地面LIDAR在地籍測量中的(de)應用(yòng)

發布日期：2018-06-21 00:00 浏覽量：8395

　　随著(zhe)高(gāo)科技術的(de)快(kuài)速發展，地籍測量的(de)發展經曆了(le)多(duō)次技術革新，而現階段的(de)地籍測量也(yě)多(duō)與現代技術相結合。目前，地籍測量領域中應用(yòng)到的(de)新技術主要包括電磁感應測量法、雷達探地測量、GIS等高(gāo)新技術，這(zhè)些技術共同組成了(le)現階段地籍測繪體系。采用(yòng)高(gāo)端科學技術手段輔助地籍調查，可(kě)以更加準确快(kuài)捷地完成土地調查工作。這(zhè)些高(gāo)新技術在地籍測繪體系中發揮著(zhe)重要作用(yòng)，激光(guāng)雷達系統就是其中的(de)代表，這(zhè)給中國地籍測繪工作的(de)發展帶來(lái)了(le)很大(dà)契機。

　　近年來(lái)，激光(guāng)雷達已成爲測繪領域中的(de)一個(gè)新的(de)研究熱(rè)點，這(zhè)一高(gāo)新技術在地籍測繪中發揮著(zhe)重要作用(yòng)。激光(guāng)雷達技術可(kě)爲空間三維信息數據的(de)獲取提供全新的(de)技術手段，采用(yòng)非接觸式主動測量方法，快(kuài)速采集、獲取目标物(wù)高(gāo)分(fēn)辨率數據以及空間三維坐(zuò)标數據。

　　1 激光(guāng)雷達系統介紹

　　激光(guāng)雷達（Light Detection and Ranging，LIDAR）是近幾十年來(lái)攝影(yǐng)測量和(hé)遙感領域最具革命性的(de)成就之一，也(yě)是繼GPS全球定位系統之後又一項嶄新的(de)革命性測量工具。激光(guāng)雷達技術是一種可(kě)以精确、快(kuài)速獲取地面或大(dà)氣三維空間坐(zuò)标的(de)主動遙感技術，激光(guāng)雷達按照(zhào)不同的(de)運載平台可(kě)以分(fēn)爲地基LIDAR、機載LIDAR及星載LIDAR。

　　1.1 地面激光(guāng)雷達

　　地面激光(guāng)雷達是一種集成了(le)多(duō)種高(gāo)新技術，采用(yòng)非接觸高(gāo)速激光(guāng)測量方式，利用(yòng)激光(guāng)束對(duì)掃描物(wù)體進行大(dà)面積、高(gāo)速度、高(gāo)精度、大(dà)密度掃描，以點雲的(de)形式獲取被測目标物(wù)的(de)三維坐(zuò)标及複雜(zá)物(wù)體三維表面的(de)陣列式幾何圖形數據的(de)一種新型測量設備。其中，被激光(guāng)束掃描經過的(de)位置均以三維點的(de)形式被記錄下(xià)來(lái)，測量得(de)到的(de)目标每個(gè)反射點的(de)相對(duì)坐(zuò)标數據被稱爲點雲數據。

　　1）地面激光(guāng)雷達的(de)構造組成。地面三維激光(guāng)掃描儀主要由掃描系統、控制系統和(hé)電源系統三部分(fēn)構成，其中核心是掃描系統，其組成部分(fēn)主要包括激光(guāng)測距系統、激光(guāng)測角系統、CCD相機和(hé)儀器控制校正系統等。激光(guāng)發射裝置激發射出激光(guāng)束，激光(guāng)束通(tōng)過旋轉反光(guāng)鏡反射，從發射窗(chuāng)口射出之後在空間範圍内進行掃描，與之發生接觸的(de)位置或物(wù)體均以三維空間坐(zuò)标點的(de)形式記錄下(xià)來(lái)。

　　2）地面激光(guāng)雷達的(de)測量定位原理(lǐ)。地面激光(guāng)雷達主要通(tōng)過儀器自身發射激光(guāng)束到旋轉式鏡頭中心，鏡頭通(tōng)過快(kuài)速而有序地旋轉将激光(guāng)依次掃過被測區(qū)域，一旦接觸到物(wù)體，光(guāng)束立刻被反射回掃描儀，根據光(guāng)束的(de)飛(fēi)行時(shí)間可(kě)計算(suàn)出激光(guāng)光(guāng)斑與掃描儀兩者之間的(de)距離。與此同時(shí)，儀器通(tōng)過内置角度測量系統來(lái)測量每一激光(guāng)束的(de)水(shuǐ)平角與豎直角，進而獲得(de)每一個(gè)掃描點在掃描儀所定義坐(zuò)标系内的(de)X、Y、Z坐(zuò)标值。并将其錄入存儲設備予以記錄儲存。從而能夠精确、快(kuài)速地獲取高(gāo)精度、實時(shí)的(de)三維點雲數據。

