背包式SLAM三維激光掃描系統(tǒng)在房地一體測量中的應(yīng)用

歐陽樂

（廣東省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊(duì)，廣東 惠州 516000）

1 引言

房地一體測量是不動產(chǎn)登記的基礎(chǔ)工作。房地一體，即同步開展農(nóng)村地籍測量和房產(chǎn)測量，從而形成統(tǒng)一的農(nóng)村土地和房屋空間信息數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)一確權(quán)登記，為廣大農(nóng)民合法擁有的不動產(chǎn)頒發(fā)房地一體不動產(chǎn)權(quán)證書。傳統(tǒng)的房地一體測量方法存在勞動強(qiáng)度大、外業(yè)效率低、房屋密集處GPS 信號差、容易造成數(shù)據(jù)遺漏等不足[1]；航空攝影測量技術(shù)雖然得到了廣泛應(yīng)用，但受制于農(nóng)村房屋普遍存在房檐，且房屋間相互遮擋嚴(yán)重，當(dāng)遇到狹窄巷道時，航空攝影測量技術(shù)也難以獲取全方位的房屋數(shù)據(jù)。

當(dāng)前，三維激光掃描技術(shù)因具有高精度、非接觸、能獲取物體三維坐標(biāo)信息等優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注[2]。在不同搭載平臺下，架站式激光掃描儀因需要架設(shè)多個測站，效率不高，且點(diǎn)云拼接工作量較大；車載式激光掃描儀受路況限制導(dǎo)致點(diǎn)云不夠全面，整體工作效率相較于傳統(tǒng)作業(yè)方式也不顯著。背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)彌補(bǔ)了以上兩種激光掃描儀的不足，不僅可以深入房屋密集區(qū)域采集數(shù)據(jù)，還可以同時采集室內(nèi)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和處理后導(dǎo)入成圖軟件即可繪制不動產(chǎn)圖件，有效解決了不動產(chǎn)調(diào)查中數(shù)據(jù)采集不全、調(diào)查效率緩慢等問題。

2 背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成和原理

背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)是一個基于SLAM（同步定位與成圖）算法，集成激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航、全景相機(jī)等多種技術(shù)的室內(nèi)外一體化三維移動測量系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)可不依賴于GPS，利用高精度的SLAM 算法和慣導(dǎo)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)拼接和成圖，使得邊采集邊成圖的作業(yè)模式成為現(xiàn)實(shí)。背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，硬件系統(tǒng)用于外業(yè)獲取高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)用于處理外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

研究以數(shù)字綠土LiBackpack DGC50 背包激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)為例，其硬件系統(tǒng)主要包含激光掃描儀、相機(jī)系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、系統(tǒng)主機(jī)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等，其中組合導(dǎo)航系統(tǒng)由GNSS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和IMU 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)主要為強(qiáng)大的三維點(diǎn)云后處理軟件JRC，可實(shí)現(xiàn)大場景建模、量測、成圖、空間分析等功能。

激光掃描儀是背包式激光掃描系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)在儀器內(nèi)部配置了一臺高精度激光測距儀和反射棱鏡，該反射棱鏡與普通棱鏡不同，它可以引導(dǎo)掃描設(shè)備發(fā)射的激光束以相同的角速度進(jìn)行掃描。配備的激光測距儀可以主動向目標(biāo)物體發(fā)射具有強(qiáng)反射性質(zhì)的激光，激光照射到目標(biāo)地物后并反射回來，根據(jù)反射的時間差可測出距離，再根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置的測角系統(tǒng)可得出發(fā)射激光時的瞬時角度。由測得的距離和已知角度，經(jīng)過幾何運(yùn)算求得目標(biāo)地物相對于激光設(shè)備的三維坐標(biāo)[4]，目標(biāo)地物點(diǎn)位坐標(biāo)的計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 背包式三維激光掃描儀空間點(diǎn)位計(jì)算模型

圖1 中，S為激光探測系統(tǒng)獲取被測目標(biāo)至掃描中心的距離，α、θ分別為由精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值，被測點(diǎn)P（X，Y，Z）空間點(diǎn)位坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

