地基三维激光雷达在新疆霍城县地籍调查的应用

张岩博　魏建新

摘 要：农村土地利用的合理化规范化是我国近几年努力的方向，由此农村宅基地所有权规范化愈来愈迫切。Rigel VZ1000是一款地基三维激光扫描仪，可获取高精度的房屋点云数据，结合CAD制图、数据建模有效完成了农村地籍调查的内容。基于地基的三维激光扫描技术能高效、省时省力、高精度的获取生动的三维点云数据，为地籍调查工作人员减少一定的工作量。

关键词：地基三维激光扫描 点云数据 地籍调 宅基地

中图分类号：P272 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0066-03

随着国家二调的结束，耕地面积，土地利用情况、城镇土地权属等问题大都已明确，而偏远农村的房屋权属、院落面积、房屋产权等并没有完成调查。对农村进行地籍调查是当前我国国土部门的重要任务之一。GPS RTK对地籍测量的精度有所提高，GPS RTK的操作比较简便易行并且能获得实时的、精度较高的定位结果，误差比较小。该测量方法中，GPS通过接收卫星信号定位空间地理坐标，RTK在很短的时间内获取某个点的三维坐标[1]。这两种设备协同工作，测量范围大，受天气、地势等条件的影响小，比起传统方式节省了人力、物力、时间。但是树林等高大茂密的物体对其有遮挡，无法测量。

1 激光雷达系统介绍

激光雷达技术（LIDAR）是近几十年来摄影测量和遥感领域最具革命性的成就之一，它也是GPS全球定位系统之后的全新革命性测量工具。

1.1 地面激光雷达

地面激光雷达是一种综合的集成了多种高科技的先進技术，采用非接触高速激光测量的方法，利用激光束扫描大面积、高速度、高精度、大密度的目标地物[2]。通过一种新型的测量装备，以点云的形式获取被测目标物的三维坐标及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。地面激光雷达小巧、方便、准确、高效、安全、稳定、可操作性， 能快速的建立详尽准确的三维立体影像， 可以提供准确的定量分析， 可广泛应用于各相关领域， 如逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等领域。

1.2 激光雷达技术的特点

激光雷达（LiDAR）是过去10年中来快速发展并得到广泛使用的测量方法。操作时间短，测量精度高，天气影响小，操作安全，不受地形或地域的限制，可同时测量地面和非地面层。由于光的恒定速度，时间与散射器的距离有关，因此沿着电子束轨迹检测空间信息。通过接收来自空气中的粒子和分子的信号强度和频率偏移来检测气溶胶的三维分布和径向速度。它具有极高的角分辨能力、距离分辨能力和强抗干扰能力[3]。因此，随着技术的不断发展和普及，LiDAR将在军事和民用领域得到更加广阔的发展。

1.3 地面三维激光雷达应用现状

地面三维激光雷达技术作为一种新型的高端技术，可以实时获取高精度，高密度的空间三维坐标数据，具有更高的数据精度和数据分辨率，且其适应性也更强，不受云雾和光照的影响，从而构建出真实的目标物体的三维模型。从起步发展再到近年来的快速发展，激光雷达技术已经能够在一定程度上解决我们所面临的一些困境。近年来，激光雷达技术已成功应用于测量、林业调查、数字建设、工程设计等各个领域，现在更是渗透到我们生活的方方面面，比如：农业、矿业、交通、城市规划和城市三维建模、灾害监测和遗产记录等领域。

2 地面激光雷达在地籍测量中的应用

2.1 地面激光雷达的数据采集与处理

2.1.1 前期准备

（1）测区资料搜集。调查区域数据主要包括航空照片或卫星图像以及所在调查区域的地貌地形图。（2）扫描线路初期设计。勘察区扫描线初步设计，线路设计主要基于调查区域的完整覆盖，调查场地的分布是统一的。（3）测区实地踏勘。在工作开始之前，根据调查区的道路状况进行现场勘察，实地调查是一个至关重要的环节。

2.1.2 规划作业方案

根据项目要求，规划扫描操作，根据现场调查情况调整和修改初始设定的扫描线路。在遵守规划标准规则的前提下，实现各个网站基点的合理分配，并且根据功能分布来确定扫描的模式。基于预定站的数量以及扫描模式估计所要完成的工作量。完成以上工作后，我们根据计划进行数据收集操作。

