三維激光掃描技術在地籍測量中的應用研究

晏 南

(山西省地質測繪院，山西運城 044000)

1 引 言

傳統地籍測量多為單點式測量，采用全站儀結合GNSS-RTK的測量模式，在測區范圍內進行逐點測繪，其工作量大、作業效率低。在現代地籍測量中，測繪方法已經得到了較大的提升，各類先進的測量技術與方法已經成功運用到地籍測量中。隨著數字化測圖、攝影測量、無人機等技術的發展，地籍測量成果精度及工作效率得到了顯著提升。

三維激光掃描技術又叫實景復制技術，它可以通過極高速的激光掃描快速獲取大量高精度的空間三維坐標[1]，然后快速利用這些點云數據實現物體模型的建立。三維激光掃描技術具有尋常測量技術難以企及的優勢，如高精度、全自動、非接觸性、高密度、數字化、實時動態等特點。因此，它又被稱為繼全球定位系統技術后測繪領域的又一次技術革命[2]。三維激光高效的地籍測量解決方案，主要是通過三維激光移動測量系統快速完成測區房屋的三維點云數據采集[3]，經過精度驗證后，基于高精度的點云數據進行矢量地籍圖生產的綜合解決方案。

本文為避免傳統地籍測量過程中的諸多弊端，采用TrimbleTX8三維激光掃描儀進行測區地籍測量的外業掃描工作，獲取測區點云數據，建立測區實景三維模型，并進行精度檢校。研究結果表明，采用三維激光掃描技術，進行測區內的地籍測量工作，其數據成果精度完全符合規范要求。

2 三維激光掃描地籍測量

三維激光掃描外業采集數據主要有兩種方式，即任意設站掃描方式和全站儀式的根據已知點建站掃描方式[4]。任意設站掃描方式通常需要布設標靶，以方便后期點云數據利用標靶進行配準和坐標轉換。為了方便點云配準，標靶布設時必須保證相鄰兩站間至少有3個公共標靶。如果所需點云數據需要帶絕對坐標，還需要進行坐標轉換，要將標靶球布設到已知點上，否則不需要將其布設到已知點上[5]。而全站儀式的掃描儀根據已知點建站掃描方式采集到的點云數據帶有絕對坐標信息，不需要進行配準和坐標轉換。因此外業數據采集方案的制定主要是根據現場情況確定控制點布設、標靶點布設和測站點布設的位置[6]。

由于地籍測量過程中無法保證設站點為已知點，因此常采用任意設站掃描方式進行地籍測量，主要工作內容可分為3個方面，分別為點云數據采集、點云數據預處理和地籍要素提取繪制。

本文采用TrimbleTX8三維激光掃描儀進行外業數據采集工作，為保證測量數據的完整性，在外業作業時，采用360°掃描模式，每個測站的掃描時間不得低于2 min，同時相鄰兩測站之間的距離需嚴格控制，轉站點不得少于4個，公共重疊區域不得低于30%。

由于研究區采用任意設站掃描方式進行點云數據采集，因此需要利用測區內已知控制點進行坐標轉換，本文對測區進行控制測量，建立測區地籍測量控制網，在測塊四周不易被破壞的位置布設A4幅面的標靶，并將其與測區控制網聯測，獲取標靶中心絕對坐標，以便后續將所測點云坐標歸算至測區坐標系下。本次掃描作業共設掃描站點115個，測塊四周均勻布設5個標靶。

3 點云數據處理

3.1 點云數據拼接

在進行實際掃描作業時，三維激光掃描儀各個掃描站所掃描的點云數據，均為以該設站處為原點的自定義坐標系下的測區局部數據。為了得到測區范圍內完整的地籍信息，需將所有掃描站的點云數據進行拼接處理[7]。