2.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)的優(yōu)勢主要如下：

（1）效率高。針對城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村不動產(chǎn)調(diào)查，由于遮擋比較嚴(yán)重，GPS 經(jīng)常失鎖導(dǎo)致精度不夠，一般用全站儀測量房屋的四個面，然后內(nèi)業(yè)成圖，但效率低、投入大，項(xiàng)目和項(xiàng)目之間存在數(shù)據(jù)對接容易出錯的問題。背包式SLAM 三維激光掃描儀平均每小時可以采集25000 平方米不動產(chǎn)數(shù)據(jù)，加上內(nèi)業(yè)解算和出圖環(huán)節(jié)，一人一天大約可以完成30000～40000 平方米的地籍圖成果。

（2）輕便快捷。背包式SLAM 三維激光掃描儀整機(jī)重量約5 公斤，外業(yè)采集簡單快捷，只要背在身上不停地走，系統(tǒng)即可自動完成實(shí)時匹配和成圖，不需要做站點(diǎn)拼接。此外，結(jié)合先進(jìn)的測圖軟件，可支持在全景圖上直接繪制線劃圖。

（3）成果豐富。不僅可以繪制房屋平面圖、立面圖，還可以計(jì)算房屋的面積（全面積、半面積），進(jìn)行標(biāo)高、層數(shù)等屬性的標(biāo)注，同時形成的三維空間點(diǎn)云和模型數(shù)據(jù)存檔后可供后期隨時查看和校驗(yàn)[5]。此外，自動生成的全景數(shù)據(jù)還可以用于創(chuàng)建VR 漫游場景。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

選取某集聚型自然村莊為試驗(yàn)區(qū)域，測區(qū)長約260m、寬約80m，約72 宗地，測區(qū)內(nèi)的房屋密度較大、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、道路非常狹窄，測量要素繁多。本次試驗(yàn)利用北京數(shù)字綠土LiBackpack DGC50 背包激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理利用數(shù)字綠土LiDAR 360 激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分析軟件，線劃圖繪制利用南方CASS 成圖軟件。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)利用背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集，采集流程主要分為儀器準(zhǔn)備、基站測量、掃描設(shè)備姿態(tài)數(shù)據(jù)檢校、掃描作業(yè)等步驟，具體如圖2 所示。

圖2 背包式SLAM三維激光掃描系統(tǒng)外業(yè)流程

背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)因內(nèi)置多個不同的高精度傳感器，且基于慣導(dǎo)系統(tǒng)解算點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每個不規(guī)范的操作，都可能導(dǎo)致點(diǎn)云精度降低，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致點(diǎn)云無法解算。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，規(guī)范作業(yè)是保證解算合格點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。因此，外業(yè)掃描的注意事項(xiàng)主要有：

（1）合理規(guī)劃掃描路徑，避免來回走重復(fù)路線，導(dǎo)致點(diǎn)云重影；（2）外業(yè)掃描過程中，身后和兩側(cè)避免出現(xiàn)移動的人或物體；

（3）作業(yè)員盡量避免大幅度動作，禁止掉頭、急轉(zhuǎn)彎等導(dǎo)致儀器姿態(tài)發(fā)生驟變的行為，轉(zhuǎn)彎時應(yīng)盡可能慢速且采用弧形軌跡轉(zhuǎn)彎；

（4） 基站GNSS應(yīng)在掃描設(shè)備開機(jī)前觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并在掃描設(shè)備結(jié)束掃描任務(wù)后方可結(jié)束基站GNSS 測量任務(wù)；

（5）若在高大密集房屋或周圍信號干擾源較多的區(qū)域作業(yè)，應(yīng)采用有線方式連接PC 平板和系統(tǒng)主機(jī)，防止中途無線出現(xiàn)斷連而導(dǎo)致重掃的狀況。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，利用數(shù)字綠土LiDAR 360分析軟件，通過軌跡解算、求取轉(zhuǎn)換參數(shù)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、相片處理、點(diǎn)云解算等步驟對掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。在實(shí)際掃描過程中，如果出現(xiàn)GNSS 信號長時間失鎖的情況，還需要采用SLAM 技術(shù)進(jìn)行解算，方可得到合格的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程如下：

（1） 軌跡解算。經(jīng)軌跡解算后得到掃描的原始軌跡，通過軌跡判斷外業(yè)掃描是否覆蓋整個測區(qū)，采集的數(shù)據(jù)是否有遺漏。

（2）求取轉(zhuǎn)換參數(shù)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于背包式SLAM三維激光掃描系統(tǒng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為WGS-84 坐標(biāo)系，而目標(biāo)坐標(biāo)系則要求采用CGCS2000 坐標(biāo)系，因此，在測區(qū)周邊均勻布設(shè)若干控制點(diǎn)，使用GPS-RTK 采集其絕對地理坐標(biāo)，用于計(jì)算WGS-84 坐標(biāo)系到CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并將計(jì)算后的參數(shù)輸入軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（3）相片處理。利用軟件提取照片的外方位元素并拼接全景照片，用于點(diǎn)云著色并生成彩色點(diǎn)云，該全景照片也可基于專業(yè)軟件進(jìn)行立體測圖。

