江 勇,陳學(xué)彬,陳麗娜,李曉鵬

(1.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院,江蘇 南京 211111;2.皖江工學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

根據(jù)自然資源部提出進(jìn)一步加快推進(jìn)農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查任務(wù)的要求,全國(guó)性、大范圍的農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目生產(chǎn)任務(wù)已經(jīng)展開(kāi)。目前,傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量手段,不僅無(wú)法解決成本高、效率低的問(wèn)題,也無(wú)法滿足生產(chǎn)進(jìn)度和工期的要求。隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)、儀器光電子學(xué)科、圖形圖像處理等學(xué)科的發(fā)展進(jìn)步,三維激光掃描儀技術(shù)得到了飛速發(fā)展,機(jī)載三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間三維地理信息數(shù)據(jù)的采集,其獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理軟件可實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維場(chǎng)景再現(xiàn)[1-4]。三維激光掃描儀技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,已從最初的架站式三維激光掃描儀技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的基于多載體、多平臺(tái)的三維激光掃描儀技術(shù),由于三維激光掃描系統(tǒng)在獲取中長(zhǎng)距離點(diǎn)云數(shù)據(jù)影像方面取得了突破性進(jìn)展,因此關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的研究?jī)?nèi)容、研究方法的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)新的階段。機(jī)載三維激光掃描儀利用其先進(jìn)的視覺(jué)追蹤技術(shù),可實(shí)現(xiàn)相鄰測(cè)站間點(diǎn)云的自動(dòng)拼接[5]。本研究利用機(jī)載三維激光掃描儀技術(shù),結(jié)合三維真彩色相機(jī),有效的獲取了高精度的農(nóng)房點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪圖軟件處理,并最終形成了高精度的農(nóng)房權(quán)籍?dāng)?shù)據(jù)。機(jī)載三維激光掃描技術(shù)將大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為室內(nèi)工作,簡(jiǎn)化了繁重的外業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù),有效降低了生產(chǎn)成本,極大提高了生產(chǎn)效率。

1 機(jī)載三維激光掃描原理

1.1 三維激光掃描系統(tǒng)

AS-900HL多平臺(tái)激光雷達(dá)系統(tǒng),主要由電源、數(shù)據(jù)傳輸線、控制器、三維激光掃描儀4個(gè)部分組成(圖1)。其集成了各類(lèi)高性能的傳感器,包括激光掃描儀、光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU、激光傳感器等。AS-900HL平臺(tái)采用了多次回波技術(shù),能夠在稀疏植被區(qū)域獲取精確的地面高程點(diǎn),并結(jié)合軟件后處理可自動(dòng)濾除植被輸出DSM、DEM。平臺(tái)采用了輕量化設(shè)計(jì)理念,適合無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的操控。綜上所述,AS-900HL三維激光掃描儀可經(jīng)過(guò)一次采集,獲取多種傳感器數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合[6-7]。

圖1 AS-900HL 機(jī)載雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)

1.2 機(jī)載三維激光掃描測(cè)量原理

AS-900HL移動(dòng)式三維激光掃描是通過(guò)記錄激光不間斷的向目標(biāo)物發(fā)出的激光束,即利用激光測(cè)距,以及發(fā)出激光束的水平角和垂直角計(jì)算出目標(biāo)物的空間位置,同時(shí)結(jié)合SLAM算法,使得三維激光掃描能實(shí)時(shí)解算與待測(cè)目標(biāo)物的距離并獲得掃描儀與目標(biāo)物的相對(duì)位置關(guān)系[8]。

2 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域以某市農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目為依托,項(xiàng)目區(qū)農(nóng)房多為老舊無(wú)人居住房屋,單戶房屋以院落為單位,多數(shù)相鄰宗地間有巷道,少部分相鄰宗地有借墻和共墻現(xiàn)象,每個(gè)行政村居住區(qū)總體比較集中,房屋成片化聚集。本研究區(qū)域涉及30個(gè)行政村,約2.3萬(wàn)宗農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍測(cè)量任務(wù)。

