车载LiDAR移动测量系统在不动产权籍调查测绘中的应用

田甜 李胜天

（江西省地质局地理信息工程大队，江西 南昌 330001）

1 引言

为维护和保障广大人民群众的合法财产权益、助力乡村振兴，各级政府全面启动农村宅基地、集体建设用地使用权及地上房屋所有权确权登记发证工作。权籍调查测绘作为不动产确权登记中的一项基础性工作，可查清农村宅基地、房屋、集体土地等不动产的界址、权属、面积、用途、等级等基本情况，从而形成具有法律效应的数据、图件、表册等调查资料[1]。传统的不动产权籍调查测绘方式主要有以下问题 ：（1）使用GPS-RTK 和全站仪的全野外实测方法，存在劳动强度大、作业周期长、受天气和环境影响大等问题 ；（2）利用载人大飞机和无人机进行航测的方式受制于空域申请困难，目前使用成本较高；（3）基于遥感测绘的手段因受卫星重访周期影响，影像现势性不高，而且农村居民点分散，冗余信息较多，现阶段精度还难以达到要求。针对不动产权籍调查测绘现势性要求高、快速成图的特殊需求，传统的测绘作业方式已难以满足要求，亟待更新。近年来，测绘行业逐渐向着信息化、智能化方向发展，以无人机、三维激光扫描等为代表的先进技术不断发展成熟，特别是高效快捷的车载LiDAR 移动测量系统已成为当前热门的研究课题。

2 车载LiDAR 移动测量系统工作原理

LiDAR 是一种以激光器为辐射源的雷达系统，简称激光雷达，是激光技术与现代雷达技术相结合形成的一种先进探测方式[2]，近年来已日趋发展成熟。车载LiDAR 移动测量系统是由LiDAR 技术衍生而来的高新测绘技术，以汽车平台为载体，将三维激光扫描仪、GNSS、POS（定姿定位系统，包括GPS 和IMU）、CCD相机等传感器高度集成，通过车辆移动扫描记录行进路线两侧物体的姿态、位置和反射强度等，扫描得到的数据称为点云，后期用专业软件对点云数据进行处理，从而得到物体的空间信息（作业示意图如图1所示）。

图1 车载LiDAR移动测量系统工作原理

车载LiDAR 移动测量系统的工作原理为：三维激光扫描仪向周围物体发射激光脉冲信号，同时接收物体反射回的信号，其测距原理是通过记录激光脉冲发射的时间与获得脉冲反射的时间差，来计算出从激光扫描仪到达物体的距离，计算公式为：

公式（1）中，d表示激光发射点和目标点之间的距离，C表示光在空气中的传播速度，Δt表示激光脉冲发射的时间与获得脉冲反射的时间差。GNSS 主要获取当前车载LiDAR 移动测量系统位置的精确坐标，通过基准站和安装在系统上的接收机同时接收导航卫星发射的信号，再计算出车载LiDAR 移动测量系统扫描中心的定位结果。IMU 通常是在GPS 信号失锁情况下用于确定车载LiDAR 移动测量系统运行的瞬时姿态[3]，在GPS 信号较差时，通过提供系统横滚、偏航和俯仰这三个姿态信息来补充GPS 信息。CCD 相机用于获取道路两侧的数字影像，后续可利用点云和影像的配准算法，给黑白点云附加彩色信息，以及为三维建模提供纹理信息。

3 实例应用

3.1 项目背景

南昌市某确权登记发证项目需开展不动产权籍调查测绘工作，测区地貌以低山丘陵为主，居民地分布密集分散，街道狭窄，房屋建筑形状极不规则，测量难度较大。如果采用常规测量手段需投入大量人力物力，且劳动强度大，作业效率低。针对以上情况，项目组决定将车载LiDAR 移动测量系统应用于该工程。

3.2 方案设计

（1）路线规划。合理的扫描路线规划是全面获取不动产权籍调查测绘点云数据的基础，采集前需勘察预定测区范围的实际路线，将实际勘察的GNSS 轨迹导入电子地图，并结合测区遥感影像规划路线。扫描路线以直行、左拐为主，减少在GNSS 失锁区域滞留时间，避免GNSS 失锁造成的组合导航精度下降。为保证数据的完整性，需往返两次采集数据，增加物体点云密度。

（2）作业流程。车载LiDAR 移动测量系统应用于不动产权籍调查测绘中主要有点云数据采集和点云数据处理两大流程，其中点云数据采集包括设备调试、架设GNSS 基站、点云采集；点云数据处理包括点云数据预处理、地籍信息提取与矢量化、地籍成图以及精度检查，具体作业流程如图2 所示。

图2 作业流程

3.3 点云数据采集

（1）设备调试。本次扫描采用华测导航MS-900 车载激光扫描测量系统，该设备重约3.5kg，数据采集速度高达55 万点/秒，最大测距达920m，测量精度达10mm@100m，重复精度5mm，通过搭载摩托车平台，一次跑车能全方位无死角扫描道路两侧的地物目标。作业前应根据现场情况调整激光、相机等传感器的各项参数，确保系统各硬件接口和指示器正常工作。