　　1.2 激光(guāng)雷達技術特點

　　1）非接觸主動式工作。地面激光(guāng)雷達在獲取點雲數據時(shí)不需與測量對(duì)象發生直接接觸，便可(kě)快(kuài)速獲取真實準确的(de)目标物(wù)點雲數據，可(kě)以很好地解決不宜接觸目标的(de)測量與數據上的(de)誤差問題。

　　2）獲取數據速度較快(kuài)。地面激光(guāng)掃描儀能在短時(shí)間内獲取大(dà)量空間目标的(de)三維數據，目前脈沖式掃描速度已經達到30萬/S，相位式掃描速度已經達到96萬/S。這(zhè)一特點給野外數據的(de)采集帶來(lái)極大(dà)方便。

　　3）數據信息豐富。獲取的(de)數據包含物(wù)體表面精細信息，根據點雲數據密度高(gāo)的(de)特性，獲得(de)高(gāo)清晰度信息。也(yě)可(kě)對(duì)表面複雜(zá)的(de)物(wù)體進行測量，最終實現對(duì)目标物(wù)體的(de)精細化(huà)測量。

　　1.3 LIDAR應用(yòng)領域

　　近年來(lái)，激光(guāng)雷達技術已成功運用(yòng)到各領域，如測量、林(lín)業調查、數字建設、工程設計、農業、礦業、交通(tōng)、城(chéng)市規劃和(hé)城(chéng)市三維建模、災害監測和(hé)遺産記錄等領域。

　　1）測量方面中的(de)應用(yòng)。在基礎測繪工作中，激光(guāng)雷達可(kě)以獲取高(gāo)密度、高(gāo)精度的(de)點雲數據，以記錄被測物(wù)體的(de)表面三維信息，通(tōng)過數據加工和(hé)處理(lǐ)，以獲取高(gāo)精度的(de)DEM産品。相較于傳統的(de)測繪技術手段具有顯著的(de)優勢。

　　2）林(lín)業調查中的(de)應用(yòng)。在林(lín)業調查工作中，使用(yòng)激光(guāng)雷達采集的(de)三維點雲數據同航拍(pāi)影(yǐng)像的(de)結合，可(kě)以提取更多(duō)樹木(mù)信息，也(yě)用(yòng)于森林(lín)區(qū)域水(shuǐ)平的(de)重建。

　　3）在數字建設方面的(de)應用(yòng)。通(tōng)過激光(guāng)雷達對(duì)地面建築物(wù)進行多(duō)角度的(de)掃描，可(kě)以快(kuài)速獲取城(chéng)市中各類建築物(wù)的(de)三維點雲數據。借助三維點雲數據具有高(gāo)精度、真三維、可(kě)測量等特點，進行數字城(chéng)市的(de)建設，以此創建的(de)三維模型具有更逼真的(de)效果和(hé)更精準的(de)尺寸比例。

　　4）在農業方面的(de)應用(yòng)。利用(yòng)自動化(huà)三維激光(guāng)掃描系統鑒定分(fēn)析作物(wù)表型，具有巨大(dà)的(de)潛在優勢，這(zhè)樣可(kě)以大(dà)幅度降低人(rén)力投入，能夠節約大(dà)量的(de)人(rén)力和(hé)時(shí)間，并大(dà)大(dà)增加試驗數據的(de)客觀性。

　　2 地面激光(guāng)雷達在地籍測量中的(de)應用(yòng)

　　地籍是爲土地稅收、土地産權保護、利用(yòng)規劃及日常管理(lǐ)等方面順利進行的(de)服務基礎。從新中國成立以來(lái)，中國地籍工作就受到了(le)國家的(de)高(gāo)度重視。20世紀80年代改革開放以來(lái)，中國地籍工作得(de)到快(kuài)速發展。在此期間，國家也(yě)先後出台并完善了(le)地籍的(de)一些相關政策及地籍調查的(de)技術規範、規程、規定和(hé)數據庫建設标準，并且統一了(le)地籍測繪成圖結果的(de)數據标準。

