地面LIDAR在地籍測量中的應用

　　隨著(zhù)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，而現階段的地籍測量也多與現代技術(shù)相結合。目前，地籍測量領(lǐng)域中應用到的新技術(shù)主要包括電磁感應測量法、雷達探地測量、GIS等高新技術(shù)，這些技術(shù)共同組成了現階段地籍測繪體系。采用高端科學(xué)技術(shù)手段輔助地籍調查，可以更加準確快捷地完成土地調查工作。這些高新技術(shù)在地籍測繪體系中發(fā)揮著(zhù)重要作用，激光雷達系統就是其中的代表，這給中國地籍測繪工作的發(fā)展帶來(lái)了很大契機。

　　近年來(lái)，激光雷達已成為測繪領(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(zhù)重要作用。激光雷達技術(shù)可為空間三維信息數據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、獲取目標物高分辨率數據以及空間三維坐標數據。

　　1 激光雷達系統介紹

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

　　1.1 地面激光雷達

　　地面激光雷達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物的三維坐標及復雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數據的一種新型測量設備。其中，被激光束掃描經(jīng)過(guò)的位置均以三維點(diǎn)的形式被記錄下來(lái)，測量得到的目標每個(gè)反射點(diǎn)的相對坐標數據被稱(chēng)為點(diǎn)云數據。

　　1）地面激光雷達的構造組成。地面三維激光掃描儀主要由掃描系統、控制系統和電源系統三部分構成，其中核心是掃描系統，其組成部分主要包括激光測距系統、激光測角系統、CCD相機和儀器控制校正系統等。激光發(fā)射裝置激發(fā)射出激光束，激光束通過(guò)旋轉反光鏡反射，從發(fā)射窗口射出之后在空間范圍內進(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點(diǎn)的形式記錄下來(lái)。

　　2）地面激光雷達的測量定位原理。地面激光雷達主要通過(guò)儀器自身發(fā)射激光束到旋轉式鏡頭中心，鏡頭通過(guò)快速而有序地旋轉將激光依次掃過(guò)被測區域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，根據光束的飛行時(shí)間可計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(guò)內置角度測量系統來(lái)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系內的X、Y、Z坐標值。并將其錄入存儲設備予以記錄儲存。從而能夠精確、快速地獲取高精度、實(shí)時(shí)的三維點(diǎn)云數據。

　　1.2 激光雷達技術(shù)特點(diǎn)

　　1）非接觸主動(dòng)式工作。地面激光雷達在獲取點(diǎn)云數據時(shí)不需與測量對象發(fā)生直接接觸，便可快速獲取真實(shí)準確的目標物點(diǎn)云數據，可以很好地解決不宜接觸目標的測量與數據上的誤差問(wèn)題。

　　2）獲取數據速度較快。地面激光掃描儀能在短時(shí)間內獲取大量空間目標的三維數據，目前脈沖式掃描速度已經(jīng)達到30萬(wàn)/S，相位式掃描速度已經(jīng)達到96萬(wàn)/S。這一特點(diǎn)給野外數據的采集帶來(lái)極大方便。

　　3）數據信息豐富。獲取的數據包含物體表面精細信息，根據點(diǎn)云數據密度高的特性，獲得高清晰度信息。也可對表面復雜的物體進(jìn)行測量，最終實(shí)現對目標物體的精細化測量。

　　1.3 LIDAR應用領(lǐng)域

　　近年來(lái)，激光雷達技術(shù)已成功運用到各領(lǐng)域，如測量、林業(yè)調查、數字建設、工程設計、農業(yè)、礦業(yè)、交通、城市規劃和城市三維建模、災害監測和遺產(chǎn)記錄等領(lǐng)域。

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

　　2）林業(yè)調查中的應用。在林業(yè)調查工作中，使用激光雷達采集的三維點(diǎn)云數據同航拍影像的結合，可以提取更多樹(shù)木信息，也用于森林區域水平的重建。

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

　　4）在農業(yè)方面的應用。利用自動(dòng)化三維激光掃描系統鑒定分析作物表型，具有巨大的潛在優(yōu)勢，這樣可以大幅度降低人力投入，能夠節約大量的人力和時(shí)間，并大大增加試驗數據的客觀(guān)性。

　　2 地面激光雷達在地籍測量中的應用

　　地籍是為土地稅收、土地產(chǎn)權保護、利用規劃及日常管理等方面順利進(jìn)行的服務(wù)基礎。從新中國成立以來(lái)，中國地籍工作就受到了國家的高度重視。20世紀80年代改革開(kāi)放以來(lái)，中國地籍工作得到快速發(fā)展。在此期間，國家也先后出臺并完善了地籍的一些相關(guān)政策及地籍調查的技術(shù)規范、規程、規定和數據庫建設標準，并且統一了地籍測繪成圖結果的數據標準。

