LIDAR 技術(shù)在農(nóng)村房地一體項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

張 健 麻萬(wàn)金

（三和數(shù)碼測(cè)繪地雷信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

農(nóng)村房地一體項(xiàng)目是一項(xiàng)惠民工程，通過(guò)對(duì)房屋和宗地進(jìn)行登記確權(quán)，頒發(fā)不動(dòng)產(chǎn)證書(shū)，就可以使房屋具有商品性質(zhì)，可用房屋進(jìn)行抵押貸款和買(mǎi)賣(mài)[1-3]。然而農(nóng)村房屋不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪，采用傳統(tǒng)方式作業(yè)不但效率低、生產(chǎn)成本高、風(fēng)險(xiǎn)高，而且很難按時(shí)按點(diǎn)完成確權(quán)和頒證[4-5]。為了減少作業(yè)成本，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，本文在分析和研究了LIDAR 技術(shù)后，提出采用LIDAR 技術(shù)進(jìn)行農(nóng)村房屋不動(dòng)產(chǎn)的測(cè)繪，并采集宗地、房屋等界址點(diǎn)，丈量多條宗地、房屋邊長(zhǎng)，對(duì)本文方法生產(chǎn)的地籍圖精度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，采用本文的方法，生產(chǎn)的地籍圖精度能夠滿(mǎn)足甘肅省農(nóng)村房屋一體確權(quán)項(xiàng)目精度要求，且作業(yè)效率是傳統(tǒng)作業(yè)方式的2-3 倍，生產(chǎn)成本明顯降低，外業(yè)工作量明顯減少，使得作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)有效降低，可以作為一種新的作業(yè)方式，用于農(nóng)村房地一體項(xiàng)目中來(lái)。

1 LIDAR 技術(shù)

LIDAR 是一種全新的測(cè)繪方式，和傳統(tǒng)的攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)，其獲取的原始數(shù)據(jù)和后期的算法是不一樣的。LIDAR 是一種集全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和激光三種技術(shù)設(shè)備于一身的系統(tǒng)[6-8]。其原理依據(jù)的是“直線(xiàn)傳播”，即激光器發(fā)射一束激光信號(hào)，沿著直線(xiàn)進(jìn)行傳播，在碰到障礙物后，則會(huì)沿原路返回，而返回的激光信號(hào)則會(huì)被接收系統(tǒng)收集。結(jié)合傳播速度，激光器所在的位置、姿態(tài)和返回的時(shí)間，則可以精確計(jì)算得到障礙物的空間三維坐標(biāo)，而發(fā)出的激光信號(hào)是非常密集的，這樣就可以得到高密度的三維點(diǎn)坐標(biāo)，即通常說(shuō)的數(shù)字表面模型（DSM）[9-11]。對(duì)于建構(gòu)筑物來(lái)說(shuō)，則可以獲取建構(gòu)筑物的棱角坐標(biāo)，通過(guò)人機(jī)交互的方式，就可以得到地籍圖成果。根據(jù)精度要求的高低，在實(shí)際作業(yè)中，可能需要引入控制點(diǎn)來(lái)對(duì)LIDAR 成果進(jìn)行精度校正。目前LIDAR 按照搭載平臺(tái)的不同，主要可以分為機(jī)載LIDAR 和地面LIDAR，在實(shí)際作業(yè)中，可以根據(jù)任務(wù)區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行靈活選取。比如，如果采集的對(duì)象主要是地表高程，則一般采用機(jī)載LIDAR 方式；采集的對(duì)象是建構(gòu)筑物的立面，則一般采集地面LIDAR 技術(shù)。地面LIDAR 又分為車(chē)載LIDAR、背包式LIDAR 和手持LIDAR，具體選擇要結(jié)合項(xiàng)目需求進(jìn)行，該技術(shù)用于地籍圖制作的流程如圖1 所示。