　　地籍測繪是地籍調查過程中最核心的(de)部分(fēn)，是以權屬調查爲依據，進行獲取和(hé)表達地籍信息所進行的(de)一項測繪工作。地籍測量成果是土地登記的(de)依據。地籍測繪的(de)核心内容是房(fáng)屋界址點的(de)确定與測定宗地面積與邊界。

　　地籍測量發展到今天，經曆了(le)多(duō)次技術革新。地籍測繪的(de)方法從最傳統的(de)配合測量儀器（如皮尺、經緯儀等）用(yòng)紙、圖進行記錄完成野外調查這(zhè)一方法，發展到航空攝影(yǐng)立體測量。盡管航空攝影(yǐng)立體測量在地籍測繪上有較爲明(míng)顯的(de)優勢，但由于地籍調查工作對(duì)地籍界址點精度要求較高(gāo)，航空攝影(yǐng)立體測量很難從立體像上直接獲取界址點坐(zuò)标等，這(zhè)給測圖增加了(le)很大(dà)的(de)工作量。而近年來(lái)，國内所開展的(de)地籍測量工作大(dà)多(duō)是全國性的(de)測繪任務，并且地籍數據具有法律效力，對(duì)數據精度要求高(gāo)，同步變更需及時(shí)。地面激光(guāng)雷達點雲數據具有現勢性較強、掃描對(duì)象完整、測量範圍容易控制等衆多(duō)特點，作爲主要數據源進行地籍調查具有巨大(dà)優勢。因此将地面激光(guāng)雷達應用(yòng)在地籍調查中，可(kě)大(dà)大(dà)縮小地籍調查的(de)周期性。随著(zhe)高(gāo)科技術的(de)快(kuài)速發展，激光(guāng)雷達高(gāo)新技術在攝影(yǐng)測量領域應用(yòng)廣泛。目前，激光(guāng)雷達技術是測繪領域衆多(duō)測繪方法中最全面、最精确的(de)技術手段。

　　2.1 地面激光(guāng)雷達系統數據采集與處理(lǐ)

　　2.1.1 前期準備 ①測區(qū)資料搜集。測區(qū)資料主要包括測區(qū)的(de)航拍(pāi)或衛星影(yǐng)像及地形圖等。同時(shí)需很好地了(le)解當地氣候氣象信息，調查測區(qū)内的(de)道路分(fēn)布以及地表地物(wù)分(fēn)布狀況，從而确定測站點的(de)架設方式。②掃描線路初期設計。初步設計測區(qū)的(de)掃描線路，線路的(de)設計主要依據測區(qū)覆蓋完整、測站點分(fēn)布均勻、測量站移動站便捷且路徑不重複等規則選擇合适位置布設測站點、标靶及控制點。并将設定好的(de)掃描路線以及站點分(fēn)布标識于地形圖或遙感影(yǐng)像圖上，實地踏勘檢查站點設置以及線路的(de)設定是否合理(lǐ)高(gāo)效。③測區(qū)實地踏勘。工作開始前，根據測區(qū)的(de)道路狀況進行實地踏勘，實地踏勘是極爲關鍵的(de)一個(gè)環節。通(tōng)過在測區(qū)内進行實地探訪，根據測區(qū)的(de)道路狀況對(duì)掃描線路進行修正，根據地物(wù)的(de)分(fēn)布疏密以及重要性掃描對(duì)象的(de)位置合理(lǐ)規劃掃描站點的(de)分(fēn)布。

　　2.1.2 規劃作業方案 根據項目要求對(duì)掃描作業制定方案，基于實地踏勘的(de)情況，對(duì)初期設定的(de)掃描線路進行調整與修改，實現在符合作業規則的(de)前提下(xià)合理(lǐ)分(fēn)布站點，根據地物(wù)的(de)分(fēn)布情況确定掃描模式。并依據預定的(de)站點數以及掃描模式估計工作量。在完成以上工作之後，開始依據方案開展數據采集作業。

