利用无人机机载激光雷达开展农村不动产权籍调查

阙德海

（龙岩市勘察测绘大队，福建 龙岩 364000）

0.引言

为推动不动产登记制度的建立和实施，全国陆续开展农村不动产权籍调查工作。农村不动产权籍调查中一直面临着诸多问题，如，农村房屋分布广，部分房屋连片，测量难以分辨，工作效率低；房屋附属结构多，测量作业时存在漏测情况，最后的修正核实工作量大；随着更多的年轻人外出就业，农村房屋空置率高，在需要对有些房屋进屋调查测量时，完成难度高；我国农村不动产权籍调查工作量大，需要投入大量的人力、物力，且测量人员培养慢、测量效率较低。

激光雷达测量技术（LiDAR）是一种新兴技术，在测绘作业时表现出快速、高效、精确等优点。于俊红等[1]利用车载激光雷达测量系统对太仓市农村不动产进行权籍调查，并与传统测量结果进行了测量效率、测量精度对比分析。结果表明：车载激光雷达测量系统测量效率为500户/天，传统测量效率仅为15户/天。同时车载激光雷达测量系统测量精度稳定，即使少部分位置精度偏移亦可通过测点校正使其满足测量要求。陈佳旺等[2]将倾斜摄影测量技术应用于农村不动产权籍调查作业中，首先结合实际案例，对倾斜摄影测量技术要点及在实际应用中的必要性进行分析，并计算生成的地籍图精度。结果表明：点位中误差仅为8.7 cm。刘旭[3]利用无人机搭载倾斜摄影机开展农村不动产权籍调查工作，结合实际案例，从经济性、技术层面、工作效率等方面探讨了无人机倾斜摄影测量技术的可行性。齐庆会[4]从技术效率层面对比分析机载三维航摄技术和激光雷达测量技术在不动产权籍调查中的优缺点。结果表明：机载三维航摄技术在输出三维模型时可视化效果好，而激光雷达测量技术测得的点云数据几何精度高，二者各有优点，在不动产权籍调查中有很好的应用前景。冯梅[5]列举了基于LiDAR技术和航空影像技术两种三维模型建立方法，并对其优缺点进行比较，指出实际应用中为了达到高效、精确的目的，往往需要结合多种作业方案。闾海洋等指出采用全站仪单点测量的传统不动产权籍调查方法耗费大量人力、物力，成本较高，虽然可保证测量精度但效率低下。

本文利用激光雷达测量技术开展农村不动产权籍调查，高效精确建立测区地籍图，并对其精度进行分析，有效提高了不动产权籍调查效率。

1.测量技术原理

1.1 机载激光雷达测量技术

机载激光雷达测量技术结合了计算机终端技术、激光测距技术、POS动态载体姿态测量技术以及高精度全球定位系统差分定位技术。通过测距、角度和全球定位系统差分技术GNSS获得目标区域数字模型及地面物体的三维坐标。同时，通过机载CCD图像采集系统获取目标区域的图像信息，采用计算机终端软件对激光点数据进行处理，将采集到的数据与图像信息相对应，从而完成对目标区域的信息采集工作。

其测量原理如图1所示，首先，机载雷达向目标区域发射电磁波信号，获取测量距离、角度等。之后，通过全球定位系统和惯性辅助系统计算分析得出相应地区地面光斑的三维坐标。三维坐标的计算基于极坐标定位原理，对于某一空间向量，已知其模与坐标方向，即可计算出该向量另一端的点坐标。

图1 机载激光雷达测量技术原理

1.2 数据采集技术

三维数据采集技术是通过CDD图像传感器及INS惯性辅助系统对目标区域物体进行空间三维信息数据采集，结合机载激光雷达技术，获取具体的点云数据信息的一种技术方法。

基于点云数据的采集技术，使用三维立体数据采集软件，进一步提高点数据的精确度，生成无损矢量数据，将采集的点云数据进行编辑，形成DEM、DLG等成果。

2.实际案例的应用

本次试验区是上杭县稔田镇化厚村，范围约为2.0 km2。本项目数学基础：

（1）坐标系统：2000国家大地坐标系，中央子午线经度为117°。

（2）高程基准：1985国家高程基准，基本等高距为1.0 m，高程值单位为m。

（3）投影方式：高斯—克吕格投影3°分带。

试验区域地形、地貌复杂，房屋类型、附属结构多，房屋周边山形较多，高程特征点采集困难。试验区域的选取具有代表性，可为后续利用无人机机载激光雷达开展农村不动产权籍调查作业提供参考。