3 項(xiàng)目規(guī)劃和實(shí)施

本研究以行政村界線為單位,從南向北按照地理位置依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,機(jī)載三維激光掃描技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 機(jī)載三維激光掃描技術(shù)路線

3.1 測(cè)區(qū)航線規(guī)劃

數(shù)據(jù)采集前技術(shù)人員對(duì)測(cè)區(qū)周?chē)匦蔚貏?shì)、障礙物分布、環(huán)境干擾等情況進(jìn)行實(shí)地勘察,提前了解測(cè)區(qū)內(nèi)房層、高壓電力線及大型通信發(fā)射塔的位置及高度等信息,同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)完整性及數(shù)據(jù)精度要求,利用無(wú)人機(jī)地面站進(jìn)行航線規(guī)劃及飛行參數(shù)設(shè)定,確定無(wú)人機(jī)的起降點(diǎn)并規(guī)劃航線,本研究使用DJI GS Pro地面站自定義規(guī)劃航線,航線設(shè)置完成后無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛、飛行、返航,完成機(jī)載LiDAR外業(yè)數(shù)據(jù)采集,無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃

3.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

三維激光掃描儀數(shù)據(jù)獲取和處理流程如下:

(1)原始數(shù)據(jù)獲取,主要獲取GNSS基站靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù),POS數(shù)據(jù),包括移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù),激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)等。

(2)基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,利用華測(cè)導(dǎo)航CHCData軟件,進(jìn)行天線高改正,將基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成通用的RENIX 3.02格式。

(3)數(shù)據(jù)融合解算,通過(guò)Inertial Explorer解算出高精度軌跡與Rigel高精度的點(diǎn)云融合,得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理,將原始激光數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算,轉(zhuǎn)換生成WGS 84坐標(biāo)系下的las格式激光點(diǎn)云[9-11]。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)成圖和成果展示

本研究使用華測(cè)地籍測(cè)圖軟件CoMapping繪制房屋線劃圖DLG,該軟件基于真三維立體環(huán)境測(cè)圖,可同時(shí)支持點(diǎn)云數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)的處理,并能夠與傳統(tǒng)航測(cè)作業(yè)相兼容。將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入測(cè)圖系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)基于點(diǎn)云的點(diǎn)、線、面等地物要素采集,通過(guò)高程裁切,調(diào)節(jié)高度進(jìn)行地形要素的快速繪制。對(duì)于部分點(diǎn)云掃描不完整的墻體,可通過(guò)點(diǎn)云切片快速定位繪圖,對(duì)于部分不易捕捉的房角點(diǎn),可以采用線相交輔助法繪制?；邳c(diǎn)云測(cè)圖時(shí)要遵從一定的原則:① 只采集點(diǎn)云可準(zhǔn)確判讀且清晰可見(jiàn)的部分,對(duì)于部分點(diǎn)云稀少、發(fā)散或缺失的位置不采集;② 當(dāng)點(diǎn)云出現(xiàn)雙層且層距大于5 cm的地方,按中間采集,并做好標(biāo)記,交由外業(yè)實(shí)地核實(shí);③ 點(diǎn)云只畫(huà)能夠準(zhǔn)確表達(dá)且確認(rèn)無(wú)誤的地物,對(duì)于不確定的地物不處理,遵循“點(diǎn)云到哪畫(huà)到哪”的繪圖原則,對(duì)于點(diǎn)云缺失的位置和不確定的地物交由外業(yè)實(shí)地核實(shí)補(bǔ)測(cè);④ 由于源數(shù)據(jù)是點(diǎn)云且整個(gè)測(cè)圖過(guò)程全部是基于點(diǎn)云繪制,測(cè)圖模式為“點(diǎn)云+2.5維+高程裁切后平面”的方法,這與傳統(tǒng)的“房角點(diǎn)+直角化”測(cè)圖模式不同,傳統(tǒng)模式的測(cè)圖近似的認(rèn)為房角都是理想化的垂直狀態(tài),而現(xiàn)實(shí)中幾乎沒(méi)有完全意義上直角的房角存在,大多數(shù)房體墻面也不是嚴(yán)格意義上的平面,因此按照點(diǎn)云繪制的房角點(diǎn)多數(shù)不是直角。相比于傳統(tǒng)的“房角點(diǎn)+直角化”模式測(cè)圖基于點(diǎn)云測(cè)圖模式能夠更加真實(shí)地反映地物特征。遵循本研究嚴(yán)格按照以上繪圖方法和原則繪制地籍圖,如圖4為點(diǎn)云模型及基于點(diǎn)云測(cè)圖結(jié)果。

