地面LIDAR在地籍測量中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：9001

　　隨著高科技術(shù)的快速發(fā)展，地籍測量的發(fā)展經(jīng)歷了多次技術(shù)革新，而現(xiàn)階段的地籍測量也多與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。目前，地籍測量領(lǐng)域中應(yīng)用到的新技術(shù)主要包括電磁感應(yīng)測量法、雷達(dá)探地測量、GIS等高新技術(shù)，這些技術(shù)共同組成了現(xiàn)階段地籍測繪體系。采用高端科學(xué)技術(shù)手段輔助地籍調(diào)查，可以更加準(zhǔn)確快捷地完成土地調(diào)查工作。這些高新技術(shù)在地籍測繪體系中發(fā)揮著重要作用，激光雷達(dá)系統(tǒng)就是其中的代表，這給中國地籍測繪工作的發(fā)展帶來了很大契機(jī)。

　　近年來，激光雷達(dá)已成為測繪領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，這一高新技術(shù)在地籍測繪中發(fā)揮著重要作用。激光雷達(dá)技術(shù)可為空間三維信息數(shù)據(jù)的獲取提供全新的技術(shù)手段，采用非接觸式主動(dòng)測量方法，快速采集、獲取目標(biāo)物高分辨率數(shù)據(jù)以及空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

　　1 激光雷達(dá)系統(tǒng)介紹

　　激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LIDAR）是近幾十年來攝影測量和遙感領(lǐng)域最具革命性的成就之一，也是繼GPS全球定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)嶄新的革命性測量工具。激光雷達(dá)技術(shù)是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間坐標(biāo)的主動(dòng)遙感技術(shù)，激光雷達(dá)按照不同的運(yùn)載平臺(tái)可以分為地基LIDAR、機(jī)載LIDAR及星載LIDAR。

　　1.1 地面激光雷達(dá)

　　地面激光雷達(dá)是一種集成了多種高新技術(shù)，采用非接觸高速激光測量方式，利用激光束對掃描物體進(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)的一種新型測量設(shè)備。其中，被激光束掃描經(jīng)過的位置均以三維點(diǎn)的形式被記錄下來，測量得到的目標(biāo)每個(gè)反射點(diǎn)的相對坐標(biāo)數(shù)據(jù)被稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　1）地面激光雷達(dá)的構(gòu)造組成。地面三維激光掃描儀主要由掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中核心是掃描系統(tǒng)，其組成部分主要包括激光測距系統(tǒng)、激光測角系統(tǒng)、CCD相機(jī)和儀器控制校正系統(tǒng)等。激光發(fā)射裝置激發(fā)射出激光束，激光束通過旋轉(zhuǎn)反光鏡反射，從發(fā)射窗口射出之后在空間范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，與之發(fā)生接觸的位置或物體均以三維空間坐標(biāo)點(diǎn)的形式記錄下來。

　　2）地面激光雷達(dá)的測量定位原理。地面激光雷達(dá)主要通過儀器自身發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭中心，鏡頭通過快速而有序地旋轉(zhuǎn)將激光依次掃過被測區(qū)域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，根據(jù)光束的飛行時(shí)間可計(jì)算出激光光斑與掃描儀兩者之間的距離。與此同時(shí)，儀器通過內(nèi)置角度測量系統(tǒng)來測量每一激光束的水平角與豎直角，進(jìn)而獲得每一個(gè)掃描點(diǎn)在掃描儀所定義坐標(biāo)系內(nèi)的X、Y、Z坐標(biāo)值。并將其錄入存儲(chǔ)設(shè)備予以記錄儲(chǔ)存。從而能夠精確、快速地獲取高精度、實(shí)時(shí)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　1.2 激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)

　　1）非接觸主動(dòng)式工作。地面激光雷達(dá)在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)不需與測量對象發(fā)生直接接觸，便可快速獲取真實(shí)準(zhǔn)確的目標(biāo)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以很好地解決不宜接觸目標(biāo)的測量與數(shù)據(jù)上的誤差問題。

