倾斜三维与激光雷达技术在房地一体应用中的综合对比
摘要：为提高农村房地一体不动产权籍调查作业效率，以多个村庄为测试数据分析试验区，采用机载倾斜三维航摄及激光雷达两种技术对农村房地一体不动产权籍建模测量，对两种技术效率性进行了分析，并与传统方法进行了综合对比，找出各自方式的优缺点。结果表明：机载倾斜三维航摄具有三维模型的可视化效果较好的优点，而激光雷达技术具有获取目标物的三维点云数据几何精度高的优点，两种方法各有优点、效率高、精度好，对于应用于高效农村房地一体不动产权籍调查有着广阔的应用前景。
关键词：不动产登记；宅基地；确权；机载倾斜三维航测；激光雷达
文章转载于辽宁工程技术大学学报（自然科学版），作者：齐庆会
作者简介：齐庆会（1972-），男，学士，教授级高级工程师，主要从事工程测量及无人机航测方面的研究。
引言
乡村房地一体不动产确权登记已经变得愈发重要，它是实现振兴乡村战略、推动创新乡村系统进度、整合城乡开发以及宅基地“三权分置”改革的关键理论基础。
2019 年的中央文件 No.1 明确表示：“加快登记和发放使用住宅基地使用权证的工作，目标是到 2020 年基本完成。”通过加快农村住宅区一体房地产登记，对房屋等房地产权进行准确的归属记录、保障集体建设用地和农村宅基地不受侵占，依照法规确保所有农民的权益，从而对实现乡村振兴奠定了稳固的基础。
但是，农村房地一体不动产权籍调查和测绘也面临着一些痛点问题：例如农村大量人员在外务工，空巢率高，房屋量测无法入户；很多隐蔽点难以量测；连片房屋难以分辨；测量人员培养慢、流失快；作业细节很难步调一致；测量图根控制点不易保存，测量累计误差较大；测量效率较低，漏测、漏画地方多；公示阶段，勘误澄清、权利人质疑等情况下的反复核实与修正；重复工作量大等等问题。针对存在的问题，采用新技术探索高效的外业采集模式势在必行。
1.1 机载倾斜三维航摄技术生产工艺
机载倾斜三维航摄技术是 21 世纪航测领域逐步衍变出的新式技术，通过与传统的航空摄影测量所观测的垂直影像数据比对发现，该技术是使用多个新添加的不同角度的镜头来获得倾斜于特定角度的图像，再在获得高分辨率的同时使用倾斜照片、相同位置的各种角度的影像，实时采集位置信息，并对多样的侧面地物的肌理进行观测。
基于详细的空中测量数据，通过图像预处理操作、多视影响匹配、区域协调平差等一系列操作，建立了大量高质量、高精度的三维 GIS 模型。
1.2 机载倾斜三维航摄技术地籍数据生产流程
采用机载倾斜三维航摄技术提取地籍的三维模型主要需进行如下工作：
（1）工作方法
测试中应用六旋翼的无人机搭载五镜头的倾斜摄影云台相机，通过航飞相关的倾斜模型对地形地籍等关键要素进行收集，并对包括无人机起飞前的的飞行参数进行高度精密分析，包括旁向间距、航向间距、拍摄时间间隔、相对高度和速度等，在参数设置中搭配不同的参数会使空中观测的效率和精度产生波动。
综合考虑包括飞行控制、距离控制、地形、电池消耗、建筑物分布、精度测量等主要原因的研究，通过地面站软件对参数进行更改，并设置最佳路线，在实际航飞中，设置航高为 110 m，航向重叠率控制为 80 %，旁向重叠率约为 75 %，飞行速度在 10 m/s 上下，设计地面分辨率为 1.5 cm。
图1 六旋翼无人机
（2）地籍三维模型建立
在先验条件为保障生产基础数据的情况下，进行地籍模型数据生产，核心操作流程是：通过具有全数字特性的摄影测量系统，在立体环境下来观测并获取目标物体的几何特征信息，在内业地形地籍要素采集生产中，本文采用 iData 3D 进行采集，采集人员可以同时使用平面视窗和立体视窗，不需要配带立体眼镜，只要有地形测量或建库经验的作业员均能快速上手，降低了人员门槛。采集示意见图2和图3。
图 2 机载倾斜三维航摄成果
图 3 机载倾斜三维航摄地籍线划
（3）机载倾斜三维航摄技术能快速获得大范
围地物空间信息及多角度影像信息，真实反映权籍三维地形情况，还能建立高定位精度的模型，模型要素全面、细节丰富、现势性强。该建模方式的技术流程见图 4。
图 4 机载倾斜三维航摄生产流程
1.3 机载倾斜三维航摄技术试验结果分析
机载倾斜三维航摄技术进行地籍测图的效率与传统的解析法相比，有较大的提高。传统的解析法每组每天测量工作量约为 20 户，倾斜航测法测量平均综合效率可达 60 户以上，具体见表 1。
除效率提高外，倾斜航测法测量还具有视觉直观，模型效果与实地一致，容易判断，能减少外业核查工作量；屋顶材质，阳台是否封闭，临时搭建房屋可直观判别；房屋层数可直观清点；房屋附属等可直观区分；对内业作业人员要求较低，经简单培训可参与生产；有 DOM 和倾斜三维模型等副产品等优点。
