何桂鳳 謝雄軍

（廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510700）

0.引言

作為測繪領(lǐng)域的一項重要測繪任務(wù)，不動產(chǎn)測繪的傳統(tǒng)作業(yè)方式主要是通過GNSS-RTK、全站儀、卷尺等測繪手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)不動產(chǎn)測繪作業(yè)方式存在很多現(xiàn)實性問題，如，作業(yè)周期長、效率低以及生產(chǎn)成本高等。因此，探索基于測繪新技術(shù)、新方法的不動產(chǎn)測繪具有重要意義。發(fā)揮無人機傾斜攝影測量技術(shù)在空間數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢，全面分析論證傾斜攝影測量技術(shù)后，王小娟[1]將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)項目中，取得了不錯的效果。然而由于光學(xué)影像難以獲取植被茂盛區(qū)域的地形地貌數(shù)據(jù)，傾斜攝影測量技術(shù)不能完整采集測區(qū)數(shù)據(jù)，需要一定的外業(yè)補測工作。激光LiDAR技術(shù)通過發(fā)射激光脈沖，可極大概率穿透地表植被，獲取海量的地表三維點云數(shù)據(jù)[2]。作為近幾年發(fā)展起來的激光LiDAR技術(shù)，無人機機載激光LiDAR技術(shù)是一種主動式遙感技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的機載激光LiDAR技術(shù)具有價格低、操作方便等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在電力巡檢、高精度DEM制作等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。

發(fā)揮無人機機載激光LiDAR技術(shù)在空間三維數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢，本文提出將不動產(chǎn)測繪與無人機機載激光LiDAR技術(shù)相結(jié)合，以廣州市某不動產(chǎn)測繪項目為例開展相關(guān)試驗。本文對基于無人機機載激光LiDAR技術(shù)在不動產(chǎn)測繪中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索，并對無人機機載激光LiDAR不動產(chǎn)測繪成果的精度進(jìn)行檢驗，結(jié)果表明：基于無人機機載激光LiDAR技術(shù)的不動產(chǎn)測繪具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)處理便捷、成果生產(chǎn)周期短、項目投入小等優(yōu)勢，是對測繪新技術(shù)與測繪項目結(jié)合的一種有益探索。

1.無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成與原理

機載LiDAR掃描系統(tǒng)是繼以GPS為代表的測繪技術(shù)以來的又一場測繪技術(shù)革命，目前常用的無人機機載激光Li-DAR系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成，分別為GNSS系統(tǒng)、INS系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)[3]，使用無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)可以主動式獲取點云數(shù)據(jù)并能夠制作生成高精度DEM數(shù)據(jù)。通過多種子系統(tǒng)集成的無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)可發(fā)射激光脈沖至被掃描物體表面，通過激光脈沖傳播速度、傳播時間以及掃描角度計算得到被掃描物體表面三維坐標(biāo)信息。作為當(dāng)今攝影測量與遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的對地觀測系統(tǒng)，無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)在進(jìn)行地表影像、點云數(shù)據(jù)采集時僅需少量或者不需要地面控制點。同時，無人機機載激光LiDAR技術(shù)是目前唯一能夠?qū)ι指采w區(qū)地面高程進(jìn)行測定的技術(shù)。

在數(shù)據(jù)層面上，無人機機載激光LiDAR技術(shù)分為兩個部分：（1）通過隨機攜帶的CCD相機獲取的地表影像數(shù)據(jù)；（2）通過GNSS動態(tài)差分技術(shù)以及測距、測角獲取地表精確的具有三維坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)。無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)的原理如圖1所示，通過GNSS定位激光器位置、INS系統(tǒng)得到激光發(fā)射方向、激光掃描角度，準(zhǔn)確計算每一個地面光斑的三維點云坐標(biāo)。

圖1 無人機機載激光LiDAR技術(shù)原理

1.2 無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)誤差來源

無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)在進(jìn)行外業(yè)作業(yè)過程中，由于受自身以及環(huán)境影響，會產(chǎn)生多種誤差[4]，主要的誤差源包括：

（1）安置誤差。安置誤差包括兩個部分：姿態(tài)誤差是指激光掃描儀與IMU系統(tǒng)相對安置姿態(tài)誤差；位置誤差是指IMU系統(tǒng)中心與激光掃描儀中心安置位置偏移誤差。

（2）IMU中心位置偏移誤差。IMU中心位置偏移誤差由時間同步誤差引起。

（3）測姿誤差與定位誤差。測姿誤差是指IMU系統(tǒng)測定激光掃描儀姿態(tài)角的誤差；定位誤差是指GNSS系統(tǒng)中心與IMU系統(tǒng)中心的偏移誤差。

