基于“点云智绘”与无人机激光雷达点云的土地整理解决方案及案例分享

文章目录

一、土地整理概念、意义和步骤
二、土地整理数据采集成果与LiDAR技术
三、激光雷达的土地整理基础调查解决方案
四、案列分享

一、土地整理概念、意义和步骤

土地整理是将各类土地用地加以整理、并进行规范化整改的项目。进一步而言，土地整理是以提高土地利用率为目的，重新规划利用、调整用途、整理零散土地等为手段，最终实现对田、水、陆、林、村等多种利用类型的土地进行多方面的经济、生态和社会价值的提升（来源：视频公众号“老蒋讲航测”）。
目前，土地整理整体流程有以下步骤：
第一步：基础调查和资料收集；
第二步：系统分析；
第三步：编制土地整理规划；
第四步：认证规划方案；
第五步：统筹整理资金；
第六步：实施整理规划方案。

二、土地整理数据采集成果与LiDAR技术

传统上，在基础调查和资料收集阶段，土地整理项目实施前后需要进行影像收集，用于前后的数据对比和精准的地理信息统计。传统数据的二维正摄影像（如图１所示）数据信息，无法判断台阶或田坎的高度信息和地面物体的立面信息，导致数据不准确或采集效率不高。

图1 正摄影像

目前，随着无人机激光雷达测量技术的日益普及，在基础调查和资料收集阶段，最新的《四川省土地开发整理工程建设标准》中规定土地整理项目的数据成果必须满足包含下述内容：
(1)真彩色三维las点云，优于16点每个平方米，如图２所示；
(2)数字高程模型、三体阴影立体渲染图；
(3)1：2000的正摄影像；
(4)实景三维模型。

（a）按RGB渲染的点云

（b）按高程渲染的点云

（c）按回波次数渲染的点云

（d）按反射强度渲染的点云
图２真彩色三维las点云包含的多种属性及其可视化

最新的《四川省土地开发整理工程建设标准》中加入了“真彩色三维las点云”。这是以往没有的，而变化背后的原因与生产指导意义值得我们深思。要了解点云数据真实的价值所在，我们再次到《四川省土地开发整理工程建设标准》中去寻找答案。在规定章节中，对田块、田面、梯田、田埂等规范要求里，我们整理出了想要的答案。本着增加有效耕地面积、提高农业机械化效率等原则，我们需要对田块、田面进行多方面整理前的数据采集，而在数据采集中以下5种类型数据具有重要意义，包括：
(1)山体的坡度信息；根据整理区田面坡度选择平正耕地类型，对25％以下的坡耕（如图3所示）地应进行坡改梯，修筑成梯田；
(2)DEM光照分析：保证条田长边光照时间最长，有利于作物的光合作用;
(3)根据田埂高度与田埂两侧高度，在满足灌溉、排水等要求下，土地平整的填挖方量应就近平衡；
(4)耕地平整所需的填挖方量分析，合理分配土方，就近平衡填挖方量；
(5)耕地断面分析：梯田梗坎应符合安全稳定、占地少等原则，因此需要对断面进行多项数据分析。

图3 《四川省土地开发整理工程建设标准》中土地整理的坡度要求

图4 《四川省土地开发整理工程建设标准》中土地整理对断面的需求

三、激光雷达的土地整理基础调查解决方案

要同时高效、高质量的做到以上5种信息采集，利用无人机激光雷达成为了最佳选择。机载激光雷达可主动获取反映地表形态的高精度的三维点云、并同步获取光学影像，这些点云数据可直接生成数字表面模型。鉴于激光雷达具有林木冠层穿透能力，可以获取精确林下地形的地面点。通过地面点识别，可以进一步获取DEM、生成等高线、生成断面线、计算填挖土方量，并由DEM获取田面坡度信息、平整度、田坎高程等。整体解决方案如图5所示。

图5 激光雷达的土地整理基础调查解决方案

四、案列分享

实验区选择了四川省堡子镇。堡子镇，四川省达州市达川区下辖镇，地处达川区西北部，东邻通川区金石镇、双龙镇，南接米城乡，西连桥湾镇、虎让乡，北与通川区江陵镇接壤。辖区东西最大距离6.7千米，南北最大距离11.7千米，总面积66.7平方千米，区位如图6所示。截至2019年末，堡子镇户籍总人口23475人。堡子镇地处四川盆东平行岭谷区、盆中丘陵区、盆周低山区连接地带。地形主要为丘陵，主要山脉有罐子山等，境内最高点位于水洞坪大包梁，海拔901.7米；最低点位于水落湾，海拔380米。堡子镇属亚热带湿润季风气候，其特点是四季分明，冬暖、春早、夏热、秋凉，无霜期长。堡子镇主要自然灾害有旱灾、涝灾、滑坡、冰雹、霜冻等，以滑坡最为严重。截至2011年末，堡子镇耕地面积20123亩，亟待开展土地整理扩展耕地面积。

图6 实验区四川省堡子镇区位和山体阴影晕渲图

本项目涉及的测区长度约6.2km、宽约8.9km，点云有效面积35平方千米，如图7所示，测区点云数据的情况如下：
数据量：3个las文件的累计数据量为153G
点云密度：192个点/平方米
文件格式：Las1.2
场景类型：山区，地形陡峭，分布有大量的陡坎。
数据特点。该激光雷达系统使用了大疆Livox激光雷达扫描头，获取的点云数据具有一定的厚度。

（a）测区点云（抽稀为原始点云的1/1000）

（b）局部区域的点云
图7 测区无人机激光雷达点云展示

项目中，只有一个人参与点云数据，使用了1台台式计算机完成此项目，计算机配置如图8所示。
图8 电脑配置

按照1km的格网进行分块，整个测区共分为42块，点云切块时间花费为1小时55分钟；对42块的点云进行全自动滤波，滤波时间花费为5小时42分钟。共获取了25134873个地面点，并由这些点生成了相应的数字高程模型（如图9、10所示）、山体阴影图（如图11所示）、断面图（如图12所示）、等高线（如图13所示）、土方量（如图14所示）等土地整理所需的成果。

（a）测区的全部地面点展示

（b）测区的全部地面点生成的数字高程模型

（c）局部区域的数字高程模型

（d）局部区域的数字高程模型
图9 点云智绘生成的数字高程模型展示
图10 点云智绘生成的测区栅格化数字高程模型

（a）测区的整体山体阴影图

（b）局部区域的山体阴影图
图11点云智绘生成的测区山体阴影图

图12点云智绘生成的测区局部区域断面线

图13 点云智绘生成的测区等高线

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/cdce3d3cb8a04991b6489aa1dc0eae0b.png?x-oss-process=image/watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA5rCn6Im6,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16
图14 点云智绘计算的测区局部区域的填挖土方量

图15 点云智绘自动滤波的结果可以更好保留地形断裂附近地面点

点云智绘软件目前已经具备了面向土地整理所需的点云滤波生成DEM、生成等高线、生成断面线、计算填挖土方量等产品的能力，而且具有高效、人工干预量少、使用方便的优点。

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