LIDAR 技术在农村房地一体项目中的应用研究

张 健 麻万金

（三和数码测绘地雷信息技术有限公司，甘肃 天水 741000）

农村房地一体项目是一项惠民工程，通过对房屋和宗地进行登记确权，颁发不动产证书，就可以使房屋具有商品性质，可用房屋进行抵押贷款和买卖[1-3]。然而农村房屋不动产测绘，采用传统方式作业不但效率低、生产成本高、风险高，而且很难按时按点完成确权和颁证[4-5]。为了减少作业成本，提高作业效率，降低作业风险，本文在分析和研究了LIDAR 技术后，提出采用LIDAR 技术进行农村房屋不动产的测绘，并采集宗地、房屋等界址点，丈量多条宗地、房屋边长，对本文方法生产的地籍图精度进行检测。结果表明，采用本文的方法，生产的地籍图精度能够满足甘肃省农村房屋一体确权项目精度要求，且作业效率是传统作业方式的2-3 倍，生产成本明显降低，外业工作量明显减少，使得作业风险有效降低，可以作为一种新的作业方式，用于农村房地一体项目中来。

1 LIDAR 技术

LIDAR 是一种全新的测绘方式，和传统的摄影测量来说，其获取的原始数据和后期的算法是不一样的。LIDAR 是一种集全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）和激光三种技术设备于一身的系统[6-8]。其原理依据的是“直线传播”，即激光器发射一束激光信号，沿着直线进行传播，在碰到障碍物后，则会沿原路返回，而返回的激光信号则会被接收系统收集。结合传播速度，激光器所在的位置、姿态和返回的时间，则可以精确计算得到障碍物的空间三维坐标，而发出的激光信号是非常密集的，这样就可以得到高密度的三维点坐标，即通常说的数字表面模型（DSM）[9-11]。对于建构筑物来说，则可以获取建构筑物的棱角坐标，通过人机交互的方式，就可以得到地籍图成果。根据精度要求的高低，在实际作业中，可能需要引入控制点来对LIDAR 成果进行精度校正。目前LIDAR 按照搭载平台的不同，主要可以分为机载LIDAR 和地面LIDAR，在实际作业中，可以根据任务区的特点进行灵活选取。比如，如果采集的对象主要是地表高程，则一般采用机载LIDAR 方式；采集的对象是建构筑物的立面，则一般采集地面LIDAR 技术。地面LIDAR 又分为车载LIDAR、背包式LIDAR 和手持LIDAR，具体选择要结合项目需求进行，该技术用于地籍图制作的流程如图1 所示。

图1 基于LIDAR 技术的地籍图制作流程

2 案例分析

本次任务区位于甘肃省天水市某一农村，房屋分散稀疏，且房屋建设因地制宜，地势坡度大约三十多度，高大树木较多，采用传倾斜摄影测量的作业方案，很难获取分辨率相同的影像，且房屋被树木遮挡严重，后期模型会存在较多变形拉花的地方，不利于后期进行地籍图的采集。为了提高作业效率，结合本任务区的特点，本次作业选用地面LIDAR 的作业方式进行地籍图的生产。

2.1 控制测量

为了确保后续成果的精度可以满足地籍精度要求，本次作业过程中，按照500 米的间距，均匀采集控制点8个，这些控制点的点位均喷涂在建构筑物的立面上，这样可以有效提高后期成果校正的精度。采集坐标时，先利用GPS-RTK 在静态条件下测量两个坐标，然后在已知点上架设全→仪，接着采集喷涂的点位，由于遮挡严重，本次采集8 个控制点共设→8 次，采集的成果精度可以达到毫米级精度。利用GPS-RTK 在任务区精度薄弱区域，选择建构筑物的界址点进行坐标测量，共采集检测点21 个；利用卷尺测量房屋边长和宗地边长，共量测检测边15 条，用于后期地籍图成果的界址点和边长精度检测。采集时，使用南方测绘公司最新的RTK 设备，该设备可以自动将倾斜坐标转换为垂直坐标，避免了杆子倾斜带来的误差，提升了采集效率，且使得采集的坐标值更加可靠。

2.2 点云数据采集

本次作业选用中海达的手持SLAM 设备，该设备体积小，轻巧携带，且每秒发射激光雷达数量多，可以准确采集建构筑物棱角的坐标，且其格式为通用的las 格式，有利于内业对其进行准确采集。结合设备待电时长，本次作业分为两次完成，在采集接边区域时，采集重叠区域较多，里面包含了三个控制点。数据采集完成后，通过人机交互的方式，将采集轨迹展开到lidar-dp 点云处理软件中，通过查看轨迹，本次作业采集无遗漏，成果可用。在采集点云的同时，利用设备上搭载的相机，同步采集了对应的影像数据，这些影像数据主要用于后期纹理信息的映射和成果的套合。

2.3 点云数据处理

点云数据处理主要包括接边数据处理和点云滤波去噪，利用8 个控制点，对两次采集的点云数据进行了校正，利用3 个公共点对接边区域的点云坐标进行校正，在误差均小于2cm 后，对两架次接边区域的坐标求平均值，作为最终的成果坐标。完成接边后，利用西安煤航的lidar-dp 特有的滤波算法，对处理后的点云成果进行滤波处理，过滤掉噪点和一些树木、植被的坐标值，只保留宗地和房屋的三维点坐标，对于因为遮挡严重而无法准确得到的三维点坐标，在后期地籍图采集时，结合外业实地采集进行补充完善。对于滤波效果不好区域，可通过人机交互的方式再次进行不同点类型的分类，然后根据需求剔除无用的垫层。在完成点云数据的校正后，利用控制点同样对采集点云时采集的二维影像进行校正，让影像的精度能够和点云精度相对应。