2.1.3 激光雷达扫描仪

三维激光扫描仪工作原理为，测量时扫描仪发射出激光束脉冲信号，经过被测目标自身的漫反射后，沿着近似相同的反射路径反射回接收器，接收器通过反射的时间、角度等信息计算出发射器与目标物的距离、坐标等信息[4]。

2.1.4 研究区概况

中国新疆伊犁哈萨克自治州的霍城县，地理坐标为东经80°11′～81°24′，北纬43°39′～44°50′。县境北依天山与博尔塔拉蒙古自治州温泉县为邻，南与察布查尔县隔河相望，东与伊宁市接壤，西以霍尔果斯与哈萨克斯坦国为界，边界线长183km，具有沿边、沿路、沿河、沿山的独特地理优势，是中国唯一的既辖地级行政区、又辖县级行政区的自治州。南北长120km、东西宽85km，总面积5720km2（如图1）。霍城县城西北的三宫乡，距县城15km。三宫乡面积126.9km2，包含有有下三宫村、沙湾村、上三宫村、东湾村4个村。三宫乡道路规划较为方正，房屋以砖房、棚房为主，有独立的院落。

2.2 外业获取数据

2.2.1 布设测点

根据三宫乡村房屋坐落方向/面积、林带遮挡和道路走向等的实际情况分派两个人布设测量点，在需要布设测点的地方做上记号以便实验时及时找到测量点，提高工作效率。布设测点时点位的选择要均匀分布、合理，尽量避开树木遮挡的地方，以防扫描不全面，降低测量精度。需打点测量的地物有，房屋、围墙、棚房、院内大于5m×5m面积的果园、菜地、花坛、道路林带、院门、台阶、檐廊、错位墙体，错位间距大于30cm，需打拐角点、厕所。

2.2.2 RTK获取标靶数据

为获取房屋的地理坐标，在每个独立的房屋选择三个控制点，用RTK测这三个点的坐标信息。传统人为测量坐标的方法以之前的点为参考，一个点的坐标出错，其后就会累加，错上加错；RTK获取的是三维坐标，测量的点与点之间是相互独立的，不以其他点位参考，它是自动化的仪器测量，有效的避免人为干涉，增加测量精度，使测量结果更加可靠。

2.2.3 激光雷达采集点云数据

将三维激光扫描仪VZ1000架设在吊车头上，通过升降吊车调节扫描范围；每一个站点扫描两组数据，一组为高站数据，一组为低站数据，这种扫描方式是为了使扫描更全面。高站點扫描的范围大但是精度不高，并且覆盖吊车下方面积大；低站点扫描的范围程度小，但是精度高，并且可以扫描到高站点下方覆盖的面积，以此来减少数据缺失。扫描时保证扫描的全面性的同时，也要尽量减少扫描的点数，因为点云数据非常大，扫描点过多容易造成数据的冗余，增加工作量。

2.3 内业处理数据

2.3.1 粗拼精拼

内业组需对外业组取得的点云数据用Rigel系列产品配套的RISCAN PRO软件进行拼接，首先，粗拼：为了提高拼接精度，本研究采用手动拼接的方法对点云数据先进行粗拼处理。首先将高站两两拼接，在两幅图中至少各选择相对应的4个点，粗拼的精度要求在0.1以下。先拼接高站点，然后再拼接低站点。全部粗拼结束后将所有站点的点云数据在同一幅图中打开，通过改变不同站点的颜色观察各站点的重合度，没有分层情况才可以精拼。其次，精拼：精拼需要使用软件狗，插上软件狗后启动RISCAN PRO，需将一个站点设为基站锁定，之后通过调节参数，观察拼接结果的正态分布图，正态分布好则拼接结果较好。拼接结果如图2。

2.3.2 数据转换输出

在RISCAN PRO拼接完成的点云数据非常大，需要过滤其它冗余的数据，将点云数据分成几次转换成.dxf格式输出，.dxf是画图所用软件CASS可以识别的数据格式，进而实现数据的矢量化。这时候工作人员要注意不要在转换的过程中遗漏某些区域。