　　2）獲取數(shù)據(jù)速度較快。地面激光掃描儀能在短時(shí)間內(nèi)獲取大量空間目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)，目前脈沖式掃描速度已經(jīng)達(dá)到30萬/S，相位式掃描速度已經(jīng)達(dá)到96萬/S。這一特點(diǎn)給野外數(shù)據(jù)的采集帶來極大方便。

　　3）數(shù)據(jù)信息豐富。獲取的數(shù)據(jù)包含物體表面精細(xì)信息，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度高的特性，獲得高清晰度信息。也可對表面復(fù)雜的物體進(jìn)行測量，最終實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的精細(xì)化測量。

　　1.3 LIDAR應(yīng)用領(lǐng)域

　　近年來，激光雷達(dá)技術(shù)已成功運(yùn)用到各領(lǐng)域，如測量、林業(yè)調(diào)查、數(shù)字建設(shè)、工程設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、交通、城市規(guī)劃和城市三維建模、災(zāi)害監(jiān)測和遺產(chǎn)記錄等領(lǐng)域。

　　1）測量方面中的應(yīng)用。在基礎(chǔ)測繪工作中，激光雷達(dá)可以獲取高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以記錄被測物體的表面三維信息，通過數(shù)據(jù)加工和處理，以獲取高精度的DEM產(chǎn)品。相較于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)手段具有顯著的優(yōu)勢。

　　2）林業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用。在林業(yè)調(diào)查工作中，使用激光雷達(dá)采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)同航拍影像的結(jié)合，可以提取更多樹木信息，也用于森林區(qū)域水平的重建。

　　3）在數(shù)字建設(shè)方面的應(yīng)用。通過激光雷達(dá)對地面建筑物進(jìn)行多角度的掃描，可以快速獲取城市中各類建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。借助三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高精度、真三維、可測量等特點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)字城市的建設(shè)，以此創(chuàng)建的三維模型具有更逼真的效果和更精準(zhǔn)的尺寸比例。

　　4）在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。利用自動(dòng)化三維激光掃描系統(tǒng)鑒定分析作物表型，具有巨大的潛在優(yōu)勢，這樣可以大幅度降低人力投入，能夠節(jié)約大量的人力和時(shí)間，并大大增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀性。

　　2 地面激光雷達(dá)在地籍測量中的應(yīng)用

　　地籍是為土地稅收、土地產(chǎn)權(quán)保護(hù)、利用規(guī)劃及日常管理等方面順利進(jìn)行的服務(wù)基礎(chǔ)。從新中國成立以來，中國地籍工作就受到了國家的高度重視。20世紀(jì)80年代改革開放以來，中國地籍工作得到快速發(fā)展。在此期間，國家也先后出臺(tái)并完善了地籍的一些相關(guān)政策及地籍調(diào)查的技術(shù)規(guī)范、規(guī)程、規(guī)定和數(shù)據(jù)庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，并且統(tǒng)一了地籍測繪成圖結(jié)果的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　地籍測繪是地籍調(diào)查過程中最核心的部分，是以權(quán)屬調(diào)查為依據(jù)，進(jìn)行獲取和表達(dá)地籍信息所進(jìn)行的一項(xiàng)測繪工作。地籍測量成果是土地登記的依據(jù)。地籍測繪的核心內(nèi)容是房屋界址點(diǎn)的確定與測定宗地面積與邊界。