（2）架设GNSS 基站。单个基站覆盖半径不大于5km，基站应架设在平面和高程精度均优于1cm 的已知点上，相邻基站应保证有一定重叠度。

（3）点云采集。数据采集时，行车速度不超过20km/h，以确保点云数据的采集密度，尽可能减少因错车造成的点云空洞，移动测量车在通过隧道、峡谷地带后均在GNSS 信号良好且安全处静止1 分钟以上。

3.4 点云数据处理

（1）点云数据预处理。车载LiDAR 移动测量系统采集的原始数据包含：组合导航数据、照片流数据、原始点云流数据和同步控制板数据，在数据解析后，可获得地方坐标系下的高精度真彩点云数据、系统行驶轨迹、全景影像数据。利用RISCAN Pro 软件实现点云数据及全景数据的快速解析，该软件还附带坐标转换参数计算功能，在获得测区精确转换参数后，可快速实现点云数据任意坐标系转换。测区预处理后的局部点云数据如图3 所示。

图3 测区局部点云数据

（2）地籍信息提取与矢量化。利用SWDY 三维点云应用软件将预处理后的点云数据中的地物进行快速分类，并自动提取出房屋、围墙、栅栏等地物信息，道路、植被等地形信息，最后根据提取的信息进行地物、地形连图处理，保证线形的连续性，提取后自动连图矢量化成果如图4 所示。

图4 提取后自动连图矢量化成果

3.5 地籍图绘制

基于上述对地籍要素特征的自动提取和自动连图成果，利用SWDY 软件进行房屋、道路、宗地等要素的矢量编辑，对于未提取出的特征点，在点云工作站中可选择不同的视图模式来提取。其中一种为通过点云三维显示来提取特征点和边界信息，也可以利用俯视投影视角，根据地物的轮廓信息判断特征点和边界的位置，提取特征点的坐标。从俯视视角下可以看到线状地物在点云投影中表现清晰，易于识别。内业处理方法无法采集到的特征点数据，需要人工实地补测。

3.6 精度检查

为了检查本次不动产权籍测绘成果的精度，项目均匀选取地籍成果图中的100 个界址点当作检查点，利用GPS-RTK 与全站仪实地测量，将检查点的点云坐标与实测坐标进行比对，统计结果如表1 所示。

表1 检查点坐标统计/m

根据表1 数据和中误差计算公式：

公式（2）中n为检查点个数，计算得出100 个检查界址点的平面中误差为±3.3cm，高程中误差为4.1cm，参照《地籍测绘规范》（CH 5002-94 ）之规定：一类界址点相对于邻近图根点的点位中误差不大于5cm，允许误差不大于l0cm，本项目的检查界址点精度符合规范中一类界址点的精度要求。

3.7 应用总结

任务完成后，项目组将车载LiDAR 移动测量系统与传统不动产权籍调查测绘方法的生产效率进行了比较：在外业效率方面，传统测绘需要投入十几名甚至几十名外业作业人员，人员能力和责任心的差异常常导致测绘成果质量有较大差距，而车载LiDAR 移动测量系统只需较短时间就能完成外业数据采集，测量误差不会产生累积。在内业效率方面，传统方法需要对数据进行展点，再与草图进行对比，最后绘制出成果图，而车载LiDAR 移动测量系统可在导出数据后直接在点云上进行描绘，再经过简单处理就可直接出成果图，经比较，内业出图效率比传统作图高出3 倍以上。总体来看，车载LiDAR 移动测量系统较传统测绘方法的优势主要体现在以下几个方面：

（1）方便灵活。车载LiDAR 移动测量系统可以快速到达测区并迅速展开作业,面对普通汽车难以作业的小路和人行道等，可将设备安装在摩托车上进入隐蔽地区作业，保证了测量数据的完整性。

（2）工作效率高。在测量过程中，激光扫描仪实时获取包含三维坐标的点云数据、RGB 信息和属性信息，搭载的高分辨率相机获取影像资料，可以完整得到地籍数据，采集过程人为干预少，极大地减少外业工作时间。内业方面可实现属性自动挂接和一键式三维建模，使得内业工作更加简单、方便。

（3）精度高。系统搭载的激光雷达测量仪器可获取厘米级精度的点云数据[4]，满足地籍要素采集需要的精度。在城市GNSS 信号失锁严重区域，RTK 采集手段难以实施，移动测量技术采集效率的优势尤为突出。

4 结束语

不动产权籍调查测绘是一项繁琐的工作，传统测量方法受多种客观因素影响， 外业作业时间难以控制，车载LiDAR 移动测量系统以其方便灵活、高效率、高精度等优势大大提高了地籍成图的速度，节省了人力物力。经验证，利用该系统所获取的成果在精度上完全符合相关规范要求，为不动产权籍调查测绘提供了一种崭新的数据获取方式，相信随着科技的不断发展，该系统必将具有更加广阔的应用前景。