（4）點(diǎn)云解算。采用前期計(jì)算的轉(zhuǎn)換參數(shù)將軌跡轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系下，再利用軟件進(jìn)行解算，最終獲取目標(biāo)坐標(biāo)系下的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測區(qū)局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 測區(qū)局部彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.4 線劃圖繪制

將彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS 成圖軟件，進(jìn)行線劃圖繪制，因房屋為面要素，但實(shí)際作業(yè)過程中繪制的為多段線組合的閉合區(qū)域，需要手工逐個創(chuàng)建面要素，效率極其低下，而且容易產(chǎn)生遺漏。結(jié)合農(nóng)村地籍調(diào)查任務(wù)實(shí)際情況，農(nóng)村房屋主要由磚房、簡房、棚房、破房、在建房、牲口房等構(gòu)成，其他種類的要素地物非常少。內(nèi)業(yè)作圖中，可先根據(jù)實(shí)際情況對每個房屋線段構(gòu)成的面域進(jìn)行文本標(biāo)記，再根據(jù)標(biāo)記的文本搜索包含該文本的閉合“面”（多段線組成的封閉區(qū)域），并自動構(gòu)面，最后根據(jù)文本內(nèi)容將構(gòu)成的面域分層。將分層的數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS 成圖軟件，即可實(shí)現(xiàn)批量符號化，極大地提高工作效率。之后，只需要將上述已構(gòu)面的成果格式轉(zhuǎn)換為DWG 格式，再采用CASS 軟件以分層形式批量符號化。

實(shí)例證明，該自動構(gòu)面技術(shù)方案完全可行，極大提高了地籍測繪內(nèi)業(yè)作業(yè)效率，測區(qū)局部線劃圖成果如圖4 所示。

圖4 測區(qū)局部線劃圖

3.5 精度分析

傳統(tǒng)測量技術(shù)通過距離交會、截距法等方法獲取隱蔽房角點(diǎn)的坐標(biāo)，測量時需要多次搬站，必將影響作業(yè)效率和測量精度[6]，這一直是房地一體測量工作的難題，而背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)利用自身的SLAM 算法和慣導(dǎo)系統(tǒng)可以解決大部分隱蔽房角點(diǎn)的測量難題。

為了驗(yàn)證背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)的測量精度，本文利用傳統(tǒng)測量技術(shù)（GPS +全站儀和測距儀）對選取的50 個隱蔽房角點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，并將實(shí)測坐標(biāo)與點(diǎn)云量測的坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如表1 所示。

表1 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)（單位：m）

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)和中誤差計(jì)算公式：

公式（2）中，m為中誤差，n為檢查點(diǎn)個數(shù)，通過計(jì)算得出50 個隱蔽房角點(diǎn)的最大誤差為0.042m，中誤差為±0.028m，測量精度滿足《地籍測繪規(guī)范》的要求。

3.6 效率對比

本次房地一體測量工作完成后，項(xiàng)目組將應(yīng)用背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)和傳統(tǒng)測量方法的生產(chǎn)效率進(jìn)行了比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 生產(chǎn)效率統(tǒng)計(jì)

通過表2 數(shù)據(jù)可以看出，在相同工作量的前提下，采用背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)開展房地一體測量需要2 個工日，與利用GPS-RTK 和全站儀測量需要10個工日相比，生產(chǎn)效率提高了5 倍，節(jié)省了人力物力，應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明：與傳統(tǒng)的房地一體測量手段相比，背包式SLAM 三維激光掃描系統(tǒng)具有效率高、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集全面等優(yōu)勢，有效解決了房地一體測量中隱蔽房角點(diǎn)難以采集的難題，不僅減少了人力物力的投入，而且測量精度也完全滿足相關(guān)規(guī)范的要求，為房地一體測量提供了嶄新的數(shù)據(jù)獲取方式，為加快推進(jìn)不動產(chǎn)確權(quán)登記工作提供了重要的技術(shù)支撐，應(yīng)用前景廣闊。