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機載LiDAR測量系統在“房地一體”農村不動產權籍調查中的應用

2022-11-29 09:19:26謝秀媛
資源導刊(信息化測繪) 2022年9期
關鍵詞:權籍測區(qū)測繪

謝秀媛

(廣東泊銳數創(chuàng)空間有限公司,廣東 惠州 516006)

1 引言

傳統的房地測量方式作業(yè)周期長、外業(yè)強度大[1]、人員投入密集,工作進展易受外界因素影響,且傳統作業(yè)模式生產的數據成果為二維形式,難以對三維空間不動產信息進行精細化、準確化、直觀化管理。將機載LiDAR 測量系統應用到“房地一體”農村不動產權籍調查項目中,既可以直接基于三維模型采集內業(yè)數據,又可使用直觀的三維底圖開展外業(yè)權屬調查,能夠為“房地一體”農村不動產權籍調查項目提供高效、便捷的作業(yè)模式。

2 機載LiDAR 測量系統

2.1 機載LiDAR 測量系統原理

機載LiDAR 測量系統由空中測量平臺、激光掃描儀、全景相機(CCD)、衛(wèi)星/慣性導航系統(GNSS/INS)、同步存儲控制系統等組成(如圖1 所示),空中測量平臺以中低空飛行器為主,常用的有固定翼飛機、無人機和直升機等。機載激光掃描儀與地面三維激光掃描儀相似,其通過高速激光掃描測量的方法,按照激光測距的原理,獲取被測物體表面大量密集點云數據和反射率等屬性數據和信息[2]。

圖1 機載LiDAR測量系統作業(yè)示意圖

機載LiDAR 測量系統的原理為:系統通過同步控制各個組件獲取定位信息,同時進行數據采集,其中,GNSS 系統可以快速獲取瞬時位置信息,INS 系統可以獲取瞬時的姿態(tài)及速度信息,利用GNSS 地面基站、移動GNSS、INS 系統、精密數據處理軟件,聯合進行POS 解算,可生成高精度的位置及速度信息[3]。機載LiDAR 測量系統通過對地面目標主動發(fā)射高頻率的激光脈沖,直接獲取目標物體表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息,高精度POS 軌跡結合激光數據可生成帶有絕對坐標的激光點云成果[4];同時,CCD 系統獲得的影像數據經過POS 處理后,影像帶有絕對坐標,將其RGB 屬性信息賦值到區(qū)域內的激光點云中,即可得到真實色彩的點云數據成果,基于這些數據信息即可快速重建出被測區(qū)域內的三維模型及各種圖件數據。

2.2 機載LiDAR 測量系統應用優(yōu)勢

機載LiDAR 測量系統作為一種新興的測繪技術,具有較大的應用優(yōu)勢。

(1)主動式探測,制約因素少

通過主動發(fā)射激光脈沖,獲取探測目標反射回來的信號,并處理得到地面目標的空間信息,具有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢。

(2)獲取空間信息速度快、效率高,作業(yè)安全

通過飛行器的飛行和激光脈沖的掃描完成探測工作,在短時間內獲取大區(qū)域、大范圍的地表空間信息,工作效率較高。利用無人機等飛行器進行探測,可以對危險區(qū)域進行作業(yè),作業(yè)安全得到保障。

(3)對植被具有一定的穿透作用

機載LiDAR 測量系統發(fā)射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力[5],可以在一定程度上減少植被遮擋等造成的信息損失,獲取真實的地形數據。

(4)精度高

機載LiDAR 測量系統能夠快速獲取大范圍地面物體的空間坐標,且獲取的坐標具有較高的精度,在1km 的飛行高度下,獲取的點云數據平面精度可以達到0.1 ~0.5m,高程精度能夠達到分米級精度。

(5)提供的信息豐富

機載LiDAR 測量系統不僅能夠解算地面物體的三維空間坐標,同時可以記錄地面目標的強度信息[6],部分LiDAR 系統還能夠記錄回波次數信息,豐富的信息為LiDAR 數據的使用提供了更多的可能性。

3 工程實例

3.1 工程概況

某“房地一體”農村不動產權籍調查項目需進行不動產權籍調查測繪工作。測區(qū)位于惠州市郊某鎮(zhèn),以丘陵地貌為主,地勢復雜、植被茂密、交通不便,高程在75 ~105m 之間,面積約14.4km2??紤]到應用常規(guī)測量方法難度較大,因此使用無人機載LiDAR 測量系統進行作業(yè)。

3.2 數據獲取

采用華測P580 無人機平臺搭載AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統,獲取目標區(qū)域內激光點云及影像數據。AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統集成了激光掃描系統、定位定姿系統(包括全球定位系統GNSS 和慣性導航儀IMU)、控制單元。系統輕量化設計,重量3.2kg,數據采集速度達10 萬點/秒,其設計最大測距250m、測量精度15mm、重復精度為10mm。