　　地籍測量發(fā)展到今天，經(jīng)歷了多次技術(shù)革新。地籍測繪的方法從最傳統(tǒng)的配合測量儀器（如皮尺、經(jīng)緯儀等）用紙、圖進(jìn)行記錄完成野外調(diào)查這一方法，發(fā)展到航空攝影立體測量。盡管航空攝影立體測量在地籍測繪上有較為明顯的優(yōu)勢，但由于地籍調(diào)查工作對地籍界址點(diǎn)精度要求較高，航空攝影立體測量很難從立體像上直接獲取界址點(diǎn)坐標(biāo)等，這給測圖增加了很大的工作量。而近年來，國內(nèi)所開展的地籍測量工作大多是全國性的測繪任務(wù)，并且地籍?dāng)?shù)據(jù)具有法律效力，對數(shù)據(jù)精度要求高，同步變更需及時(shí)。地面激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有現(xiàn)勢性較強(qiáng)、掃描對象完整、測量范圍容易控制等眾多特點(diǎn)，作為主要數(shù)據(jù)源進(jìn)行地籍調(diào)查具有巨大優(yōu)勢。因此將地面激光雷達(dá)應(yīng)用在地籍調(diào)查中，可大大縮小地籍調(diào)查的周期性。隨著高科技術(shù)的快速發(fā)展，激光雷達(dá)高新技術(shù)在攝影測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，激光雷達(dá)技術(shù)是測繪領(lǐng)域眾多測繪方法中最全面、最精確的技術(shù)手段。

　　2.1 地面激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

　　2.1.1 前期準(zhǔn)備 ①測區(qū)資料搜集。測區(qū)資料主要包括測區(qū)的航拍或衛(wèi)星影像及地形圖等。同時(shí)需很好地了解當(dāng)?shù)貧夂驓庀笮畔?，調(diào)查測區(qū)內(nèi)的道路分布以及地表地物分布狀況，從而確定測站點(diǎn)的架設(shè)方式。②掃描線路初期設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)測區(qū)的掃描線路，線路的設(shè)計(jì)主要依據(jù)測區(qū)覆蓋完整、測站點(diǎn)分布均勻、測量站移動(dòng)站便捷且路徑不重復(fù)等規(guī)則選擇合適位置布設(shè)測站點(diǎn)、標(biāo)靶及控制點(diǎn)。并將設(shè)定好的掃描路線以及站點(diǎn)分布標(biāo)識(shí)于地形圖或遙感影像圖上，實(shí)地踏勘檢查站點(diǎn)設(shè)置以及線路的設(shè)定是否合理高效。③測區(qū)實(shí)地踏勘。工作開始前，根據(jù)測區(qū)的道路狀況進(jìn)行實(shí)地踏勘，實(shí)地踏勘是極為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行實(shí)地探訪，根據(jù)測區(qū)的道路狀況對掃描線路進(jìn)行修正，根據(jù)地物的分布疏密以及重要性掃描對象的位置合理規(guī)劃掃描站點(diǎn)的分布。

　　2.1.2 規(guī)劃作業(yè)方案 根據(jù)項(xiàng)目要求對掃描作業(yè)制定方案，基于實(shí)地踏勘的情況，對初期設(shè)定的掃描線路進(jìn)行調(diào)整與修改，實(shí)現(xiàn)在符合作業(yè)規(guī)則的前提下合理分布站點(diǎn)，根據(jù)地物的分布情況確定掃描模式。并依據(jù)預(yù)定的站點(diǎn)數(shù)以及掃描模式估計(jì)工作量。在完成以上工作之后，開始依據(jù)方案開展數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

