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房地一体中激光三维雷达扫描技术的应用

2021-08-07 69 上传者：管理员

摘要：我国空间信息数据较多，因此采集、处理过程相对复杂，采用激光三维雷达装置进行对地扫描操作，可有效观测房地一体状态，更好测得待测房屋的三维空间信息，提高扫描精度。本文对激光三维雷达的扫描技术加以分析，通过原理、特点等因素进一步深度了解该技术，并结合现实项目案例，对房地一体中该技术的应用流程进行探讨。

关键词：
坐标信息获取
基础数据
房地一体
扫描技术
激光三维雷达
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1、引言

房地一体工程中应将地上建筑如房屋等构筑物，进行精准测量，以此获取坐标信息，为后续建设项目提供基础数据依据。传统房地一体的测量采取人工配合测绘仪器的方式完成，该过程耗时耗力，不利于测量效率，现阶段采用激光三维雷达对待测区域内的房屋地理信息做出勘测，能精准描绘出周边地形地貌，突出区域特征，并在立体点云数据库中进行数据信息处理，以此达成房地一体勘测工程目的。

2、激光三维雷达扫描技术

2.1 技术原理

激光三维雷达系统内包含了激光测距仪和高精度的惯性测量仪器，另外该系统运作时结合了GPS技术，提高定位能力，该系统整合激光、计算机科学以及测量、定位技术，高度集中作用下，为房地一体勘测提供了高精度的扫描办法。激光雷达系统采用激光扫描设备，将房地目标进行激光扫描，由此得出两者间的实测空间距离，同时使用差分接收机，获取激光发射位置的瞬时性空间坐标。另外使用惯性测量单元对飞行平台姿态角进行获取，得出仰俯角度、侧滚角度和偏航角度，充分利用以上数据，便可准确得到地物的地理空间信息、边角长度信息，最终建立三维坐标系，用坐标数据表示地物表面位置信息。

2.2 技术特点

使用激光三维雷达的扫描技术，可在其运行中、数据结论等环节下归纳出四个技术特点。第一，该技术可实现非接触的测量方式，因为使用激光雷达装置，并不需要反射棱镜做以位置信息的定位支持，技术可直接作用于待测地物表面，由此采集到精准的三维数据信息。第二，数据采样比例较高，使用传统空地一体勘测技术，多为人力与测绘仪器相配合的方法，导致测量中的采样点数据较少，并不能最为精准得出测量数据，而雷达扫描可将测量区域内的众多采样点属于同时采样，提高采样率。第三，该技术主动状态下发射扫描光源，并可通过自身的激光发射频率，判断回波信息反馈中的地物三维坐标信息。第四，该技术拥有较高分辨率，能够针对目标物的点位数据，做出高精度数据的判断。

3、房地一体应用中的分析

3.1 应用流程

在激光三维雷达扫描技术的房地一体应用下，可对整个应用过程做出详细分析，如图1所示，以此将该应用完善落实至待测目标建筑的地理信息获取过程中。首先需要对待测区域内进行人工踏勘，并在合理位置布置像控，确保采集数据点位较为完整；其次对数据做出处理，应将航片进行妥善整理，并导入像控，进行空三计算，持续优化数据，建立出三维实景模型；接着将模型输出，并获取正射影像图，得出完整数据信息下的空三报告；然后制作地形图，并合理制订配置方案，采用DP绘图方式，进行地形图的质量核验，对图形做以一定整饰，提供清晰的观赏图形；核验雷达扫描技术的精度，经由野外测量与模型精度两种检核方式的交叉核验，完成对图形精度的分析；最终提交该技术的成果，包括有三维模型、正射影像，以及房地一体勘测项目的精准地形图[1]。

3.2 项目背景

选择我国某自然村进行房地一体测量项目，该项目得出的数据将用于整合建库，留存当地土地资源。项目的外业修补工程，需测绘出近4万宗地，精度要求为5cm。施测过程中，因待测房屋较为分散且周边植被茂密，使用传统测量方法将不能获取精准数据，所以使用激光三维雷达测量方式，可在该房地一体项目中取得达到精准度要求的测量数据结果。在空旷区域内，采用飞机搭载模式做好点云数据的相关收集工作，并选取该区域内已知坐标位置的点位，其上搭建静态基站，进行后差分的处理分析。

3.3 设备选择

该待测区域的房地环境较为复杂，地势起伏的地表结构基础上，零散分布着待测房屋，且居住居民较多、地物遮掩情况较严重，因此选择使用相应的设备，能提高测量精度，满足项目要求。该案例项目中选取直升机作为设备载体，人为操控飞机运行，飞机上搭载有激光三维雷达的系统，型制为AS-900，其中该系统内将卫星定位设备（型制GNSS）、惯性测量设备（型制IMU）、激光扫描设备进行集成，并设置中心控制单元，保障测量精度可在数码相机的150m范围内达到5cm。该系统将回波功能加以应用，可有效穿透植被干扰，降低遮掩物体带来的测量影响，另外系统搭载了自主研发的立体测图软件，提高绘图效率，经实测，效率可达传统效率8倍以上。

