无人机三维激光雷达技术在房地一体测量中的应用研究

齐永波

摘要：本文以某地区“房地一体”项目测量为例，介绍了无人机三维激光雷达技术在“房地一体”测量中的应用，其结果与RTK测量结果相比较，平面位置中误差为±0.21m，中误差最大值为0.27m，高程位置中误差平均值为±0.101m，中误差最大值为±0.158m，误差符合测量相关规范及“房地一体”测量工作的精度需求，并表现出测绘时间短、采集速度快、经济效益好等优点，应用前景良好。

关键词：三维测量；房地一体测量；点云数据

The Application of 3D Lidar Technology in the Measurement of Premises

Qi-Yongbo

Guangdong Nuclear Industry Geology Bureau 292，Heyuan 517000

Abstract： This paper introduces the application of 3D measurement technology in the integrated measurement of premises with the example of 3D measurement in a certain area，and the results are compared with the RTK measurement results，with an error of±0.21m in plane position，a maximum error of 0.27m in medium error and an elevation position. The error average is±0.101m，the maximum error is±0.158m，the error is in line with the 1/ 2000 three-dimensional measurement specifications and the precision requirements of the integrated measurement work of the premises，and shows the advantages of short mapping time，fast collection speed，good economic benefits，etc.

Keywords： 3D measurement；Integrated measurement of premises；Point cloud data

根据《国土资源部关于进一步加快宅基地和集体建设用地确权登记发证有关问题的通知》工作部署和要求，开展“房地一体”项目工作意义重大。因此，加强“房地一体”测量工作至关重要，尤其是农村房地调查工作。由于农村房地权籍调查工作薄弱、权属资料不全以及农村外业调查任务繁重等，这就要求调查技术尽可能地以现代化技术为主，尤其是无人机三维激光雷达技术的综合应用。无人机三维激光雷达系统可根据机载三维激光扫描测距仪、动态差分全球定位接收机以及惯性导航装置等，可以实现自动获取较高精度三维点云数据，进而实现“房地一体”测量任务。

1.工作原理

2.数据采集与处理

2.1测绘区基本概况

测区地势自西北向东南倾斜，山地及丘陵占总面积的73%，平均海拔550m。调查区面积约240km2，涉及18个村民组，区域房地较分散，属于典型的山地丘陵区住房特征。基于调查区基本现状及项目技术要求，选择“图解法+简易法”开展该区域的“房地一体”测量工作，采用无人机型号为ARS-100无人机搭载了三维激光雷达扫描系统，设置飞行航线间距为200m航高为200m，扫描角度为30°，飞行速度40km/h，旁向重叠度为60%，航向重叠度为70%。为了验证无人机三维激光雷达技术在“房地一体”测量中的精度，采用RTK技术对调查区内的乡镇广场、大坝以及道路交叉口等特征点进行测量调查，用以对比无人机三维激光雷达测量的精度，其工作流程见图1。

2.2外业数据采集

外业数据采集是“房地一体”测量的基础，在外业数据采集开始之前，应尽可能地收集测绘区域内1∶10000区域地形图，并收集调查区已有的房地资料信息，以googleearth平台为基础建设地形三维模型，根据地形变化特征划分飞行子区以及确定飞行航线等参数，确定调查过程中采集点密度等參数。此外，在实地测量之前，对测量区域进行外业实地踏勘，充分了解调查区的地形地貌特征以及植被覆盖情况，并在乡镇广场上假设GPS基准站，用以对机载动态差分全球定位接收机测定的三维坐标进行误差校正。为了提高“房地一体”测量的精度，在数据采集过程中可对房地聚集区和耕地空旷区采用平行飞行和垂直交叉飞行模式，能够有效地提高测量精度。无人机扫描过程中，操作人员要及时调整航速、行高以及飞行姿态等参数，确保所采集的数据是可靠的。每天完成数据采集任务后，应及时查看当天数据质量，若质量不符合基本要求，则需重新采集。

2.3数据处理

数据处理是影响三维测量精度的关键环节之一，主要包括数据的预处理、点云数据滤波处理、异常点滤波处理和地物点分类提取等几个部分[3]。其中，点云数据的预处理是将机载中的原二进制点云数据转换成标准格式，并对标准格式点云数据的三维坐标与地面基准点的三维坐标进行校正处理，进而将处理好的数据进行拼接和纠正重叠带高程；点云数据滤波处理是提高特征提取、地形重建以及DEM等产品精度的基础，通常采用基于分割的方法、基于表面的方法、数学形态滤波法以及逐渐加密的滤波算法进行，本文在滤波处理中采用渐进窗口尺寸的数学形态学滤波算法，能够较好的保留建筑、农田与地形细节特征，进而提高“房地一体”测量精度；异常点滤波是以1∶10000地形图为基础数据，建立不同区块的高程阈值以及高程差阈值，进而对新获得的点云高程数据进行异常点筛查处理；地物分类提取主要针对地面点和非地面点，多采用渐进三角网滤波算法进行处理，将点云数据中的农作物、乔木等植物与地物点进行分离。点云数据处理完成后将三维坐标信息数据导入至CASS地形地籍成图软件中，编辑后输出成果图件。

3.测量精度对比分析

3.1点云数据质量分析

其中：Z为中误差，n为检查点个数，Zi为地面实测点坐标，Zj为与地面实测点对应的激光点云数据坐标。

本次选择部分点云数据的特征值与外业RTK实测的三维坐标进行精度对比，其测量结果见表1。计算结果显示，平面位置中误差为±0.21m，中误差最大值为0.27m，高程位置中误差平均值为±0.101m，中误差最大值为±0.158m，误差符合1/2000测量相关规范及“房地一体”测量工作的精度需求。

4.结语

综上所述，无人机载三维激光雷达测绘技术较传统的全站仪、RTK等测绘方式具有测绘时间短、采集速度快、数据精度高、三维信息丰富、经济效益好等优点。在当前农房外业调查工作任务繁重、工期紧张的背景下，加强无人机载三维激光雷达系统在山地丘陵、农房分散地区的“房地一体”测量工作中的应用是必要的。

参考文献：

[1]田奇丁，陆玉明，宗婷婷，张蓓，孙涛.基于激光雷达技术在城市三维建筑模型中的分析应用[J].北京测绘， 2016（02）： 91-93.

[2]邓世赞，丁青，甘明超，黄平. 1∶2000基础地理数据在农村房地一体调查中的应用研究[J].测绘与空间地理信息， 2020， 43（08）： 42-45.

[3]石硕崇，李杰，唐秋华，刘森波，周兴华.低空旋翼无人机载LiDAR系统在海岛测绘中的应用[J].海洋湖沼通报， 2019（02）： 162-170.