2.4 可视化处理

滤波后的点云是孤立的三维点坐标，且缺少纹理信息，在后续数据采集时，对作业人员要求太高，因此对其赋上纹理信息，让其与真实现状一样，这样就更有利于对界址点、界址线进行准确判断和采集。利用西安煤航的lidar-dp 软件对已有的三维点坐标进行不规则三角网的构建，待不规则三角网TIN 构建完成后，通过一种合适的算法为待映射模型表面上的所有顶点赋彩色值，工作过程中将二维图像映射至三维模型，从而使模型具有真实感。映射可分为正向映射和反向映射，在这里采用正射映射方式，将影像纹理映射到密集的三维点坐标上，这样就可以通过纹理的变化准确得到建构筑物的边角信息了。映射原理如图2 所示。

图2 映射原理示意图

2.5 矢量化处理

本次地籍图采集，使用清华山维公司的EPS 软件，首先加载处理后的点云数据，然后软件自动将las 格式转为软件可以加载的pcd 格式并进行加载。在矢量化的过程中，首先根据需要采集的对象选择对应的命令，然后进行采集。在采集房屋时，为了提高房屋采集效率，选用“五点房”命令进行采集，该工具采集房屋不但效率高，而且角度都是垂直的，非常适合用于矩形房屋的采集，在采集的同时，对房屋的结构和层数进行完善。由于点云数据缺失等原因导致内业无法准确采集的，利用全→仪或者GPS-RTK 进行外业采集，对于内业无法准确判断的房屋等属性，在外业补充采集时进行完善。

在矢量化完成后，和传统的作业方式进行对比，在矢量化相同数目的宗地房屋，本文的作业效率约是传统方式的2.5 倍，结合外业补充采集，采用LIDAR 方式进行地籍图制作，其效率是GPS-RTK 作业效率的2-3 倍。

3 精度统计分析

将检测点导入到EPS 软件中，利用EPS 自带的精度检测工具，通过人机交互的方式，对地籍图成果精度进行检测，检测结果统计见表1。

表1 界址点精度检测统计表

按照同精度中误差[12]计算方法，对表1 中的数据进行计算，可以得到本次21 个检测点的中误差为3.6cm，最大较差为7.1cm，要求中误差为±5cm，最大误差不超过2 倍中误差，本次成果经检测，其界址点精度可以满足规范要求。

采用人机交互的方式，用CASS 软件打开地籍图成果，统计检测边对应的矢量化边长，然后求取二者之间的较差，检测统计结果见表2。

表2 界址边精度检测统计表

由表2 可知，15 条边长，最大较差为12.3cm，平均较差为6.6cm。本次成果经检测，其界址边精度可以满足规范要求。

4 LIDAR 技术优缺点分析

通过本次实际项目生产，综合多方面的特点，得出LIDAR 技术以下几方面的优缺点。

4.1 LIDAR 技术的优点

4.1.1 精度高。LIDAR 技术获取的三维点坐标精度很高，可以用于大比例尺地形图甚至地籍图成果的测绘，且成果精度均匀，可靠性高。

4.1.2 外业工作量小。相比传统的全野外地籍图测绘，采用LIDAR 技术，外业工作量大幅度减小，外业工作基本上可以在一到两天完成，其余工作全部在内业完成。

4.1.3 大幅度降低生产成本。对于全野外来说，各种费用支出大，对于LIDAR 来说，外业工作量小，支出主要在于采购设备。设备采购属于一次性投入，后期费用支出少。

4.1.4 成果丰富。不光可以正常出房屋平面图、立面图，自动计算面积（全面积、半面积），标注标高、层数等属性，同时形成的三维空间点云和三维模型数据可以作为电子存档，供后期随时查看校验。

4.1.5 效率高。对于城镇或乡村不动产调查，由于遮挡比较严重，GPS 经常失锁导致精度不够，一般用全→仪测量房屋的四个面，然后内业成图，但存在效率低，投入大的问题，并且项目和项目之间存在数据对接容易出错的问题。

4.2 LIDAR 技术的缺点

4.2.1 对作业人员要求高。LIDAR 点云数据处理，对作业人员的业务技能要求高，目前LIDAR 点云处理的相关软件较少。

4.2.2 三维点密度太高。LIDAR 点云密度太大，对作业电脑和软件要求高，需要顺畅加载庞大的点云数据，对其展示算法要求也很高。

4.2.3 三维点不一定位于特征点。虽然点的密度很高，但是三维点云具有随机性，不一定刚好打在棱角上，因此有可能导致棱角精度降低。

4.2.4 设备价格较昂贵。较传统的GPS-RTK、全→仪来说，LIDAR 设备价格较昂贵，且会使用的作业人员少。

结束语

本文提出使用LIDAR 技术进行地籍图制作，通过外业采集检测点和检测边，对本文提出的方案生产的地籍图成果进行精度检测，其界址点中误差为3.6cm，界址边平均较差为6.6cm，且最大较差均未超限，因此本文方案可应用于农村房地一体项目之中，从而减少外业工作量，提升作业效率，可为房地一体项目作业人员提供有效参考。