點云數據的拼接原理是通過一定的旋轉和平移，把不同坐標下的點云數據轉換到統一的坐標系下，因此需要求得旋轉參數和平移參數，以確定兩個坐標系的轉換關系。假設A、B兩個點云數據集為兩測站的點云數據，現將坐標系o-xyz中的A點云轉換到坐標系O-XYZ中，兩點云任意公共點P在A點云中的同名點是Ai(x，y，z)，在B點云中的同名點是Bi(X，Y，Z)。則同名點應滿足以下關系：

(1)

式中，R為旋轉矩陣，T為平移矩陣，λ為比例縮放系數。由于點云數據配準只涉及旋轉和平移，并沒有經過縮放，是典型的剛性變換，因此λ值為1。其中：

(2)

(3)

式中：共有6個未知數，3個平移參數x0、y0、z0和3個旋轉參數α、β、γ。因此要想求出這6個未知數，必須至少有6個線性方程，也就是需要至少3組不能共線的同名點對，才能求出這6個轉換參數值[8]。通常情況下，為了提高轉換參數精度，工作人員盡可能多選擇幾組同名點對。

在地籍測量過程中，以首個掃描站為基準站，將其他掃描站的點云數據依次進行拼接，確保相鄰兩個掃描站點之間的公共點不少于3個，使相鄰兩個掃描站點的點云數據點名相同的3組點對(pi,qi)滿足相同的變換矩陣T。為提高轉換精度，本次掃描過程中盡可能多設置公共點，以降低轉換誤差。

?piP，?qiQ,‖Tpi-q=0‖

(4)

式中：P和Q分別是相鄰兩個測站掃描的點云集合，pi和qi分別是點云集合P和Q中的某點。

在現實解算式(4)時面臨如何查找點對和如何求解矩陣T的問題，因此，本文用所有同名點匹配后的精度評估點云拼接的好壞，即

(5)

式中：E為拼接誤差。

3.2 測塊點云坐標轉換

在完成各掃描站點之間的點云數據拼接后，需要對拼接好的整體點云數據進行坐標轉換，將其歸算至測區絕對坐標系下。測塊周邊均勻布設了5個采用測塊四周及中心的A4幅面的標靶，并與測區控制網進行聯測，其中心坐標已知，測塊點云轉換完成后的內符合精度如表1所示。

表1 內符合精度Tab.1 Precisionofinnerconsistency點號ΔX/cmΔY/cmΔD/cm平均較差/cm中誤差/cmC101.21.2C20.70.91.1C33.10.43.1C4-0.5-0.6-0.8C51.9-1.12.21.691.80

3.3 繪制地籍圖

點云數據拼接完成后，需要對其進行精簡。點云精簡也叫點云抽稀或者點云重采樣，實際上就是根據需求的點云密度對獲取的點云數據重新采樣，以達到消除冗余數據的目的[9]。針對點云數據精簡，研究人員也提出了許多算法，使得點云精簡過程更加簡化且高效。

在研究過程中，采用天寶點云數據處理軟件Trimble Realworks對點云數據進行精簡處理，對拼接后的點云進行點云抽稀處理，建立三維實景模型，采用MicrostationV8i進行地籍要素提取工作。在Microstation軟件中，可采用點云切片方式獲取測區內的界址點和地物特征點，提取界址點、地物點坐標以及界址邊長的地籍要素，并對其進行矢量化處理，繪制測區地籍圖。研究區局部三維實景模型及矢量化地籍成果分別如圖1和圖2所示。

圖1 研究區局部三維模型Fig.1 Local 3D model of the study area

圖2 矢量化地籍圖Fig.2 Vectorized cadastral map

4 精度評定

地籍測量是一項非常嚴謹的測繪工作，其工作成果對我國的土地管理工作具有重要的現實意義[10]。因此，對地籍測量成果的精度有著較高的要求。采用三維激光掃描技術采集測繪研究區內的地籍信息。為確保測繪成果的精確性，需對地籍圖的精度進行校核。本文在測區范圍內選取一定數量的界址點，采用高精度GNSS-RTK對界址點進行復測，以RTK測量結果為真值，對三維激光掃描儀測繪成果進行精度分析，分別從界址點的點位坐標中誤差和界址點間距中誤差兩個方面進行精度評定。