3.4 数据的采集及处理

结合项目精度需求，根据现场环境的影响，选择基准站点进行测量作业，由此采集激光雷达技术下的测量数据。勘察现场的范围、地貌、交通情况等，是影响到雷达扫描的重要因素，因此选择单种房地一体测量方式，其得出数据符合精度要求的难度较大，采用多种作业结合的测量方式可有效提高数据的准确性。

背包作业的模式可获取更多有用的地物信息，但地面GPS装置的信号较易受到干扰，所以应采用地面布控方式，提高信号的正确获取率，以此增加点云数据的精确性。在一定条件下，对点云位置进行纠正，降低错误位置信号对该项目数据精准性的影响，从而获得更高精度下的激光点云位置信息数据。

采集数据过程中使用无人机作业模式，能有效规避GPS或卫星信号受干扰的情况，但是飞行相对航高，测区地形地貌及航线规划等因素对成图精度产生较大的影响，在实际作业过程中，要根据设备和地形地貌情况进行较为精确的参数计算和分析。同时地面静态基站测量要同步进行，因而需要综合考虑静态基站数据质量，坐标转换精度以及高程拟合精度等[2]。

数据采集完成后，便可获得原始基站数据、原始GPS数据和原始点云数据，首先通过基站数据和GPS数据进行惯导解算，获得采集轨迹数据，以此获取测区的激光点云无缝拼接数据。对数据进行分析，并做出预处理方案，可有效优化数据，促进三维坐标的准确建立，提高项目建设效率。

激光雷达点云数据解算输出后，还需要根据项目需求对点云数据坐标系统进行转换。在输出点云时，在initialexplorer里设置好投影参数，通过转换参数获得所需的投影坐标系统下的点云数据。获取点云数据后，对坐标数据进行分析，可判断出地面目标物的地理信息状态，包括边长信息、形状信息等。

4、扫描技术试验数据分析

对该项目技术做出试验数据分析，首先应判断技术数据的获取模式，当测量区域位置处于房屋及电线密集区时，可采用背包作业模式，而在较为空旷的区域时，则采用无人机搭载模式进行点云数据采集。在测区附近选取一个坐标的已知点，在该点上架设静态基站，并带入点云数据进行后差分处理。在采集过程中尽量匀速步行，尽可能避免急拐弯以及快速掉头导致惯导记录错误而造成测量误差，图2为测区范围和背包作业轨迹。

当数据采集完成，则需对地面结构部署检查点，为确保数据准确，检查点应选择在点云测量中具备较高辨识度、清晰度的地物目标物角点，可有效提高数据精度。当激光点云数据得出后，使用地面上搭设的静态基站，（下转195页）（上接192页）进行后差分技术的运用，经解算后推导出点云数据，将该数据统一命名，格式后缀为Las。当点云数据软件选择了原有检查点进行位置分析，该布设位置上推导出相应的云坐标，再利用该坐标与RTK检查点的坐标以对比，由此得出检校点、测量点等点位的精度数据，还可得出实测数据与图解数据的误差分析，将激光点云技术的相对精度以数据展示。

从精度的统计数据中可知，激光雷达点云的数据，可将点位误差降至0.054m左右，最大的残差误差数据也不超过0.063m，因此能够充分满足房地一体中的测量精度要求。其中要求规定，明显界址位置的检查点位置精度要达到5cm、隐蔽界址位置精度为7.5cm，相对精度要求为10cm，而该项目中误差平均为0.064m，所以也可满足相对精度要求[3]。

5、结语

综上，激光三维雷达可全天候运作，将地面三维数据进行较高精准度下的获取，因此在房地一体的勘测项目中，被良好应用，具备现实应用价值。通过对激光雷达的测量应用分析，得出点云精度与观测数据的实际效果，首先当没有GPS给予精准定位情况下，惯导系统的定位效果并不理想，而激光的反射作用将会影响点云精度，造成数据浮动现象；其次采用激光雷达进行户外作业，提高项目成图率，并且测定精度可满足空地一体的实测要求。需注意的是在地物遮挡情况严重时，采用其他工作方式来配合该区域下的探测，保障空地一体的点云数据精度维持较高水平。

参考文献:

[1]张力元,张法星,蔡爱玲,等;三维激光雷达扫描技术在河流模拟中的应用[J].水电能源科学,2020,38(08).121-124.

[2]舒斯红.移动式激光雷达在房地─体测量中的应用[J].资源信息与工程,2018,33(05);119-121.

[3]张美娜,吕晓兰,邱威等;基于三维激光点云的靶标叶面积密度计算方法[J].农业机械学报,2017,48(11):172-178.

文章来源：强亚明.激光三维雷达扫描在房地一体中的应用探讨[J].西部资源,2021(04):191-192+195.