　　2.1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集 ①檢查數(shù)據(jù)獲取設(shè)備。數(shù)據(jù)采集之前，首先需要試運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)，檢查數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是否正常，標(biāo)靶數(shù)量是否匹配、檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)和二維影像是否能準(zhǔn)確匹配等。②數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)規(guī)劃作業(yè)方案，采用“基站點(diǎn)+測站點(diǎn)”的方法，進(jìn)行轉(zhuǎn)掃測量。即通過在已知控制點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀為基站點(diǎn)，同時(shí)在與另一測站點(diǎn)相互通視的已知控制點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶（記為標(biāo)靶點(diǎn)），根據(jù)測量物體的特征，對三維激光掃描儀按一定的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后采集被測物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找到標(biāo)靶點(diǎn)的位置并對標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)掃描，最終獲得后視點(diǎn)標(biāo)靶的相對坐標(biāo)。③數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。對當(dāng)日掃描數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)之后，進(jìn)行粗拼接檢驗(yàn)，通過對全局?jǐn)?shù)據(jù)拼合效果的檢查，確定測區(qū)內(nèi)關(guān)鍵地物是否覆蓋完全，是否有漏測空洞，點(diǎn)云密度是否符合后期處理需求等。通過檢查，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取不理想的區(qū)域，通過調(diào)整局部掃描精度重新掃描，直到符合下一個(gè)區(qū)域的掃描測量。④數(shù)據(jù)補(bǔ)測。對于質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行加站補(bǔ)測作業(yè)。補(bǔ)測主要針對數(shù)據(jù)點(diǎn)密度不足以反映被測物體所關(guān)注的細(xì)節(jié)以及存在數(shù)據(jù)空洞的情況分別在原來站點(diǎn)處進(jìn)行加密掃描與尋找區(qū)域內(nèi)的制高點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)站測量。

　　2.2 地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理流程

　　內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是對外業(yè)數(shù)據(jù)采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要內(nèi)容包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、地籍要素繪制、圖廓整飾、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)及精度驗(yàn)證等。

　　1）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。由于地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集過程是單站逐個(gè)掃描的形式，每一測站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均有獨(dú)立的掃描儀坐標(biāo)系（SOCS），為了得到完整的目標(biāo)數(shù)據(jù)，必須將每一個(gè)測站的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)之內(nèi)。在數(shù)據(jù)采集完成之后，在點(diǎn)云工作站中需要進(jìn)行工程級別的單站數(shù)據(jù)之間的拼接處理，將整個(gè)的掃描區(qū)域歸一到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)之下，即工程坐標(biāo)系（PRCS）。經(jīng)過拼接之后，工程坐標(biāo)系下的所有單站之間具有準(zhǔn)確的相對位置關(guān)系，通過全局配準(zhǔn)將所有的三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下，即全局坐標(biāo)系（GLCS），以便準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)實(shí)景照片和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配。

　　2）數(shù)據(jù)拼接。點(diǎn)云拼接的過程主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，首先進(jìn)行手動(dòng)粗拼接，在要進(jìn)行拼接處理的相鄰兩站點(diǎn)之間，通過手動(dòng)尋找同名點(diǎn)對來解算轉(zhuǎn)換矩陣SOP，獲得一個(gè)較好的初始相對位置。然后在此基礎(chǔ)上，通過迭代最近點(diǎn)算法（Iterate Closest Points）進(jìn)行自動(dòng)精確拼接，從而達(dá)到不同站點(diǎn)之間的點(diǎn)云的精細(xì)拼合。

　　3）地籍要素繪制。首先根據(jù)點(diǎn)云三維顯示的俯視投影圖，勾勒出研究區(qū)各線狀地物的輪廓。采取人機(jī)交互的操作，在南方CASS軟件中進(jìn)行地籍要素的提取、屬性編輯和修飾等地籍要素矢量數(shù)據(jù)。

　　4）圖廓整飾。通過選擇不同的視圖模式來判斷界址點(diǎn)和邊界的位置信息，用點(diǎn)云工作站的測圖模塊提取界址點(diǎn)。最終完成在點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的地籍圖的繪制。

　　3 實(shí)際應(yīng)用

　　基于中國正在開展的全國地籍調(diào)查項(xiàng)目的實(shí)施，本研究選擇以新疆伊犁地區(qū)霍城縣為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行地籍調(diào)查，該試驗(yàn)區(qū)能夠很好地反映出中國西北地區(qū)農(nóng)村居住特點(diǎn)。研究區(qū)地處伊犁河谷的開闊地帶，農(nóng)村居住房屋建筑具有時(shí)間較長、宅基地較為集中，建筑物不規(guī)則等特點(diǎn)。利用地面激光雷達(dá)技術(shù)對該地區(qū)進(jìn)行地籍測量，快速獲取被測物體的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及各地籍要素，并同步拍攝實(shí)景照片，真實(shí)再現(xiàn)所測對象的三維立體景觀，通過照片信息獲取建筑結(jié)構(gòu)、街道名等信息，為地籍圖的繪制做準(zhǔn)備。