圖1 基于LIDAR 技術(shù)的地籍圖制作流程

2 案例分析

本次任務(wù)區(qū)位于甘肅省天水市某一農(nóng)村，房屋分散稀疏，且房屋建設(shè)因地制宜，地勢(shì)坡度大約三十多度，高大樹(shù)木較多，采用傳傾斜攝影測(cè)量的作業(yè)方案，很難獲取分辨率相同的影像，且房屋被樹(shù)木遮擋嚴(yán)重，后期模型會(huì)存在較多變形拉花的地方，不利于后期進(jìn)行地籍圖的采集。為了提高作業(yè)效率，結(jié)合本任務(wù)區(qū)的特點(diǎn)，本次作業(yè)選用地面LIDAR 的作業(yè)方式進(jìn)行地籍圖的生產(chǎn)。

2.1 控制測(cè)量

為了確保后續(xù)成果的精度可以滿(mǎn)足地籍精度要求，本次作業(yè)過(guò)程中，按照500 米的間距，均勻采集控制點(diǎn)8個(gè)，這些控制點(diǎn)的點(diǎn)位均噴涂在建構(gòu)筑物的立面上，這樣可以有效提高后期成果校正的精度。采集坐標(biāo)時(shí)，先利用GPS-RTK 在靜態(tài)條件下測(cè)量?jī)蓚€(gè)坐標(biāo)，然后在已知點(diǎn)上架設(shè)全→儀，接著采集噴涂的點(diǎn)位，由于遮擋嚴(yán)重，本次采集8 個(gè)控制點(diǎn)共設(shè)→8 次，采集的成果精度可以達(dá)到毫米級(jí)精度。利用GPS-RTK 在任務(wù)區(qū)精度薄弱區(qū)域，選擇建構(gòu)筑物的界址點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，共采集檢測(cè)點(diǎn)21 個(gè)；利用卷尺測(cè)量房屋邊長(zhǎng)和宗地邊長(zhǎng)，共量測(cè)檢測(cè)邊15 條，用于后期地籍圖成果的界址點(diǎn)和邊長(zhǎng)精度檢測(cè)。采集時(shí)，使用南方測(cè)繪公司最新的RTK 設(shè)備，該設(shè)備可以自動(dòng)將傾斜坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為垂直坐標(biāo)，避免了桿子傾斜帶來(lái)的誤差，提升了采集效率，且使得采集的坐標(biāo)值更加可靠。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次作業(yè)選用中海達(dá)的手持SLAM 設(shè)備，該設(shè)備體積小，輕巧攜帶，且每秒發(fā)射激光雷達(dá)數(shù)量多，可以準(zhǔn)確采集建構(gòu)筑物棱角的坐標(biāo)，且其格式為通用的las 格式，有利于內(nèi)業(yè)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確采集。結(jié)合設(shè)備待電時(shí)長(zhǎng)，本次作業(yè)分為兩次完成，在采集接邊區(qū)域時(shí)，采集重疊區(qū)域較多，里面包含了三個(gè)控制點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)人機(jī)交互的方式，將采集軌跡展開(kāi)到lidar-dp 點(diǎn)云處理軟件中，通過(guò)查看軌跡，本次作業(yè)采集無(wú)遺漏，成果可用。在采集點(diǎn)云的同時(shí)，利用設(shè)備上搭載的相機(jī)，同步采集了對(duì)應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，這些影像數(shù)據(jù)主要用于后期紋理信息的映射和成果的套合。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括接邊數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云濾波去噪，利用8 個(gè)控制點(diǎn)，對(duì)兩次采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，利用3 個(gè)公共點(diǎn)對(duì)接邊區(qū)域的點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行校正，在誤差均小于2cm 后，對(duì)兩架次接邊區(qū)域的坐標(biāo)求平均值，作為最終的成果坐標(biāo)。完成接邊后，利用西安煤航的lidar-dp 特有的濾波算法，對(duì)處理后的點(diǎn)云成果進(jìn)行濾波處理，過(guò)濾掉噪點(diǎn)和一些樹(shù)木、植被的坐標(biāo)值，只保留宗地和房屋的三維點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)于因?yàn)檎趽鯂?yán)重而無(wú)法準(zhǔn)確得到的三維點(diǎn)坐標(biāo)，在后期地籍圖采集時(shí)，結(jié)合外業(yè)實(shí)地采集進(jìn)行補(bǔ)充完善。對(duì)于濾波效果不好區(qū)域，可通過(guò)人機(jī)交互的方式再次進(jìn)行不同點(diǎn)類(lèi)型的分類(lèi)，然后根據(jù)需求剔除無(wú)用的墊層。在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的校正后，利用控制點(diǎn)同樣對(duì)采集點(diǎn)云時(shí)采集的二維影像進(jìn)行校正，讓影像的精度能夠和點(diǎn)云精度相對(duì)應(yīng)。