圖4 點(diǎn)云模型及基于點(diǎn)云測(cè)得平面圖

4 數(shù)據(jù)檢查與精度分析

為驗(yàn)證基于機(jī)載三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)圖精度是否符合要求,本研究利用機(jī)載LiDAR和全站儀測(cè)圖兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析。為確保研究結(jié)果可靠,避免因空域、人工、控制點(diǎn)等外界因素不同的影響,同一時(shí)間選定了同一村莊作為研究區(qū)域,該區(qū)域允許無(wú)人機(jī)低空飛行,在區(qū)域內(nèi)作業(yè)時(shí)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)和全站儀測(cè)圖基于同一套控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。機(jī)載三維激光掃描小組以測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的村停車(chē)場(chǎng)作為無(wú)人機(jī)的起降地點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,同時(shí)另一組人員使用全站儀對(duì)同一區(qū)域內(nèi)的房角點(diǎn)進(jìn)行采集。利用機(jī)載掃描儀獲得區(qū)域內(nèi)高精度的農(nóng)房點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)CoMapping軟件處理后共獲得該區(qū)域內(nèi)60宗房屋地籍圖,從圖上提取60宗農(nóng)房房角點(diǎn)坐標(biāo),共獲得244個(gè)房角點(diǎn)坐標(biāo)和86條房屋界址邊邊長(zhǎng)數(shù)據(jù),利用全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)作為真值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析,對(duì)其界址點(diǎn)精度、界址邊精度進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)及中誤差計(jì)算,獲得界址點(diǎn)精度、界址邊精度統(tǒng)計(jì)分別如表1和表2所示。

表1 界址點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表(單位/m)

表2 界址邊精度統(tǒng)計(jì)表(單位/m)

通過(guò)檢測(cè)的86條房屋界址邊計(jì)算界址邊長(zhǎng)中誤差為±0.028 m,通過(guò)采集的244個(gè)房屋界址點(diǎn)計(jì)算出界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±0.032 m,精度滿足地籍調(diào)查規(guī)范中界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不超過(guò)±0.05 m,邊長(zhǎng)堪丈中誤差小于±0.1 m的要求[12],綜上所述,基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的地籍圖成果精確可靠,可作為本次農(nóng)房權(quán)籍調(diào)查外業(yè)調(diào)查成果使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

研究結(jié)果表明,基于機(jī)載三維激光掃描儀系統(tǒng)獲取的農(nóng)村地籍?dāng)?shù)據(jù),其精度滿足地籍調(diào)查規(guī)程中關(guān)于界址點(diǎn)精度和房屋邊長(zhǎng)精度的要求。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)不受天氣、光照等外界環(huán)境條件的影響,具有獲取空間信息速度快、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn),同時(shí)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖對(duì)于植被具有一定的穿透作用,對(duì)有植被遮擋的房屋區(qū)域進(jìn)行掃測(cè)時(shí),可在一定程度上減少因植被遮擋等造成的房屋信息損失。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)具有傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),它的應(yīng)用使空間地理信息數(shù)據(jù)采集工作變得更加簡(jiǎn)單、高效。因此機(jī)載三維激光掃描儀系統(tǒng)在未來(lái)大范圍、大區(qū)域空間地理信息數(shù)據(jù)采集方面具有廣闊的應(yīng)用前景。