手持式三維激光掃描儀在農村房地一體測量中的應用

1、引言

2011年5月，國土資源部、財政部和農業部下發了《關于加快農村集體土地確權登記發證工作的通知》，要求完成農村集體土地所有權證的確權登記發證工作。這項工作意義十分重大，涉及廣大農民的切身利益，對農村經濟和社會發展影響巨大而深遠。而確權需要農民群眾的全面參與配合，考慮到農民大眾對確權所必須的測繪地理信息數據的認識水平，如何選擇農村土地確權所采用的技術方法和數據源，也開始成為測繪從業者著重思考及解決的問題。

農村土地確權與各地區普遍開展過的土地登記有類似的要求及過程，傳統的土地空間信息獲取方法多為光電測距。這種技術生產效率較低，成本高，采集的成果為離散點，不夠直觀。而采用手持激光雷達掃描獲取農村房屋等對象的空間三維信息，得到測區的密集點云，生產房地一體所需的地籍空間數據，是一種新型且高效的技術手段。

SLAM系統是近年來激光掃描儀及定位定姿設備集成和小型化的優秀典型，SLAM是Simultaneous localization and mapping縮寫，意為“即時定位與地圖構建"，即掃描儀在未知環境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現掃描儀的自主定位和導航。SLAM技術在移動測量方面具有較好的應用，不依托GNSS信號，能夠對室內外環境進行地圖構建和建模。因此，SLAM技術在測繪領域中的應用降低了測量的復雜性，不需要大量地物標記點，適用于室內外、地上下多種復雜場景，對于解決傳統測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。

2、SLAM技術在農村房地一體空間數據獲取的主要優勢

農村房地一體的測量對象主要為房屋及其附屬等地籍要素，這類地物通常較集中密集，南方及沿海地區還有層數較高的特點。此類地形采用傳統的GPS結合光電測距測量方式時，因空間遮擋、衛星及數據鏈信號較差等原因，難以得到滿足精度要求的固定解。采用SLAM測量技術，因無需GNSS信號，且激光掃描對工作環境有很強的適應性，能在密集房屋的房地一體測量中發揮較好的作用。具體表現為：①外業數據采集效率高，控制點數量需求少，點云相對精度*，房屋邊長誤差小，長巷窄道等區域可快速獲取空間三維數據；②內業點云處理自動化程度高，需人工參與的工作少，不需要大量的計算資源，較短時間內便能生產較大面積的點云成果；③系統操作簡單，可連貫持續數據采集，對作業員的技術門檻要求低，可實現復雜區域一體化掃描作業；④系統工作穩定，可進行長時間數據采集，能滿足房地一體項目大面積數據采集的需要。

3、SLAM房地一體數據采集流程

SLAM房地一體數據采集生產流程包括測區劃分（準備工作）、控制點設測、數據采集、數據預處理、數據后處理、房地一體地籍要素采集等內容。主要流程如下圖：

圖7 矢量、點云、傾斜疊加

3.1測區劃分

測區劃分是SLAM房地一體數據采集前必須進行的準備工作，主要是對測區進行掃描行進路線規劃，開展測區控制點選點設計，使測區的控制網形合理，行進路線閉合時間符合規定要求，保證點云成果精度。行進路線設計需考慮目標測區全部待測對象，確保作業時所有待測目標能獲取到均勻的點云數據，同時重復掃描的冗余路段最少，提高作業效率[6]，防止點云厚度過大。按照經驗，每個測區的掃描行進路線閉合時間不能大于25分鐘，同時不應小于20分鐘。大于25分鐘容易出現點云精度超限，小于20分鐘綜合效率較低，在20至24分鐘之間的方案較優。

3.2控制點設測

控制點設測是保證掃描點云數據精度最重要的工序之一[7]。通常每個掃描測區需布設3至5個控制點，控制點需遵循邊沿控制原則（應布設在每個測區的外邊沿），分布均勻合理（應布設在測區的四角），同時應滿足相臨兩測區（測次）有1至2個的公共控制點?？刂泣c測量可采用RTK施測，設置歷元數為2，測次數為25，精度平差報告合格率大于80%時采用點成果。

3.3數據采集

采用SLAM獲取房地一體要素點云數據通常采用兩人配合的方式進行。主測人配帶SLAM設備執行掃描作業，協測人配帶控制點標靶片和線路規劃圖，在主測人前按規劃線路引走領航。協測人需仔細觀察并記錄主測人的行進時間和距離，提前在需掃描的控制點上，按規定放置標靶片。主測人應在每個控制點上用SLAM掃描標靶片5至8秒鐘，完成后繼續按設計線路行進。協測人收起標靶片重新領航，直至主測人按設計路線完成測區掃描工作，并回到起掃點閉合。