2.1 作业流程

本文试验采用飞马D2000多旋翼无人机，搭载D-Li－DAR500激光雷达系统对上杭县稔田镇化厚村农村不动产权籍调查底图生产，作业的技术流程如图2所示。

图2 作业流程

（1）首先对目标区域进行勘测，收集资料。

（2）处理测区数据资料，设计飞行路线以及确定地面基站架设方位。

（3）利用无人机搭载激光雷达，经提前设定的飞行路线对测区进行激光扫描并采集数据。采集完成后检查飞行路线及飞行数据，查漏补缺，确保数据完整。

（4）利用飞马无人机管家（专业版）对采集点云数据进行处理、检查，利用EPS（2020）点云地理要素矢量对象化协同处理系统软件输出形成工作底图。

2.2 机载激光雷达测量系统

测量系统由以下几部分组成：

（1）GPS地面基站：用于限制无人机飞行路线以及作业范围。

（2）INS惯性辅助系统：用于测量扫描装置的空间姿态参数，确保扫描装置处于目标扫描区域。

（3）激光测距仪：用于确定激光雷达信号到地面参考点的距离。

（4）CDD图像传感器：用于记录测区范围内的地形地貌，必要时可为数据计算、数据成图提供参考。

2.3 外业部分

（1）测区踏勘：了解测区地形地貌以及测量范围，特别是合同约定房屋周边30 m范围内地形、地貌覆盖范围。

（2）基站架设、基站坐标测量及航线设计：根据测区范围合理布置地面基站，确定基站方位、间距及数量，确保进行飞行测量作业时可同步接收GPS信号，同时根据前期测区踏勘资料，确定航线设计覆盖测区全范围。

（3）激光扫描：利用无人机搭载激光雷达，进行飞行采集数据作业，覆盖扫描测区。本次无人机飞行数据设定为：飞行速度10 m/s，飞行高度100 m，激光雷达重叠率50%，相机重叠率航向60%，旁向23%，点云密度58个/m2。

（4）数据下载：飞行作业完成后，检查飞行路线及飞行数据，确保数据完整后将数据下载至飞马无人机管家（专业版）处理。

2.4 内业部分

外业部分作业包含数据采集工作，内业部分则是将外业采集的数据进行分析处理。利用飞马无人机管家（专业版）对原始数据进行解算，通过精度检测，删除边缘精度差的数据，得到高精度数据。最后利用EPS（2020）点云地理要素矢量对象化协同处理系统软件参照GB/T 20257.1-2017以及福建省地方标准DB35/T1491-2015标准将数据输出为工作底图，处理步骤如下：

（1）原始数据：GNSS基准站数据、POS采集数据、激光点云数据。

（2）点云生成：解算POS数据，提取特征点，对原始激光点云数据与POS数据进行融合解算，转换生成CGCS 2000坐标系下的las格式点云。

（3）高程转换：平面已是2000国家大地坐标系，高程转换通过基准站2个不同坐标系下的坐标拟合得到高程异常，然后将所有的点云数据加上高程异常。为保证转换精度，利用龙岩市自然资源局提供的资料及转换参数进行了坐标转换和高程精化检验，检验结果合格。

（4）点云处理：点云融合，点云纠偏，剔除低噪点和航带重叠点，最后进行点云分类。鉴于本项目入户调查需求，提供可视化效果，便于地物识别与应用，对点云成果进行赋色处理。

（5）内业采集：参照上述标准，对点云数据进行采编、绘图，最后得到工作底图。软件编辑如图3所示。

图3 采集页面

2.5 机载雷达激光测量精度分析

影响机载激光雷达测量点精度的因素大致分为两点：仪器误差、目标物体反射面引起的误差。扫描镜头微小震动、扫描仪转动电机的非均匀转动、物体表面粗糙度都会对测量点精度造成影响。

本次共设置了148个外业实际测量作业点，将实测地面点坐标与激光点云图中的坐标进行对比，如表1所示。数据表明：该无人机机载激光雷达系统性能良好，激光点云图上坐标点与实测点坐标误差符合设计要求，激光雷达点云强度质量高，最大误差为8.1 cm，最小误差仅为1 cm，粗差率为4.5%，中误差为4.7 cm。

表1 测量精度对比

表1 点位精度检查记录表

同时在外业采集中，对54条边长进行统计记录，并与激光点云图中对应边长进行误差分析。结果表明，激光点云图中边长中误差为4.4 cm，粗差率为4.2%，粗差率满足有关质量规范要求，如表2所示。

表2 地籍图边长精度检查记录表

结果表明：利用无人机机载激光雷达开展农村不动产权籍测量方式相较于传统全人工外业采集方法，既能提高数据采集效率，同时可保证数据精度。

3.结束语

利用无人机机载激光雷达开展农村不动产权籍调查相较于传统人工外业调查，具有采集效率高、采集几何精度准确、机动性高等特点，激光点云赋色后可作为不动产权籍调查外业的参考资料。人工外业采集虽然在测量数据精度方面比较有优势，但是其工作效率较低，外业采集效率仅为机载激光雷达测量效率的1/30。当机载激光雷达测量数据出现偏差，也可及时通过补测或者人工外业采集辅助来提高点云数据整体精度，相较于全人工外业采集依然具有较大优势。此外，无人机机载激光雷达测量一般不受天气、环境影响，即使在夜晚也可开展数据采集工作，有较强的穿透力，房屋遮挡部分也可被雷达覆盖捕捉，短时间内即可获取海量信息。

本文将无人机机载激光雷达测量技术引入农村不动产权籍调查项目，阐述了该方法的技术流程，并对其采集的点云数据精度与外业实测采集点数据进行精度验证。研究表明，无人机机载激光雷达测量技术在保证点云数据质量的同时，具有快捷、灵活、工期短的特点，在未来的农村不动产权籍调查作业中具有广泛的应用前景。