　　地籍測繪是地籍調查過(guò)程中最核心的部分，是以權屬調查為依據，進(jìn)行獲取和表達地籍信息所進(jìn)行的一項測繪工作。地籍測量成果是土地登記的依據。地籍測繪的核心內容是房屋界址點(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的配合測量?jì)x器（如皮尺、經(jīng)緯儀等）用紙、圖進(jìn)行記錄完成野外調查這一方法，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)坐標等，這給測圖增加了很大的工作量。而近年來(lái)，國內所開(kāi)展的地籍測量工作大多是全國性的測繪任務(wù)，并且地籍數據具有法律效力，對數據精度要求高，同步變更需及時(shí)。地面激光雷達點(diǎn)云數據具有現勢性較強、掃描對象完整、測量范圍容易控制等眾多特點(diǎn)，作為主要數據源進(jìn)行地籍調查具有巨大優(yōu)勢。因此將地面激光雷達應用在地籍調查中，可大大縮小地籍調查的周期性。隨著(zhù)高科技術(shù)的快速發(fā)展，激光雷達高新技術(shù)在攝影測量領(lǐng)域應用廣泛。目前，激光雷達技術(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 地面激光雷達系統數據采集與處理

　　2.1.1 前期準備 ①測區資料搜集。測區資料主要包括測區的航拍或衛星影像及地形圖等。同時(shí)需很好地了解當地氣候氣象信息，調查測區內的道路分布以及地表地物分布狀況，從而確定測站點(diǎn)的架設方式。②掃描線(xiàn)路初期設計。初步設計測區的掃描線(xiàn)路，線(xiàn)路的設計主要依據測區覆蓋完整、測站點(diǎn)分布均勻、測量站移動(dòng)站便捷且路徑不重復等規則選擇合適位置布設測站點(diǎn)、標靶及控制點(diǎn)。并將設定好的掃描路線(xiàn)以及站點(diǎn)分布標識于地形圖或遙感影像圖上，實(shí)地踏勘檢查站點(diǎn)設置以及線(xiàn)路的設定是否合理高效。③測區實(shí)地踏勘。工作開(kāi)始前，根據測區的道路狀況進(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。通過(guò)在測區內進(jìn)行實(shí)地探訪(fǎng)，根據測區的道路狀況對掃描線(xiàn)路進(jìn)行修正，根據地物的分布疏密以及重要性?huà)呙鑼ο蟮奈恢煤侠硪巹潚呙枵军c(diǎn)的分布。

　　2.1.2 規劃作業(yè)方案 根據項目要求對掃描作業(yè)制定方案，基于實(shí)地踏勘的情況，對初期設定的掃描線(xiàn)路進(jìn)行調整與修改，實(shí)現在符合作業(yè)規則的前提下合理分布站點(diǎn)，根據地物的分布情況確定掃描模式。并依據預定的站點(diǎn)數以及掃描模式估計工作量。在完成以上工作之后，開(kāi)始依據方案開(kāi)展數據采集作業(yè)。

　　2.1.3 外業(yè)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，標靶數量是否匹配、檢查點(diǎn)云數據和二維影像是否能準確匹配等。②數據獲取。根據規劃作業(yè)方案，采用“基站點(diǎn)+測站點(diǎn)”的方法，進(jìn)行轉掃測量。即通過(guò)在已知控制點(diǎn)上架設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)上架設標靶（記為標靶點(diǎn)），根據測量物體的特征，對三維激光掃描儀按一定的參數進(jìn)行設置后采集被測物體點(diǎn)云數據；在點(diǎn)云數據中找到標靶點(diǎn)的位置并對標靶進(jìn)行精細掃描，最終獲得后視點(diǎn)標靶的相對坐標。③數據質(zhì)量檢查。對當日掃描數據備份存儲之后，進(jìn)行粗拼接檢驗，通過(guò)對全局數據拼合效果的檢查，確定測區內關(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(guò)檢查，對點(diǎn)云數據獲取不理想的區域，通過(guò)調整局部掃描精度重新掃描，直到符合下一個(gè)區域的掃描測量。④數據補測。對于質(zhì)量不達標的測量數據，需要進(jìn)行加站補測作業(yè)。補測主要針對數據點(diǎn)密度不足以反映被測物體所關(guān)注的細節以及存在數據空洞的情況分別在原來(lái)站點(diǎn)處進(jìn)行加密掃描與尋找區域內的制高點(diǎn)進(jìn)行補站測量。

　　2.2 地面激光雷達數據內業(yè)處理流程

　　內業(yè)數據處理是對外業(yè)數據采集的所有數據進(jìn)行處理，主要內容包括點(diǎn)云數據拼接及坐標轉換、地籍要素繪制、圖廓整飾、數據檢驗及精度驗證等。