（4）激光掃描儀測量誤差。激光掃描儀測量誤差包括測角、測距誤差。

2.無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)實現(xiàn)不動產(chǎn)測繪

將無人機機載LiDAR系統(tǒng)應(yīng)用于不動產(chǎn)測繪的主要作業(yè)步驟為實地踏勘、航線規(guī)劃、外業(yè)影像與點云數(shù)據(jù)采集、地面控制測量、點云與影像數(shù)據(jù)處理、地物要素采集、地籍圖編繪以及精度檢驗等[5]，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)不動產(chǎn)測繪技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)采集

本項目中使用科衛(wèi)泰六旋翼無人機作為航攝平臺，搭載華測導(dǎo)航AS900-HL激光LiDAR測量系統(tǒng)以及索尼微單相機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時采集地表點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)以及POS數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)。在地面使用GNSS-RTK技術(shù)采集基站數(shù)據(jù)以及檢查點數(shù)據(jù)，其中基站數(shù)據(jù)用于后差分POS數(shù)據(jù)解算，檢查點數(shù)據(jù)用于評價點云精度?？紤]到無人機的續(xù)航能力、照片重疊率以及激光對植被穿透率較多等因素，無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時設(shè)置的參數(shù)為：航向重疊度為60%，旁向重疊度為80%，相對航高為120 m。通過實地進(jìn)行無人機機載激光LiDAR數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)測區(qū)地形數(shù)據(jù)全覆蓋。

2.2 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要是使用POS數(shù)據(jù)對原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到具有真實三維坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)，以及針對點云數(shù)據(jù)的濾波等后處理。POS數(shù)據(jù)解算軟件為Inertial Explore軟件，首先在Inertial Explore軟件中新建項目工程，將外業(yè)采集IMU數(shù)據(jù)、移動站GNSS數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)加載至項目工程中，經(jīng)組合導(dǎo)航解算得到飛行軌跡數(shù)據(jù)。飛行軌跡數(shù)據(jù)解算完成后，對解算結(jié)果進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括IMU處理狀態(tài)、姿態(tài)與位置精度、處理精度報告等，解算結(jié)果無誤后將飛行軌跡文件輸出。

針對無人機機載激光LiDAR點云數(shù)據(jù)的處理分為三個步驟，分別為點云融合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與點云精處理，其中點云融合在HGO軟件中完成，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在Ztpointprocess軟件中完成，點云精處理在TerraSolid軟件中完成。在Ztpointprocess軟件中加載飛行軌跡數(shù)據(jù)與原始點云rxp數(shù)據(jù)，通過設(shè)置系統(tǒng)檢校參數(shù)將原始rxp數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成具有真實三維坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)，點云格式為通用的LAS格式。最后，將LAS格式點云數(shù)據(jù)加載至TerraSolid軟件中進(jìn)行點云濾波、去除噪聲點等精處理，其中以120°掃描角度進(jìn)行濾波，對經(jīng)處理后的點云質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要檢查項為：

（1）點云數(shù)據(jù)是否將整個測區(qū)覆蓋完整。

（2）航帶之間是否有漏洞以及重疊率是否滿足要求（不小于50%）。

（3）航帶拼接誤差是否符合數(shù)據(jù)處理要求（航帶拼接誤差要小于0.5 m，大于0.5 m需要重新解算）。

對于影像數(shù)據(jù)的處理，將飛行軌跡數(shù)據(jù)與原始影像數(shù)據(jù)加載至Pix4dmapper軟件中進(jìn)行處理，制作正射影像圖。

2.3 地籍圖編繪

使用清華山維EPS軟件作為地籍圖編繪軟件，將符合生產(chǎn)條件的點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)加載至清華山維測圖軟件中。其中三維窗口顯示點云數(shù)據(jù)，二維窗口顯示正射影像數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行矢量地物的繪制。地物矢量提取完成后，根據(jù)各要素以及地物的符號嚴(yán)格按照圖示規(guī)定進(jìn)行編輯處理，得到最終不動產(chǎn)測繪成果。

3.工程應(yīng)用案例

3.1 項目概況與數(shù)據(jù)采集

為了在保證不動產(chǎn)測繪成果精度的前提下提高整體作業(yè)效率，本文結(jié)合廣州市某不動產(chǎn)測量項目，開展基于無人機載激光LiDAR技術(shù)的不動產(chǎn)測繪試驗。該不動產(chǎn)測量項目測區(qū)面積約為1.25 km2，地形以平地、丘陵為主，測區(qū)內(nèi)地物有建筑物、道路、植被等，種類豐富。使用多旋翼飛行平臺搭載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測區(qū)數(shù)據(jù)采集，共航飛4個架次，每架次飛行時間約20 min。