　　首先根據(jù)規(guī)劃方案掃描研究區(qū)，獲得被測區(qū)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖，可以清晰地看出房屋的邊界、農(nóng)用地、道路等要素，并且通過不同角度的旋轉(zhuǎn)清楚的確定房屋腳點(diǎn)以及界址點(diǎn)、特征線等。

　　掃描工作結(jié)束后，內(nèi)業(yè)人員通過人機(jī)交互的作業(yè)方式，將點(diǎn)云導(dǎo)入點(diǎn)云工作站中，根據(jù)點(diǎn)云三維顯示的投影圖，依據(jù)地籍測繪規(guī)范在南方CASS軟件中進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的提取，得到地籍要素的矢量數(shù)據(jù)并進(jìn)行屬性編輯和修飾等。通過選擇不同的視圖模式來判斷界址點(diǎn)和邊界的位置信息，用點(diǎn)云工作站的測圖模塊提取界址點(diǎn)。最終完成在點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的地籍圖的繪制。

　　在地籍要素獲取過程中，對復(fù)雜地段隱蔽的界址點(diǎn)，提取困難以及有部分激光雷達(dá)無法采集到的區(qū)域，將在后期使用GPS-RTK或全站儀測量方式進(jìn)行人工實(shí)地補(bǔ)測。最終綜合激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)與補(bǔ)測數(shù)據(jù)共同完成地籍成圖。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果評估與精度驗(yàn)證

　　在完成全測區(qū)的測量成圖之后，利用全站儀進(jìn)行了點(diǎn)位的核查，顯示RTK檢測點(diǎn)與點(diǎn)云檢測點(diǎn)，將全站儀精確測量的點(diǎn)位與地面激光雷達(dá)獲取的對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行精度的檢查和對比，采用解析法根據(jù)坐標(biāo)得到點(diǎn)位中誤差。

　　《地籍調(diào)查規(guī)程》表明，地籍測量的允許限差在15 cm以內(nèi)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得到，在點(diǎn)位的實(shí)際檢查過程中選取的部分?jǐn)?shù)據(jù)精度誤差完全符合《地籍調(diào)查規(guī)程》解析界址點(diǎn)的精度要求。試驗(yàn)證明，地面激光雷達(dá)測量系統(tǒng)點(diǎn)云的精度能夠滿足地籍測量的測圖精度。采用地面激光雷達(dá)測量系統(tǒng)進(jìn)行地籍測量這一方法是可行的。

　　5 展望

　　通過使用地面激光雷達(dá)系統(tǒng)作業(yè)方式，對新疆伊犁某農(nóng)村進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過解算得出精確的數(shù)據(jù)信息，并在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上完成界址點(diǎn)選取、界址線界定及宗地邊界的提取等工作。分析可知，激光雷達(dá)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，能夠快速獲取地籍測量所需的信息，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)同時(shí)入庫。通過驗(yàn)證采用激光雷達(dá)進(jìn)行地籍測量這一方法具有很高的可行性。

　　激光雷達(dá)技術(shù)作為一種新型的測量技術(shù)，可以快速獲取全面的空間三維信息，為常規(guī)傳統(tǒng)的測量帶來了新的突破。至目前為止，國內(nèi)所進(jìn)行的地籍測繪工作都是在二維地籍的基礎(chǔ)上開展的，但隨著城市的快速發(fā)展和土地的集約、節(jié)約利用，迫使其向立體化方面發(fā)展。三維地籍必將成為今后地籍管理工作的發(fā)展方向。根據(jù)激光雷達(dá)目前的發(fā)展趨勢來看，激光雷達(dá)技術(shù)必將在地籍測繪領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

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