HERON LITE移動測量系統在房地一體中的應用

車 森,劉海硯,陳曉慧,葛 磊

(信息工程大學,鄭州 450001)

房地一體是我國房屋所有權和土地使用權關系的描述，農村房地一體調查指的是對農村宅基地與房屋進行一體化調查。對測繪地理信息行業來說，房地一體旨在查清農村宅基地、集體建設用地及地上房屋的權屬、位置、界址、用途等情況，建立農村房地一體權籍數據庫。在房地一體項目中，主要測繪任務是農村地籍測量和房屋測量。借助精密儀器和科學方法，測量權屬界線、界址、位置、形狀、面積等實際信息，按照不動產證的要求形成一宗一檔的成果材料，為土地登記提供依據。

1 房地一體項目測量常用方法

1.1 傳統測量

傳統的不動產測量通常采用GPS-RTK 結合全站儀的實地測量方法[1-2]，在開展房地一體項目時，傳統測量技術效率相對較低，人工作業勞動強度較大，存在隱蔽點難以量測、圖根控制點不易保存、測量累計誤差較大等問題，全站儀和RTK一次采集一個點，需要花費大量時間和人力來獲取一個區域的信息。同時對控制點的布設密度、測量精度以及作業人員專注度都有一定要求。內業成圖需要記錄草圖或現場照片才能較高效的處理數據成圖。

1.2 傾斜攝影測量

基于無人機技術的傾斜航空攝影測量，可以快速自動生成實景三維模型[3-4]，但為了滿足房地一體測量平面中誤差5 cm的精度需求，通常情況下1 km2范圍需要布設約50個控制點，同時需要布設檢查點，控制點如果布設太密，既浪費人力和物力，同時也會影響后期數據處理速度，控制點布設密度小于該值的話則會導致精度降低。而且控制點測量精度必須優于3 cm才能滿足要求，需要多次測量取平均值，位置盡量選擇較平坦的地面，盡量不要選擇房屋角點或者高低不平的角點作為控制點，避免內業人員在刺點時發生誤判導致數據精度不滿足要求。另外，利用傾斜攝影方法構建的三維模型，在房屋密集地區，遮擋部分對模型影響較大，會出現拉花與變形，無法進行準確量測。這種情況還需要作業員利用儀器到實地補測，對項目的實施管理有更高要求。

1.3 激光測量

激光掃描技術近年來發展迅速，它能夠直接快速地獲取目標的表面三維信息[5]，已經成為一種重要的三維空間數據獲取手段，在測繪[6]、機器人[7]、無人駕駛[8]等領域得到廣泛應用。SLAM (同步定位與制圖技術)最早起源于機器人領域[9]，指的是機器人從未知環境的未知地點出發，在運動過程中通過重復觀測，利用得到的地圖特征(墻角、柱子等)來定位自身的位置和姿態，然后再根據自身位置構建周圍環境的增量式地圖，從而可以達到同時定位和地圖構建。基于激光雷達的SLAM(Lidar SLAM)采用2D或3D激光雷達，可以高效地獲取室內或者室外場景的三維點云數據，近年來在測繪領域得到廣泛應用[10-13]。

利用無人機載激光與SLAM掃描儀開展房地一體測量時，機載激光可以高效地采集屋頂、閣樓梯間和樓層等區域，SLAM掃描儀針對屋檐、棚戶區域進行高效完整的采集。利用兩者結合的方式，無需布置地面控制點，僅用機載的極少數控制點就能融合整體數據，傾斜攝影測量方式1 km2需要30個地面控制點，機載激光只需要3個點，在與SLAM的數據進行“拼接”后，對整體進行平移和旋轉，不需要控制點轉坐標。SLAM相對測量精度2～3 cm，以機載數據為基準進行融合匹配。

2 HERON LITE便攜式移動測量系統

近年來，隨著大型商場、地下礦井等室內及地下場景三維建模需求的增多，便攜式移動激光掃描儀得到廣泛應用，中海達子公司武漢海達數云技術有限公司推出的基于激光SLAM技術的 HERON LITE便攜式移動測量系統，是室內建筑、小型基礎設施、地下礦山和洞穴進行快速三維測量的理想選擇。該系統可單人操作，無需初始化程序，且具備強大的專利SLAM算法，適應多種環境，有助于破解房地一體的行業弊端，填補三維激光掃描儀市場的空白[14 -15]。