但是，倾斜三维模型也存在局部密集地区受遮挡影响较大，遮挡区会产生拉花、变形，无法判断出准确的位置，这些区域是粗差的主要来源。对于此类情况需采用仪器到实地补测遮挡的界址点和地籍要素点等，以及部分建筑物需实地量测其长度，工序上要考虑内外业交互，对项目的实施管理有更高的要求。
1.4 机载倾斜三维航摄技术生产地籍技术特点
机载倾斜三维航摄技术地籍测量方式可以得到地物地貌真实三维模型，可 360º 自由旋转，可量测、实际地理信息坐标、测量数据的高精度、高生产效率，工作人员无需入户即可测量各种房屋，大大减少外部人员和工作量，降低成本。
对内业人员要求相对较低，容易培养，所见即所得，计算数据累计误差、人为量算误差积累少，你不需要长时间保持图像控制点，也不容易忽略漏测，但倾斜的拍摄和 3d 建模对照片质量有更高的要求。确保充分的暴露情况，降低图像点的位移，镜头的渐晕的影响，减少对图像的信号噪声比，考虑航空照片拍摄期间的气象条件和高度结合，考虑到有必要选择最佳的曝光参数。
基于无人机在航空照片上非测量类型的数码单反相机使用，因此，镜头的失真，大幅照片的端大幅变形，图像点和目标点点位的共线条件难以满足，而导致三维加密和三维模型的确立影响精度。因此，用正确的照相机校准文件修正照片的畸变差值是非常重要的，对后续的工作正常完成有着很大影响。
无人机携带的 POS 精度比较低，但在无人机上操作 3D 重构的流程中，需要根据实时的 POS 数据，计算多种不同照片的相对空间关系，在空中三角测量的过程中，会自主应用软件对 POS 数据的质量进行提升。倘若没有输入曝光点在原始图像中的空间位置数据，连接点的匹配时间会大大增加，甚至会发生故障。
2.1 机载激光雷达技术生产工艺
机载激光雷达是一种布置在飞行器上的、精准获得目标物体三维坐标的应用激光进行探测和测距的系统[9]。
机载雷达是一种主动式对地观测系统，它集激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元（IMU（IMU）/DGPS差分定位技术于一体[10]。它在实时并精准观测三维空间信息的技术难题里做出了巨大的贡献。
机载雷达也提供了全新技术手段，即可快速得到高时空分辨率地球空间信息[11]。
激光脉冲由机载雷达传感器发射得到，能实现部分透过丛林遮蔽，并且能够明确的得到项目所需的精度较高的三维地形数据。应用相关数据处理软件整理、分析后的机载雷达数据，能够快速得到精度较高的等高线图和数字地面模型。
机载激光雷达系统是涵括激光扫描仪、高分辨率数码相机、POS定位姿态系统、嵌入式计算机集成统一的新类型的主动类型的高速测量系统，三维的空间信息数据和真彩色影像数据可以迅速准确地获得，这些数据可以广泛用于高速公路、铁路、电力、石油、土地、应急测量需求、林业、文化遗产保护等多个领域。
随着激光雷达测量技术的不断开发和研制，在全新的技术意义上，该技术的出现是全球定位系统以来在遥感地图应用领域的又一项伟大的技术革新，其中机载雷达无人机的形态见图5。
图 5 机载雷达无人机
2.2 机载激光雷达地籍数据生产方法流程
采用机载激光雷达测量技术提取地籍的三维模型主要需进行如下工作：
（1）工作方法
飞行前，首先对测量区域进行仔细的调研，了解其大致范围，以及测量区域内的地形和地形条件，避免增加更高的地形特征。对飞机和激光扫描仪造成危害，然后在测区明显地物点处架设 GPS 基站，在航飞同时持续观测飞机的三维坐标数据，航飞结束后，测量和记录基站坐标。
在航线设计上，采用航高 65 m，飞行速度 8 m/s，航线间距 60 m，采用交叉航线航飞。在解算数据的过程中，使用 POS及基站点坐标，应用差分解算对原始的激光点云数据进行综合分析，进而得到了精准的激光点云数据，同时，解算软件可以将航带边缘精度稍差的点云数据自动分类，使得冗余数据被删掉。
（2）三维模型建立
点云数据获取和解算后，交由内业作业员，采用专业地形地籍成图软件进行地形地貌的采集，采集软件可通过调节选取某一高度的点云数据，可方便识别和判断采集对象的准确空间位置和形状，有助于地形
要素的采集，具体的机载雷达地籍数据图见图 6。
图 6 机载雷达地籍数据
（3）主要生产流程
在专业级无人机载移动测量系统航飞与数据处理下，获取 1∶500 的激光分类点云、数字高程模型（DEM）、正射影像模型（DOM）、1∶2000数字线划图（DLG）技术服务工作，本文采用征图操控软件可实现点云和影像数据采集，实时获取姿态和 GNSS 数据信息，对测区进行激光扫描，主要生产流程见图 7。