2.4 可視化處理

濾波后的點(diǎn)云是孤立的三維點(diǎn)坐標(biāo)，且缺少紋理信息，在后續(xù)數(shù)據(jù)采集時(shí)，對(duì)作業(yè)人員要求太高，因此對(duì)其賦上紋理信息，讓其與真實(shí)現(xiàn)狀一樣，這樣就更有利于對(duì)界址點(diǎn)、界址線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和采集。利用西安煤航的lidar-dp 軟件對(duì)已有的三維點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建，待不規(guī)則三角網(wǎng)TIN 構(gòu)建完成后，通過(guò)一種合適的算法為待映射模型表面上的所有頂點(diǎn)賦彩色值，工作過(guò)程中將二維圖像映射至三維模型，從而使模型具有真實(shí)感。映射可分為正向映射和反向映射，在這里采用正射映射方式，將影像紋理映射到密集的三維點(diǎn)坐標(biāo)上，這樣就可以通過(guò)紋理的變化準(zhǔn)確得到建構(gòu)筑物的邊角信息了。映射原理如圖2 所示。

圖2 映射原理示意圖

2.5 矢量化處理

本次地籍圖采集，使用清華山維公司的EPS 軟件，首先加載處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后軟件自動(dòng)將las 格式轉(zhuǎn)為軟件可以加載的pcd 格式并進(jìn)行加載。在矢量化的過(guò)程中，首先根據(jù)需要采集的對(duì)象選擇對(duì)應(yīng)的命令，然后進(jìn)行采集。在采集房屋時(shí)，為了提高房屋采集效率，選用“五點(diǎn)房”命令進(jìn)行采集，該工具采集房屋不但效率高，而且角度都是垂直的，非常適合用于矩形房屋的采集，在采集的同時(shí)，對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)和層數(shù)進(jìn)行完善。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失等原因?qū)е聝?nèi)業(yè)無(wú)法準(zhǔn)確采集的，利用全→儀或者GPS-RTK 進(jìn)行外業(yè)采集，對(duì)于內(nèi)業(yè)無(wú)法準(zhǔn)確判斷的房屋等屬性，在外業(yè)補(bǔ)充采集時(shí)進(jìn)行完善。

在矢量化完成后，和傳統(tǒng)的作業(yè)方式進(jìn)行對(duì)比，在矢量化相同數(shù)目的宗地房屋，本文的作業(yè)效率約是傳統(tǒng)方式的2.5 倍，結(jié)合外業(yè)補(bǔ)充采集，采用LIDAR 方式進(jìn)行地籍圖制作，其效率是GPS-RTK 作業(yè)效率的2-3 倍。

3 精度統(tǒng)計(jì)分析

將檢測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入到EPS 軟件中，利用EPS 自帶的精度檢測(cè)工具，通過(guò)人機(jī)交互的方式，對(duì)地籍圖成果精度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 界址點(diǎn)精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

按照同精度中誤差[12]計(jì)算方法，對(duì)表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到本次21 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的中誤差為3.6cm，最大較差為7.1cm，要求中誤差為±5cm，最大誤差不超過(guò)2 倍中誤差，本次成果經(jīng)檢測(cè)，其界址點(diǎn)精度可以滿(mǎn)足規(guī)范要求。