　　2.1.3 外業數據采集 ①檢查數據獲取設備。數據采集之前，首先需要試運行整個(gè)系統，檢查數據獲取與數據存儲是否正常，标靶數量是否匹配、檢查點雲數據和(hé)二維影(yǐng)像是否能準确匹配等。②數據獲取。根據規劃作業方案，采用(yòng)“基站點+測站點”的(de)方法，進行轉掃測量。即通(tōng)過在已知控制點上架設三維激光(guāng)掃描儀爲基站點，同時(shí)在與另一測站點相互通(tōng)視的(de)已知控制點上架設标靶（記爲标靶點），根據測量物(wù)體的(de)特征，對(duì)三維激光(guāng)掃描儀按一定的(de)參數進行設置後采集被測物(wù)體點雲數據；在點雲數據中找到标靶點的(de)位置并對(duì)标靶進行精細掃描，最終獲得(de)後視點标靶的(de)相對(duì)坐(zuò)标。③數據質量檢查。對(duì)當日掃描數據備份存儲之後，進行粗拼接檢驗，通(tōng)過對(duì)全局數據拼合效果的(de)檢查，确定測區(qū)内關鍵地物(wù)是否覆蓋完全，是否有漏測空洞，點雲密度是否符合後期處理(lǐ)需求等。通(tōng)過檢查，對(duì)點雲數據獲取不理(lǐ)想的(de)區(qū)域，通(tōng)過調整局部掃描精度重新掃描，直到符合下(xià)一個(gè)區(qū)域的(de)掃描測量。④數據補測。對(duì)于質量不達标的(de)測量數據，需要進行加站補測作業。補測主要針對(duì)數據點密度不足以反映被測物(wù)體所關注的(de)細節以及存在數據空洞的(de)情況分(fēn)别在原來(lái)站點處進行加密掃描與尋找區(qū)域内的(de)制高(gāo)點進行補站測量。

　　2.2 地面激光(guāng)雷達數據内業處理(lǐ)流程

　　内業數據處理(lǐ)是對(duì)外業數據采集的(de)所有數據進行處理(lǐ)，主要内容包括點雲數據拼接及坐(zuò)标轉換、地籍要素繪制、圖廓整飾、數據檢驗及精度驗證等。

　　1）坐(zuò)标系轉換。由于地面激光(guāng)雷達數據的(de)采集過程是單站逐個(gè)掃描的(de)形式，每一測站獲取的(de)點雲數據均有獨立的(de)掃描儀坐(zuò)标系（SOCS），爲了(le)得(de)到完整的(de)目标數據，必須将每一個(gè)測站的(de)點雲轉換到同一個(gè)坐(zuò)标系統之内。在數據采集完成之後，在點雲工作站中需要進行工程級别的(de)單站數據之間的(de)拼接處理(lǐ)，将整個(gè)的(de)掃描區(qū)域歸一到統一的(de)坐(zuò)标系統之下(xià)，即工程坐(zuò)标系（PRCS）。經過拼接之後，工程坐(zuò)标系下(xià)的(de)所有單站之間具有準确的(de)相對(duì)位置關系，通(tōng)過全局配準将所有的(de)三維坐(zuò)标點轉換到地理(lǐ)坐(zuò)标系下(xià)，即全局坐(zuò)标系（GLCS），以便準确實現實景照(zhào)片和(hé)點雲數據的(de)匹配。

　　2）數據拼接。點雲拼接的(de)過程主要包括兩個(gè)環節，首先進行手動粗拼接，在要進行拼接處理(lǐ)的(de)相鄰兩站點之間，通(tōng)過手動尋找同名點對(duì)來(lái)解算(suàn)轉換矩陣SOP，獲得(de)一個(gè)較好的(de)初始相對(duì)位置。然後在此基礎上，通(tōng)過叠代最近點算(suàn)法（Iterate Closest Points）進行自動精确拼接，從而達到不同站點之間的(de)點雲的(de)精細拼合。

　　3）地籍要素繪制。首先根據點雲三維顯示的(de)俯視投影(yǐng)圖，勾勒出研究區(qū)各線狀地物(wù)的(de)輪廓。采取人(rén)機交互的(de)操作，在南(nán)方CASS軟件中進行地籍要素的(de)提取、屬性編輯和(hé)修飾等地籍要素矢量數據。

　　4）圖廓整飾。通(tōng)過選擇不同的(de)視圖模式來(lái)判斷界址點和(hé)邊界的(de)位置信息，用(yòng)點雲工作站的(de)測圖模塊提取界址點。最終完成在點雲數據基礎上的(de)地籍圖的(de)繪制。

　　3 實際應用(yòng)

　　基于中國正在開展的(de)全國地籍調查項目的(de)實施，本研究選擇以新疆伊犁地區(qū)霍城(chéng)縣爲試驗區(qū)進行地籍調查，該試驗區(qū)能夠很好地反映出中國西北(běi)地區(qū)農村(cūn)居住特點。研究區(qū)地處伊犁河(hé)谷的(de)開闊地帶，農村(cūn)居住房(fáng)屋建築具有時(shí)間較長(cháng)、宅基地較爲集中，建築物(wù)不規則等特點。利用(yòng)地面激光(guāng)雷達技術對(duì)該地區(qū)進行地籍測量，快(kuài)速獲取被測物(wù)體的(de)空間三維坐(zuò)标數據及各地籍要素，并同步拍(pāi)攝實景照(zhào)片，真實再現所測對(duì)象的(de)三維立體景觀，通(tōng)過照(zhào)片信息獲取建築結構、街(jiē)道名等信息，爲地籍圖的(de)繪制做(zuò)準備。