按照實際經驗，增加掃描行進路線閉合環的數量，可有效提高點云成果的匹配精度和相對點位精度。掃描作業過程中儀器須保持勻速平穩前進，避免出現原地轉圈、突然跳躍、方向陡變等情況，防止點云成果分層；作業過程中，可登上一些較高建筑的頂部，在視線寬闊的位置采集周圍的點云數據，提高點云成果的覆蓋度。每測區的數據采集均需填寫工作日志，記錄工程名稱、測區號、掃描起止時間、所測控制點編號等信息，提供內業數據處理使用。

3.4數據預處理

數據預處理是對外業采集的點云原始數據用配套的軟件進行初始解算、測區配準（拼接）、分層檢查、格式轉換等操作。數據預處理主要利用軟件的自動化執行[8]，實際作業主要是設置軟件相關參數。通過設置經驗參數值，把小測區點云合并為大測區，同時檢查數據是否存在分層、錯位等質量問題，符合要求后轉至數據后處理工序。數據預處理的參數主要有收斂閾值[9]、處理窗口尺寸[10]、體素密度[11]、剛度參數[12]、最大迭代次數[13]等，主要設置點云處理獲取數據樣本的大小，IMU[14]和LiDAR數據之間的權重，嘗試匹配重疊區域中的數據次數，處理數據時細節取舍閾值等內容，用于調整數據預處理的效果。

3.5數據后處理

數據后處理是把經過預處理的點云數據帶入控制點進行配準校正，并進行去噪、抽稀、分塊等處理，為房地一體要素內業測圖采集提供基礎數據。點云配準校正主要采用仿射變換方式，使測量誤差和系統誤差平均分布，避免誤差集中累加在離控制點較遠的區域上，精度超限。數據后處理也主要采用SLAM配套的處理軟件，操作流程及工序均相對簡單，但出現非常規問題時，處理解決難度較大，需要豐富經驗積累。如出現點云配準精度超限，需要結合點云及控制點數據分析超限真正原因進行解決。

3.6房地一體地籍要素采集

房地一體地籍要素采集主要包括房屋及其附屬的圍墻、室外樓梯、通廊、門頂等內容。將處理后的點云成果加載到南方數碼研發的iData_3D[15]上進行要素的空間位置及形狀采集，并對陽臺、飄樓等屬性信息進行識別、分類、標識，最終形成房地一體調查所需的空間矢量數據。采用iData_3D依據點云采集矢量數據時，iData_3D提供了切片、吸附、垂直、拉伸、跟蹤、擠壓等多項編輯和多視圖瀏覽功能，支持矢量、影像、點云、傾斜數據的集成和顯示，直觀還原目標對象在實地的位置和形態，方便作業人員進行要素圖形的構建，有效提高采集精度，同時減小作業員對測繪專業知識的要求，降低了技術門檻，提高了生產效率。

4、成果數據精度及效率統計

經實際項目數據統計比較和分析，以傳統光電測距（全站儀）測量的數據成果為真值，SLAM系統生產農村房地一體矢量成果數據精度能滿足地籍測繪5cm中誤差要求，綜合效率能達到傳統全站儀測量的兩倍以上，特別是外業工作只有傳統全站儀測量的30%，有效地把大量外業工作轉化到內業處理，減小了天氣、地形復雜程度等因素對測量工作的制約。

4.1精度統計

通過對廣東肇慶、江蘇常州、廣東清遠、江蘇新沂四個項目的測量數據統計，在同精度檢測下[16]，最大△X為0.203米，最大△Y為0.189米，最大△S為0.238米，中誤差最大值為4.8cm，最小值為3.2cm，粗差率最大值為5%，最小值為1.31%，精度統計結果滿足房地一體測量相關規范要求。

表1 精度統計結果

4.2效率統計

經實際項目的數據統計，在房屋較密集的居民點集中區，與傳統全站儀測量方法相比較，采用SLAM開展房地一體地籍要素采集，綜合生產效率有較大的提高。主要表現為SLAM外業采集的工作效率提高到4倍，內業處理及成圖工作效率有少許的降低，約為0.87倍，質量檢查能充分利用點云記載的豐富空間和屬性信息，效率約提高2倍，詳細對比情況如下表所示。

表2 效率統計結果

5、結束語

隨著手持式激光掃描系統的集成化和小型化，越來越多的測繪人已經感受到它與傳統測量儀器之間的巨大差別。三維激光掃描技術可以生成3D立體點云數據，將房地一體要素的各個部位和結構完整地還原展現，并能通過專業軟件直接在點云數據上進行繪圖生產。這種作業方式不僅節省時間，提高了生產效率，同時對外業作業人員的專業技能要求也比傳統測繪方法要低。更為重要的是，通過把大量的外業碎部測量工作轉化為內業數據采集處理，不僅降低了測繪工作對天氣的依賴，同時也保證了測繪成果的精度。目前，SLAM系統在小區域集中、建筑密集度高的房地一體項目測量實踐中，以其靈活的作業方式，較簡單的外業操作步驟，較直觀的內業數據可視，得到了比傳統全站儀測量更快更好的房地一體數據成果，為省級乃至全國同步完成房地一體測繪工作提供了一種新且有效的技術思路和解決方案。

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