2.3.3 CASS画图

点云数据转换成.dxf格式后，转入到CASS9.1中绘制目标地物。本研究所需绘制的目标的物为房屋、围墙、林带、道路、电杆、菜地、檐廊、支柱墩和大门，将其它不需要的数据以此过滤掉。以《地籍调查规程》为参考，并结合实地调查的地物状况进行绘制[5]。绘制过程中可通过查找点云数据比对不清晰的地方，若是有不能确定的地方可标注，反馈给外业人员。如果有表示不清晰、有缺失的墙体，同时标记住疑惑点，以备后期调查补充坐标。

3 实际应用

3.1 权属调查

内业进行画图的过程中外业组需调查房屋的权属性，详细的记录宗地所属人的详细信息、宗地编号、界址点，并补测内业组反馈的遗漏地方。权属调查人员应提前提前做好相关工作，调查过程中结合实际情况详细的记录界址点，确认所调查宗地的所属权、使用情况，边长和面积，记录的笔记要清晰，要求宗地所属人签字。调查员根据实际情况以1：500比例尺手绘出每一块宗地的房屋属性，并标记出周边宗地的所有人，以供内业人员参考。同时，要做好记录调查文档的存档工作。

3.2 权属线绘制

绘制权属线前，先用CASS对矢量化的图进行自动检查，排除房屋互相切割的错误。连接权属时，权属线不能越过已经有的界址点圆圈，同一条权属线需要完全重合。画权属线时，修改参数，将权属线的宽度设为“0”，以便画的时候，能自动检查权属线是否和地物完全重合。等出图的时候，再修改权属线参数为“0.3”。如有分宗情况，先用辅助线将界址点位置定好，再连接权属，连接好后，把辅助线删除。如果分宗的权属线从房屋中间穿过，权属连接好后，将房屋重新画，从权属线处将房屋分成两间房，不能切割房屋。权属连接完成，在输入宗地号时，注意街道号、街坊号、宗地编号录入正确。一个村全部连接权属完成后，修改界址点最大点号，先设为零，再用线把整个村的宗地圈起来，重排界址点号，选择3，输入起始界址点号1，整个村界址点重新排号。权属线绘制如图3。

3.3 建立数据库

CASS画图、权属性录入完后开始着手本次研究的最终目的数据库的建立。需利用ARCGIS软件，并结合国土资源部的需求与当地的实际情况，完成完整的农村地籍信息数据库的建立，为宅基地所有权提供依据，实现农村土地登记、规划、实时更新的数字化管理。建立数据库可将数据统一管理，方便日后的使用与更新，为农村的地籍管理提供三维数据。数据库建立完成后，要整体检查一遍，与实地调查的结果校对，确保数据库信息的准确。

4 结语

处于新疆偏远地区的农村，大多还没有管理规划村庄，村民所有土地还没有实现规范化，有一些农村甚至没有修道路和独立院落。实现这些农村土地权属合法规范迫在眉睫，明确农村土地面积和权属既可以保障村民的合法权益，也能促进土地的合理利用，为城乡一体化奠定基础。我们国家大力倡导农村土地所有权的合法化，需要查清每一块土地的用途与所属人信息，用来解决农村土地使用过程中出现的纠纷和问题，加强土地管理，防止乱占耕地、草地现象。地籍调查工作比较枯燥，质量要求高，并需要当地人员的配合，相关工作人员要保持工作的热情，协调与当地人的友好关系，认真负责，彼此协作，一起解决工作中出现的问题，确保数据客观，有依据，为高效的获得准确结果一起努力。

参考文献

[1] 李君，李贵中，李树云.应用无人机数字影像进行农村宅基地确权技术研究[J].测绘通报，2016（4）：83-84，95.

[2] 张婷.土地测绘信息化技术在土地开发管理中的应用[J].科技创新与应用，2014（14）：132.

[3] 邱贞生.三维激光扫描技术在矿山采空区测绘中的应用[J].福建地质，2012（1）：90-94.

[4] 张攀科，裴亮，王留召，等.车载激光扫描系统在地籍测量中的应用[J].测绘科学，2015（9）：163-166.

[5] 娄彤彤，罗传文，韩吉烨，等.基于农村地籍调查的土地利用状况研究——以牡丹江市五林镇为例[J].安徽农业科学，2015（27）：270-271，273.