　　首先根據規劃方案掃描研究區(qū)，獲得(de)被測區(qū)的(de)三維點雲數據圖，可(kě)以清晰地看出房(fáng)屋的(de)邊界、農用(yòng)地、道路等要素，并且通(tōng)過不同角度的(de)旋轉清楚的(de)确定房(fáng)屋腳點以及界址點、特征線等。

　　掃描工作結束後，内業人(rén)員(yuán)通(tōng)過人(rén)機交互的(de)作業方式，将點雲導入點雲工作站中，根據點雲三維顯示的(de)投影(yǐng)圖，依據地籍測繪規範在南(nán)方CASS軟件中進行矢量數據的(de)提取，得(de)到地籍要素的(de)矢量數據并進行屬性編輯和(hé)修飾等。通(tōng)過選擇不同的(de)視圖模式來(lái)判斷界址點和(hé)邊界的(de)位置信息，用(yòng)點雲工作站的(de)測圖模塊提取界址點。最終完成在點雲數據基礎上的(de)地籍圖的(de)繪制。

　　在地籍要素獲取過程中，對(duì)複雜(zá)地段隐蔽的(de)界址點，提取困難以及有部分(fēn)激光(guāng)雷達無法采集到的(de)區(qū)域，将在後期使用(yòng)GPS-RTK或全站儀測量方式進行人(rén)工實地補測。最終綜合激光(guāng)雷達獲取的(de)數據與補測數據共同完成地籍成圖。

　　4 試驗結果評估與精度驗證

　　在完成全測區(qū)的(de)測量成圖之後，利用(yòng)全站儀進行了(le)點位的(de)核查，顯示RTK檢測點與點雲檢測點，将全站儀精确測量的(de)點位與地面激光(guāng)雷達獲取的(de)對(duì)應點的(de)坐(zuò)标進行精度的(de)檢查和(hé)對(duì)比，采用(yòng)解析法根據坐(zuò)标得(de)到點位中誤差。

　　《地籍調查規程》表明(míng)，地籍測量的(de)允許限差在15 cm以内。從統計結果可(kě)以得(de)到，在點位的(de)實際檢查過程中選取的(de)部分(fēn)數據精度誤差完全符合《地籍調查規程》解析界址點的(de)精度要求。試驗證明(míng)，地面激光(guāng)雷達測量系統點雲的(de)精度能夠滿足地籍測量的(de)測圖精度。采用(yòng)地面激光(guāng)雷達測量系統進行地籍測量這(zhè)一方法是可(kě)行的(de)。

　　5 展望

　　通(tōng)過使用(yòng)地面激光(guāng)雷達系統作業方式，對(duì)新疆伊犁某農村(cūn)進行試驗。經過解算(suàn)得(de)出精确的(de)數據信息，并在點雲的(de)基礎上完成界址點選取、界址線界定及宗地邊界的(de)提取等工作。分(fēn)析可(kě)知，激光(guāng)雷達技術具有明(míng)顯的(de)優勢，能夠快(kuài)速獲取地籍測量所需的(de)信息，實現多(duō)種數據同時(shí)入庫。通(tōng)過驗證采用(yòng)激光(guāng)雷達進行地籍測量這(zhè)一方法具有很高(gāo)的(de)可(kě)行性。

　　激光(guāng)雷達技術作爲一種新型的(de)測量技術，可(kě)以快(kuài)速獲取全面的(de)空間三維信息，爲常規傳統的(de)測量帶來(lái)了(le)新的(de)突破。至目前爲止，國内所進行的(de)地籍測繪工作都是在二維地籍的(de)基礎上開展的(de)，但随著(zhe)城(chéng)市的(de)快(kuài)速發展和(hé)土地的(de)集約、節約利用(yòng)，迫使其向立體化(huà)方面發展。三維地籍必将成爲今後地籍管理(lǐ)工作的(de)發展方向。根據激光(guāng)雷達目前的(de)發展趨勢來(lái)看，激光(guāng)雷達技術必将在地籍測繪領域發揮越來(lái)越重要的(de)作用(yòng)。

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