參照測區(qū)地形地貌及建筑物、植被覆蓋等情況,結合機載LiDAR 測量系統的特點,在保證安全飛行的前提下,制定本次任務的飛行路線規(guī)劃圖(如圖2 所示)和飛行參數。設計相對起飛點航高為120m、飛行速度為7.5m/s、航向間距60m,共設計30 條水平航帶和2條垂直航帶。結合空域及天氣因素,共飛行兩個架次,完成了測區(qū)的全部數據采集任務,總飛行用時為4 小時58 分。數據采集完成后,點云數據量為35.66GB,獲取影像共5998 張,對數據進行完整性檢查,確保采集數據完全覆蓋測區(qū)、無大面積遺漏。

圖2 飛行路線規(guī)劃圖

3.3 數據處理

數據處理主要有POS 數據解算、點云數據融合、數據采集、調繪與地籍圖編繪四個步驟。

(1)POS 數據解算

運用GPS 差分及慣性定位后處理軟件進行PPK 后差分解算POS 數據,POS 解算采用基站數據和移動站GPS 數據和IMU 數據進行組合解算,并輸出點云融合階段需要使用的高精度定位定姿數據。POS 解算操作主要包括基站數據預處理和軌跡解算兩部分,將基站原始數據轉換為相應格式,然后將移動站的數據與處理之后的基站數據進行組合解算,得到高精度定位定姿數據和航線軌跡,同時導出高精度相機照片的外方位元素。

(2)點云數據融合

將解算后的POS 定位定姿數據與掃描儀原始數據經時間同步后,生成帶有絕對坐標的點云數據,融合后的點云數據是后續(xù)數據采集測圖的基礎。圖3 為通過解算并且上色融合后得到的點云數據成果,經處理后得到的點云密度約為750 pt/m2。

圖3 點云數據成果

(3)數據采集

數據采集基于三維立體環(huán)境下進行測圖,同步加載點云數據、正射影像數據,按照先整體后局部的原則,通過二三維窗口聯動進行地物采集。由于機載點云數據密度有限,考慮點云數據不能夠準確覆蓋所有建筑物角點位置成果,對于建筑物使用打點交會法進行采集,在建筑物底部墻面上以三點確定一條直線,兩點連線另外一點作為檢核,與臨面線相交確定建筑物腳點位置[7]。此方法能精確地按照點云成果進行制圖,避免產生較大誤差。對于地形和一些線狀地物采集,使用DOM 輔助點云數據進行。對于高程數據,在三維模型上通過賦點的方式可獲取相應位置的高程坐標值。

(4)調繪與地籍圖編繪

點云數據采集完成后獲得地籍圖初步成果,進行外業(yè)綜合補測與調繪,調繪前對通過點云采集得到的矢量數據進行檢查,使用直觀的三維模型底圖進行外業(yè)權屬調查。調繪完成后再進行內業(yè)數據編輯,添加屬性數據即完成地籍圖的編繪整飾工作。圖4 為經過外業(yè)調繪與內業(yè)數據編輯的部分測區(qū)1∶1000地籍圖。

圖4 部分測區(qū)地籍圖

3.4 精度統計

以中誤差作為精度指標對機載LiDAR 測量系統采集的點云數據質量進行分析評價,在測區(qū)范圍內均勻選取一些特征點,如房屋角點、圍墻拐點、地面標示線或井蓋中心,使用GNSS-RTK 和全站儀采集特征點的平面坐標和高程,將實測的坐標數據與從點云數據中量測的坐標進行比對。本項目共選取100 個特征點進行檢測,統計結果如表1 所示。

通過表1 的數據統計得出,利用機載LiDAR 測量系統采集的點云數據的平面中誤差為±3.63 cm,高程中誤差為±4.49 cm,能夠滿足《地籍測量規(guī)范》(CH 5002-94)中的二級界址點的精度要求。

表1 點云數據精度統計

3.5 效率統計

利用機載LiDAR 測量系統完成本次不動產權籍調查測繪工作后,將其與傳統測繪方法進行了效率比較,結果如表2 所示。

表2 生產效率統計

從表2 可以看出,機載LiDAR 測量系統的生產效率比傳統測繪方法提高了10 倍以上,應用效果顯著。

4 結束語

基于機載LiDAR 測量系統開展“房地一體”農村不動產權籍調查,有效提高了測繪內外業(yè)的工作效率和成圖質量,且成果精度完全符合相關規(guī)范的要求。隨著LiDAR 設備越來越小型化,其搭載的載體將會更加豐富?;诙嗥脚_的LiDAR 測量系統都已面世[8],隨著新型基礎測繪的開展,LiDAR 測量系統將在全要素測繪生產中大展身手,具有廣闊的應用前景。

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