4.1 精度評定方法

通過查閱GB/T 14268—2008《國家基本比例尺地形圖更新規范》、TD/T 1001—2012《地籍調查規程》等相關規范，可知測區范圍內相鄰的控制點或界址點，坐標中誤差不應大于5 cm，詳細信息如表2所示。

表2 界址點精度Tab.2 Accuracyofboundarypoints類別界址點相對于臨近界址點單位中誤差/cm中誤差允許誤差界址點間距允許誤差/cm一±5±10±10二±7.5±15±15

在完成測區矢量化地籍圖工作后，對地籍圖成果精度進行分析評定，以測區內檢核點坐標值為真值，以矢量化地籍圖上與檢核點所對應的點位為測量值，分別計算各點位平面中誤差和高程中誤差，對矢量化地籍圖進行構建得到的模型進行點位精度分析。中誤差計算公式如下：

(6)

式中：ΔX為平面坐標X方向的坐標差值，ΔY為平面坐標Y方向的坐標差值，ΔZ為Z方向的坐標差值，n為測區范圍內的檢核點數量。

地籍圖成果的平面位置中誤差可根據X、Y方向的中誤差進行計算，其公式如下：

(7)

4.2 精度評定結果分析

為確保界址點點位精度檢驗的科學性和準確性，本次研究按“均勻分布”的原則，在測區范圍內共選取200個不同地物類型的界址點進行地籍圖成果精度評定。在三維激光掃描儀地籍測量成果上提取對應的界址點坐標，與GNSS-RTK測量成果進行差值計算；同時采用全站儀、激光測距儀以及精密鋼卷尺等測繪儀器對相鄰界址點之間的平距進行精確測量，取3次獨立測量結果的平均值作為真值，將其測量結果與矢量化地籍圖上量測的邊長進行綜合比對，檢驗矢量化地籍圖的地物相對精度。矢量化地籍圖精度檢核結果詳見圖3。其中，圖3(A)為平面位置中誤差分布圖，圖3(B)為高程中誤差變化曲線，圖3(C)為相對地物距離中誤差變化曲線。

圖3 三維激光掃描成果精度分析Fig.3 Accuracy analysis of 3D laser scanning results

通過對利用三維激光掃描技術獲得的地籍圖進行精度評定可得，所選界址點的平面位置中誤差為3.62 cm，高程中誤差為4.77 cm，以及界址點間距的相對精度中誤差為4.18 cm，均小于5 cm，滿足GB/T 14268—2008《國家基本比例尺地形圖更新規范》、TD/1001—2012《地籍調查規程》等規定的不大于5 cm的要求。由此表明，采用三維激光掃描技術對測區進行地籍信息的測繪工作，其測繪成果精度可以達到厘米級，精度較高，符合地籍測量國家標準的精度要求。三維激光掃描技術為大比例尺地籍測量提供了一種高效率、高精度、高性價比的新型測試方法，大大彌補了傳統地籍測量方式的不足。

5 結束語

地籍測量作為我國土地信息管理的基礎性工作，其測繪成果的精確性、時效性、可視性均具有較高的要求。本文針對傳統地籍測量方式的工作量大、作業效率低、作業過程不具備可追溯性等弊端，采用三維激光掃描技術獲取測區范圍內的點云數據，采用Trimble Realworks對點云數據進行預處理，利用Microstation提取測區地籍要素，繪制地籍圖；并在測區內選擇200個界址點作為地籍圖精度檢核點，利用高精度GNSS-RTK獲取檢核點坐標，分析評定地籍測繪成果的平面中誤差、高程中誤差以及地物間距中誤差。經驗證，采用三維激光掃描技術得到的測區地籍圖，其精度滿足我國地籍測量規范要求，為我國地籍測量的發展提供了一種新的技術手段，具有一定的實用價值。