誤差數(shù)據(jù)也不超過(guò)0.063m，因此能夠充分滿(mǎn)足房地一體中的測(cè)量精度要求。其中要求規(guī)定，明顯界址位置的檢查點(diǎn)位置精度要達(dá)到5cm、隱蔽界址位置精度為7.5cm，相對(duì)精度要求為10cm，而該項(xiàng)目中誤差平均為0.064m，所以也可滿(mǎn)足相對(duì)精度要求[3]。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上，激光三維雷達(dá)可全天候運(yùn)作，將地面三維數(shù)據(jù)進(jìn)行較高精準(zhǔn)度下的獲取，因此在房地一體的勘測(cè)項(xiàng)目中，被良好應(yīng)用，具備現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)的測(cè)量應(yīng)用分析，得出點(diǎn)云精度與觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際效果，首先當(dāng)沒(méi)有GPS給予精準(zhǔn)定位情況下，慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位效果并不理想，而激光的反射作用將會(huì)影響點(diǎn)云精度，造成數(shù)據(jù)浮動(dòng)現(xiàn)象；其次采用激光雷達(dá)進(jìn)行戶(hù)外作業(yè)，提高項(xiàng)目成圖率，并且測(cè)定精度可滿(mǎn)足空地一體的實(shí)測(cè)要求。需注意的是在地物遮擋情況嚴(yán)重時(shí)，采用其他工作方式來(lái)配合該區(qū)域下的探測(cè)，保障空地一體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度維持較高水平。

參考文獻(xiàn)：

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