文中利用HERON LITE便攜式移動測量系統開展實驗，其核心部件包括全景攝像機、激光掃描儀、慣性測量單元、伸縮桿、外部電源、控制板、HERON桌面(后處理)和重建軟件(注冊和特征提取)，如圖1所示。

圖1 HERON LITE便攜式移動測量系統

該系統主要特點為：

1) 輕便自動，掃描儀重2.5 kg，操控平板重1.4 kg，操作簡單方便，點云預處理時間短，自動化程度高。

2)測量復雜性低，工作量小，無需GPS信號，可靈活進入狹小空間采集數據，具有連貫性，實現室內外、地上地下一體化掃描作業。 采集無需初始化，采集軌跡無需閉環，即停即走。

3) 軟件兼容性高，軟件與國際多種主流工具兼容，支持DOM成果數據導入。

4)適應多種環境，長時間工作故障率低，可快速獲得所需點云數據，數據精度高； 并可與固定測站式三維激光系統、機載三維激光系統配合使用，

3 房地一體測量應用

3.1 測圖流程

文中選擇實驗區域隸屬貴州榕江縣某村與廣州清遠市某村，測區主體為農房，貴州山區地勢起伏較大，廣州區域地勢大部分趨于平坦，地面要素主要為房屋、道路、高壓線塔、農田等，測區總范圍較廣，但單個任務測區較小，文中在貴州區域采用無人機載激光與HERON LITE便攜式掃描儀采集數據，廣州區域只采用HERON LITE便攜式掃描儀采集數據，主要任務是測量房屋的尺寸、占地面積，采集陽臺、飄窗、圍墻、豬圈等要素的位置，便于后期“辦證”。測圖流程如圖2所示。

3.2 數據內業處理

1)數據解算階段。數據解算使用HERON Desktop軟件，它可以直接導入外業采集的點云數據，還具備點云加密處理、創建參考地圖等功能。處理數據的時間與計算機的配置、掃描所需的時間有關。一般來說，求解時間約為掃描時間的1.5～2倍。點云數據的整體三維效果可以在重建預處理軟件中查看，如圖3所示。

圖2 房地一體測圖流程

圖3 外業點云顯示效果

同一測點的外部點云可以由任何激光掃描儀儀器采集，并導入HERON桌面作為參考掃描，以便加快后處理進程和在HERON桌面中直接對數據進行地理參考并快速優化最終調查。

不僅控制點可以對項目進行地理參考，還可以掃描已進行地理參考的部分(也可以是地面掃描儀或者機載掃描儀的一部分)，用作調整HERON LITE軌跡的約束。

2)數據后處理階段。通過全自動預處理完成的點云數據可以直接導入重建軟件進行拼接、坐標轉換、切割和分割，簡化后直接輸出項目文件。

在測區內不同的平面位置處選取4個棱角分明的特征點，用RTK對這些控制點測出大地坐標值，利用這4個控制點，可以將整個點云數據進行坐標轉換，如圖4所示。

3)精度驗證。文中通過全站儀驗證點來驗證激光坐標精度，文中選擇部分掃描點位與實測點進行誤差計算，得出點云精度分析報告，其精度滿足房地一體測量要求，如表1所示。

表1 部分點位點云精度分析報告

續表1

圖4 利用控制點進行坐標轉換

3.3 依據點云成圖

經過后處理的點云數據可直接導入AUTOCAD軟件進行三維測圖，圖5為CAD測圖效果。

3.4 作業效率對比

表2為常用測量方法進行房地一體測量的效率對比，從表中可以看出，機載激光加SLAM掃描儀效率最高，采集效率可達120～150戶/(人·d)，而且所需控制點數量最少。此處的“戶”統計的是廣州清遠市某村的數據，該地區房屋較為密集，每戶面積約150 m2。

圖5 依據點云測圖效果

4 結束語

近年來隨著SLAM技術迅速發展，激光SLAM在測繪領域得到廣泛應用，文中介紹房地一體項目測量常用方法，分析其優缺點，并利用HERON LITE便攜式移動測量系統開展房地一體測量實驗，該系統不需要大規模布設像控點，減少外業工期，在某些無人機無法掃描的區域，可以進行補充，保證房屋墻面的完整性，提高數據精度。即便遮擋很嚴重無GNSS信號的區域，也可以通過SLAM算法采集房屋墻面，獲得墻體位置。其配套制圖軟件符合CAD用戶習慣，依據清晰點云，可以實現高效測圖及符號化。

表2 不同作業方式效率對比