图 7 机载激光雷达生产地籍流程
2.3 激光雷达技术试验结果分析
采用激光扫描采集地表地籍要素时，可以将房屋用任意高度切断面，房屋边界以矢量点的形式呈现可以更直观的判断墙面位置，减少判断过程。墙面没有凸凹，采集精度更高。
另外机载激光扫描在获取数据时，不用考虑光线要求，白天、晚上均可航飞采集数据，可充分利用天气较好的时间晚上作业，可有效缩短人员工作时长。另外，机载激光扫描在一些遮挡不是特别严重的区域，其多回波特性可使房屋的墙面完整表现，周边也不会产生变形，能提高数据的精度。
因为激光点云表达可视的物体对象是通过点集合形成的，在放到较大比例尺时因点密度等原因不够直观，需要经过专业培训的作业人员方可进行内业数据处理。
在实际作业过程中，房屋的层数可通过房屋高度判断，房屋附属柱子可通过多角度观察进行判断识别，不封闭阳台、飘楼、柱廊、露台等房屋附属结构可通过经验训练判断。而封闭的阳台、廊等房屋附属与主房无法直接区分，屋顶材质，临时搭建房屋无法准确判断，这些信息的识别需外业实地核查，增加了内外业的交互，提高了管理要求。
从效率方面统计，机载激光扫描获取建筑物 1：500 比例尺地籍图与传统解析法比较也有较大的提高。传统的解析法每组每天测量工作量约为 20户，机载激光扫描法测量平均综合效率也可达60户以上，具体见表 2。
2.4 激光雷达技术生产地籍技术特点
采用激光扫描采集地表地籍要素时，可以将房屋用任意高度切断面，房屋边界以矢量点的形式呈现可以更直观的判断墙面位置，减少判断过程，墙面没有凸凹，采集精度更高，另外机载激光扫描在获取数据时，不用考虑光线要求，白天、晚上均可航飞采集数据，可充分利用天气较好的时间晚上作业，不需要布设像控点，大大减少外业工期，机载激光扫描通过点云切片工具，依然可获得墙体位置。
在工作过程中，这比较受天气和大气的影响而且较大，激光在晴天条件里衰减较小而且它可以很远距离传播光束，而在糟糕的天气条件影响下，衰减大，导致影响较大，而且具有波束窄小特性的激光雷达，很难在空间一定范围内去寻觅到目标物体，导致会突出影响综合探测效率和截获概率，因此在相对小的空间范围内可以非常流畅的进行观测。
通过以上分析，机载倾斜摄影测量和激光雷达技术这两种的数据获取方法都比较快速，自动化三维建模完成度都高，尤其都具有大范围快速建模的优点。
机载倾斜三维航测的几何精度与前者相比略低，但三维模型的可视化效果较好；激光雷达的突出点就是获取目标物的三维点云数据几何精度高，但不能得到目标物的纹理信息，机载倾斜三维航摄和激光雷达是具有不同特性的、生产地籍的两种技术。
两种技术方式各有特点，无论生产效率还是产品精度均远高于传统地籍生产作业模式，采用机载倾斜三维航摄生产地籍飞行效率每天最多可以采集 2.4 km2 地籍图，但如果考虑像控点布设等外业工作，机载倾斜三维航摄生产地籍综合生产效率降低为每天为 1.1 km2，而采用激光雷达生产地籍每天平均行飞效率为 1.1 km2，但激光雷达不用进行外控点布设，这样节省了外业时间。
因此采用激光雷达生产地籍综合生产效率仍为 1.1 km2，所以两种生产地籍方式每天综合效率基本一致，但根据地籍项目本身特点，对于茂密植被覆盖区域，激光雷达技术具备穿过植被到达目标物体的优势，并且激光雷达技术在夜晚也可以顺利的流畅作业，处于工期相对紧张的地籍项目里也可以采用激光雷达技术进行工作。
而机载倾斜三维航摄技术手段比较成熟，精度也比较高，对于项目后期需要外控点进行后续工作等地籍项目可以采用机载倾斜三维航摄技术生产地籍。
（1）通过分析机载倾斜三维航摄及激光雷达技术在高效农村房地一体不动产权籍调查中测试，结合各自的数据分析，分析得出各自的优点和缺点，各取所长的在农村房地一体中发挥优势，避免了各自因条件限制而导致的问题。使得在实际测量中，将繁多的工程方案相互融合，为了选择最高效的数据生产方案需要将经济效益、时空观念以及应用的可能性等方面要求综合分析。
（2）实际生产中，在确定具有较高几何精度的情况下，也要保证地籍测量成果的美观和可看性，提升综合工作效率，大幅度缓和了作业总量，实现统筹兼顾、精益求精、经济高效的效果，两种方式均能高效完成农村房地一体不动产权籍调查，是未来高效农村房地一体不动产权籍调查新技术应用的发展和研究趋势。
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