　　1）坐標系轉換。由于地面激光雷達數據的采集過(guò)程是單站逐個(gè)掃描的形式，每一測站獲取的點(diǎn)云數據均有獨立的掃描儀坐標系（SOCS），為了得到完整的目標數據，必須將每一個(gè)測站的點(diǎn)云轉換到同一個(gè)坐標系統之內。在數據采集完成之后，在點(diǎn)云工作站中需要進(jìn)行工程級別的單站數據之間的拼接處理，將整個(gè)的掃描區域歸一到統一的坐標系統之下，即工程坐標系（PRCS）。經(jīng)過(guò)拼接之后，工程坐標系下的所有單站之間具有準確的相對位置關(guān)系，通過(guò)全局配準將所有的三維坐標點(diǎn)轉換到地理坐標系下，即全局坐標系（GLCS），以便準確實(shí)現實(shí)景照片和點(diǎn)云數據的匹配。

　　2）數據拼接。點(diǎn)云拼接的過(guò)程主要包括兩個(gè)環(huán)節，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(guò)手動(dòng)尋找同名點(diǎn)對來(lái)解算轉換矩陣SOP，獲得一個(gè)較好的初始相對位置。然后在此基礎上，通過(guò)迭代最近點(diǎn)算法（Iterate Closest Points）進(jìn)行自動(dòng)精確拼接，從而達到不同站點(diǎn)之間的點(diǎn)云的精細拼合。

　　3）地籍要素繪制。首先根據點(diǎn)云三維顯示的俯視投影圖，勾勒出研究區各線(xiàn)狀地物的輪廓。采取人機交互的操作，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據。

　　4）圖廓整飾。通過(guò)選擇不同的視圖模式來(lái)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)云數據基礎上的地籍圖的繪制。

　　3 實(shí)際應用

　　基于中國正在開(kāi)展的全國地籍調查項目的實(shí)施，本研究選擇以新疆伊犁地區霍城縣為試驗區進(jìn)行地籍調查，該試驗區能夠很好地反映出中國西北地區農村居住特點(diǎn)。研究區地處伊犁河谷的開(kāi)闊地帶，農村居住房屋建筑具有時(shí)間較長(cháng)、宅基地較為集中，建筑物不規則等特點(diǎn)。利用地面激光雷達技術(shù)對該地區進(jìn)行地籍測量，快速獲取被測物體的空間三維坐標數據及各地籍要素，并同步拍攝實(shí)景照片，真實(shí)再現所測對象的三維立體景觀(guān)，通過(guò)照片信息獲取建筑結構、街道名等信息，為地籍圖的繪制做準備。

　　首先根據規劃方案掃描研究區，獲得被測區的三維點(diǎn)云數據圖，可以清晰地看出房屋的邊界、農用地、道路等要素，并且通過(guò)不同角度的旋轉清楚的確定房屋腳點(diǎn)以及界址點(diǎn)、特征線(xiàn)等。

　　掃描工作結束后，內業(yè)人員通過(guò)人機交互的作業(yè)方式，將點(diǎn)云導入點(diǎn)云工作站中，根據點(diǎn)云三維顯示的投影圖，依據地籍測繪規范在南方CASS軟件中進(jìn)行矢量數據的提取，得到地籍要素的矢量數據并進(jìn)行屬性編輯和修飾等。通過(guò)選擇不同的視圖模式來(lái)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)云數據基礎上的地籍圖的繪制。

　　在地籍要素獲取過(guò)程中，對復雜地段隱蔽的界址點(diǎn)，提取困難以及有部分激光雷達無(wú)法采集到的區域，將在后期使用GPS-RTK或全站儀測量方式進(jìn)行人工實(shí)地補測。最終綜合激光雷達獲取的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)位與地面激光雷達獲取的對應點(diǎn)的坐標進(jìn)行精度的檢查和對比，采用解析法根據坐標得到點(diǎn)位中誤差。

　　《地籍調查規程》表明，地籍測量的允許限差在15 cm以?xún)?。從統計結果可以得到，在點(diǎn)位的實(shí)際檢查過(guò)程中選取的部分數據精度誤差完全符合《地籍調查規程》解析界址點(diǎn)的精度要求。試驗證明，地面激光雷達測量系統點(diǎn)云的精度能夠滿(mǎn)足地籍測量的測圖精度。采用地面激光雷達測量系統進(jìn)行地籍測量這一方法是可行的。

　　5 展望

　　通過(guò)使用地面激光雷達系統作業(yè)方式，對新疆伊犁某農村進(jìn)行試驗。經(jīng)過(guò)解算得出精確的數據信息，并在點(diǎn)云的基礎上完成界址點(diǎn)選取、界址線(xiàn)界定及宗地邊界的提取等工作。分析可知，激光雷達技術(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)現多種數據同時(shí)入庫。通過(guò)驗證采用激光雷達進(jìn)行地籍測量這一方法具有很高的可行性。

　　激光雷達技術(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，為常規傳統的測量帶來(lái)了新的突破。至目前為止，國內所進(jìn)行的地籍測繪工作都是在二維地籍的基礎上開(kāi)展的，但隨著(zhù)城市的快速發(fā)展和土地的集約、節約利用，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。根據激光雷達目前的發(fā)展趨勢來(lái)看，激光雷達技術(shù)必將在地籍測繪領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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