3.2 成果處理

按照前文的設(shè)計技術(shù)路線，將采集完成的外業(yè)數(shù)據(jù)加載至數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的處理，其中解算得到測區(qū)點云數(shù)據(jù)如圖3所示。將點云數(shù)據(jù)與正射影像數(shù)據(jù)加載至繪圖軟件中進(jìn)行地籍圖測制。

圖3 試驗區(qū)無人機機載激光LiDAR掃描數(shù)據(jù)

3.3 精度檢測

為了對本文基于無人機機載激光LiDAR技術(shù)的不動產(chǎn)測繪的可行性進(jìn)行檢驗，使用傳統(tǒng)高精度檢驗點采集技術(shù)在測區(qū)內(nèi)均勻采集檢驗點檢測成果精度。將采集檢測點坐標(biāo)與無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)成圖的圖上坐標(biāo)進(jìn)行對比，計算地物點平面絕對位置中誤差。通過高精度統(tǒng)計方法對成果精度進(jìn)行統(tǒng)計，本次試驗中共隨機抽取248個地物點進(jìn)行成果平面絕對位置精度檢測，精度統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 不動產(chǎn)測繪成果平面絕對位置精度統(tǒng)計

使用手持測距儀測量地物點間距的方式對地物點平面位置相對精度進(jìn)行檢測。將測量地物點間距與基于無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)成圖成果中同名點間距進(jìn)行對比，計算得到地物點平面相對位置中誤差，同樣使用高精度統(tǒng)計方法對成果精度進(jìn)行統(tǒng)計。在測區(qū)內(nèi)均勻采集152條邊長進(jìn)行平面相對位置精度統(tǒng)計，相對位置精度統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 不動產(chǎn)測繪成果平面相對位置精度統(tǒng)計

通過表1、表2可知：地物點平面絕對位置檢測中誤差為0.033 m，滿足不動產(chǎn)測繪規(guī)范中規(guī)定的中誤差小于0.05 m的精度要求，粗差率為1.2%，滿足粗差率在5%以內(nèi)的精度要求；地物點平面相對位置檢測中誤差為0.029 m，滿足不動產(chǎn)測繪規(guī)范中規(guī)定的中誤差小于0.05 m的精度要求，粗差率為2.6%，滿足粗差率在5%以內(nèi)的精度要求。通過對基于無人機機載激光LiDAR不動產(chǎn)測繪成果的精度統(tǒng)計結(jié)果可知，將無人機機載激光LiDAR技術(shù)應(yīng)用于不動產(chǎn)測繪是切實可行的。

3.4 無人機機載激光LiDAR不動產(chǎn)測繪技術(shù)特點

使用無人機機載激光LiDAR點云數(shù)據(jù)進(jìn)行不動產(chǎn)要素采集時，可以對建筑物進(jìn)行任意高度切片，房屋邊界以三維激光點的形式呈現(xiàn)，便于作業(yè)員的判斷。由于墻面沒有凹凸，基于點云數(shù)據(jù)采集的矢量數(shù)據(jù)精度更高。另外，使用無人機機載激光LiDAR技術(shù)進(jìn)行不動產(chǎn)測繪時，其作業(yè)時間不受限制，白天、夜晚均可進(jìn)行航飛數(shù)據(jù)采集，同時不需要布設(shè)像控點，可大大降低外業(yè)工作量、節(jié)約人力成本。

4.結(jié)束語

結(jié)合無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)的技術(shù)特點，本文將該技術(shù)應(yīng)用于不動產(chǎn)測繪項目試驗中，全面描述了無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)的組成部分、技術(shù)原理以及誤差來源。相比于傳統(tǒng)大型機載激光LiDAR系統(tǒng)，無人機機載激光Li－DAR系統(tǒng)能夠進(jìn)行全天候、高精度地表三維數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)獲取，具有廣泛的應(yīng)用前景。將無人機機載激光LiDAR技術(shù)應(yīng)用于廣州市某不動產(chǎn)測繪項目試驗中，對無人機機載激光LiDAR技術(shù)實現(xiàn)不動產(chǎn)測繪的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索與分析，并對成果數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)精度進(jìn)行檢驗，結(jié)果表明：基于無人機機載激光LiDAR技術(shù)的不動產(chǎn)測繪成果滿足成圖成果精度要求。利用無人機機載激光LiDAR技術(shù)進(jìn)行不動產(chǎn)測繪可在保證成果精度的前提下大大降低外業(yè)工作量，節(jié)約人力成本，在傳統(tǒng)技術(shù)手段測量困難的密集區(qū)域具有巨大優(yōu)勢。但是無人機機載激光LiDAR系統(tǒng)在進(jìn)行作業(yè)時存在續(xù)航時間短、荷載受限等問題，對于大面積長續(xù)航作業(yè)存在一定難度。因此，針對續(xù)航短、荷載有限等現(xiàn)實性問題的解決對于提高無人機機載激光LiDAR技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。