采用人機(jī)交互的方式，用CASS 軟件打開(kāi)地籍圖成果，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)邊對(duì)應(yīng)的矢量化邊長(zhǎng)，然后求取二者之間的較差，檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 界址邊精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

由表2 可知，15 條邊長(zhǎng)，最大較差為12.3cm，平均較差為6.6cm。本次成果經(jīng)檢測(cè)，其界址邊精度可以滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 LIDAR 技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過(guò)本次實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)，綜合多方面的特點(diǎn)，得出LIDAR 技術(shù)以下幾方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 LIDAR 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

4.1.1 精度高。LIDAR 技術(shù)獲取的三維點(diǎn)坐標(biāo)精度很高，可以用于大比例尺地形圖甚至地籍圖成果的測(cè)繪，且成果精度均勻，可靠性高。

4.1.2 外業(yè)工作量小。相比傳統(tǒng)的全野外地籍圖測(cè)繪，采用LIDAR 技術(shù)，外業(yè)工作量大幅度減小，外業(yè)工作基本上可以在一到兩天完成，其余工作全部在內(nèi)業(yè)完成。

4.1.3 大幅度降低生產(chǎn)成本。對(duì)于全野外來(lái)說(shuō)，各種費(fèi)用支出大，對(duì)于LIDAR 來(lái)說(shuō)，外業(yè)工作量小，支出主要在于采購(gòu)設(shè)備。設(shè)備采購(gòu)屬于一次性投入，后期費(fèi)用支出少。

4.1.4 成果豐富。不光可以正常出房屋平面圖、立面圖，自動(dòng)計(jì)算面積（全面積、半面積），標(biāo)注標(biāo)高、層數(shù)等屬性，同時(shí)形成的三維空間點(diǎn)云和三維模型數(shù)據(jù)可以作為電子存檔，供后期隨時(shí)查看校驗(yàn)。

4.1.5 效率高。對(duì)于城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村不動(dòng)產(chǎn)調(diào)查，由于遮擋比較嚴(yán)重，GPS 經(jīng)常失鎖導(dǎo)致精度不夠，一般用全→儀測(cè)量房屋的四個(gè)面，然后內(nèi)業(yè)成圖，但存在效率低，投入大的問(wèn)題，并且項(xiàng)目和項(xiàng)目之間存在數(shù)據(jù)對(duì)接容易出錯(cuò)的問(wèn)題。

4.2 LIDAR 技術(shù)的缺點(diǎn)

4.2.1 對(duì)作業(yè)人員要求高。LIDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，對(duì)作業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能要求高，目前LIDAR 點(diǎn)云處理的相關(guān)軟件較少。

4.2.2 三維點(diǎn)密度太高。LIDAR 點(diǎn)云密度太大，對(duì)作業(yè)電腦和軟件要求高，需要順暢加載龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)其展示算法要求也很高。

4.2.3 三維點(diǎn)不一定位于特征點(diǎn)。雖然點(diǎn)的密度很高，但是三維點(diǎn)云具有隨機(jī)性，不一定剛好打在棱角上，因此有可能導(dǎo)致棱角精度降低。

4.2.4 設(shè)備價(jià)格較昂貴。較傳統(tǒng)的GPS-RTK、全→儀來(lái)說(shuō)，LIDAR 設(shè)備價(jià)格較昂貴，且會(huì)使用的作業(yè)人員少。

結(jié)束語(yǔ)

本文提出使用LIDAR 技術(shù)進(jìn)行地籍圖制作，通過(guò)外業(yè)采集檢測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)邊，對(duì)本文提出的方案生產(chǎn)的地籍圖成果進(jìn)行精度檢測(cè)，其界址點(diǎn)中誤差為3.6cm，界址邊平均較差為6.6cm，且最大較差均未超限，因此本文方案可應(yīng)用于農(nóng)村房地一體項(xiàng)目之中，從而減少外業(yè)工作量，提升作業(yè)效率，可為房地一體項(xiàng)目作業(yè)人員提供有效參考。