農村房地一體測量中SLAM 與傳統測量方法的比較

沈 良，毛承逆，張雨祥,2，羅 林

（1. 四川省煤田測繪工程院，四川 成都 610000；2. 成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610000）

隨著計算機科學的快速發展，測繪科學已經從簡單的利用經緯儀、測距儀、全站儀等進行測角、測距、測高、定向和繪圖等多余觀測或重復測量來保證精度和穩定性[1]，開始向高效率直觀化的地理信息和遙感方向發展，如利用無人機獲得正射影像、傾斜攝影進行三維建模，可獲得比傳統測量更直觀且滿足精度要求的數據。利用傾斜攝影可實現室外房產測量、地籍測量和地形圖測量等。徐思奇[2]等對傾斜攝影測量在大比例尺地形圖中的精度進行了評定。然而，在地物較復雜的地籍和房產測量中，尤其是室內房產測量、房間距較緊密的室外房產測量和地籍測量以及樹木遮掩嚴重的地區，傾斜攝影會缺失較多地面信息，從而導致后期三維重建時建筑物最底面的重建效果較差。全站儀、測距儀等傳統測量方法，不僅會出現一個測站點只能測量極少特征點的情況，而且會出現轉站次數增多而導致測量累計誤差增大的情況。IMU慣導測量過程中，在頂部為彩鋼棚的房屋下會造成信號丟失，部分信號較差區域的固定解和慣導信號等待時間較長，最終導致無法測量和時間成本較高的情況。

1986—1990 年Smith 等對已知地圖信息的情況下如何解決定位的問題進行了廣泛研究，清楚地定義了即時定位與地圖構建或并發建圖與定位[3]（SLAM）。相對于測距儀、全站儀、IMU慣導、無人機攝影測量等傳統測量方法，手持式三維激光SLAM 掃描儀在獲取目標地物特征點坐標時不再是以單點形式進行，而是一次性獲取大量地物表面點云，且點云解算、建模以及矢量化也相對簡單[4-6]。由于農村房地一體項目的地形條件較復雜、房屋間距小、樹木遮擋嚴重，全站儀、IMU慣導以及無人機攝影測量無法實現全范圍高精度測量，因此本文介紹了手持式三維激光SLAM 掃描儀的測量系統和作業流程，并與傳統測量方法進行了優勢分析和效能分析。

1 手持式三維激光SLAM掃描儀

本文采用的是GeoSLAM 公司的ZEB Horizon 手持式激光掃描儀，由三維激光雷達、控制器、鷹眼飛螢全景相機和鋰電池組成，并配有兩個軟件系統：①數據解算軟件（GeoSLAM Hub），對三維激光雷達外業采集的數據進行處理，最終形成laz 格式的三維點云數據和piy 格式的軌跡數據；②點云配準抽稀軟件（TrimbleRealWorks），對GeoSLAM Hub 形成的多段點云數據進行配準，形成一段點云數據，并可分割出控制點所在的反射片范圍，對剩余范圍進行抽稀，再將反射片范圍與抽稀范圍進行合并，以便后期進行坐標轉換和CASS成圖。

三維激光雷達的主要參數：16通道，精確度為±3 cm，旋轉速率為5～20 Hz，測量距離約為100 m，每秒輸出最高可達30萬點，采用傾斜安裝旋轉的方式，可實現垂直360°和水平270°的掃描范圍。手持式三維激光SLAM 掃描儀結構如圖1 所示，主要技術參數如表1所示。

圖1 手持式三維激光SLAM掃描儀結構

表1 三維激光SLAM掃描儀技術參數

2 數據處理流程

在農村房屋測量中，采用手持式三維激光SLAM掃描儀作業的數據處理流程為：

1）控制點布設。在外圍均勻布設3 個以上控制點，在內部選取兩個以上控制點，用以控制整個區域，在控制點處布設高反射的反光片。

2）外圍整體掃描。根據先整體后局部的思路，對區域外圍進行全方位掃描。

3）局部掃描。每條巷道掃描時間控制在20 min，走閉合路線。

4）數據解算。利用配套的GeoSLAM Hub5.0軟件進行數據解算，得到laz文件。

5）數據拼接。以外圍點云為基準點云，利用Trimble RealWorks 11.2 軟件將各局部點云通過選取公共點的方式進行配準，得到整個區域的點云文件。

6）坐標定義。利用Trimble RealWorks 11.2 軟件定義坐標，均勻選取3 個以上外圍控制點輸入坐標，內部控制點用于檢驗。

7）內業矢量化。利用CASS10.1 進行矢量化，得到最終成果地籍圖。

3 與傳統測量方法的優勢分析

采用傳統測量方法開展不動產測繪的質量影響因素多，對技術人員水平的要求高，成果質量難以控制。本文將基于SLAM 技術的測繪方法與全站儀、慣導RTK以及航空傾斜攝影測量方法進行全面的對比分析。在對比分析中進行精度驗證，采用同精度檢測，中誤差的計算公式為：

式中，n為檢測點數量；Δ2為檢測點在X、Y方向上與真實值的較差。

界址點精度[7]要求如表2所示。

表2 解析界址點的精度要求

3.1 與全站儀測圖方法的對比分析

全站儀測圖方法首先在已知點上進行架站，然后在儀器上進行測站設置和角度后視，經驗證儀器架設在正確定位點位置后，開始測量工作。與全站儀測圖方法相比，手持式三維激光SLAM 掃描儀的優勢主要包括：

1）在地形復雜區域，地物點云獲取便捷，無累積誤差。在地形平坦區域采用全站儀進行外業測量比較實用；但在地形復雜且已知點較少的情況下，全站儀不僅會導致支站次數較多，而且部分地區無法支站。例如，在農村房地一體外業測量過程中，存在房屋一側或兩側不到1 m 處為山體或陡坎的情況，但附近沒有已知控制點，就需要全站儀進行多次支站，進而導致累計誤差增加、作業效率降低。采用手持式三維激光SLAM 掃描儀可完整獲取測區的地物點云，在全站儀無法到達或需要支站次數較多的區域，其僅需十余秒便可完成外業掃描，且不存在累積誤差。

2）地物特征點精度較高，無人為觀測誤差。采用全站儀棱鏡模式進行室外房產測量時，由于棱鏡具有一定厚度，因此棱鏡中心點與實際房角點不能完全吻合，房檐較高，外業人員采用的垂直投影方式也不能與實際房檐的平面坐標完全吻合，會出現棱鏡還未正確擺放便已進行觀測而導致的人為操作誤差。采用全站儀免棱鏡模式，在儀器與地物距離較長時，易產生誤差較大和點數據漂移的情況。如圖2 所示，手持式三維激光SLAM 掃描儀得到的點云數據與地物符合度較高，基于三維點云數據可精確提取地物特征點的三維坐標，房屋、房檐的拐角較明顯，且點云數據均由儀器自動獲取。通過對比分析可知，利用三維點云數據進行內業矢量化得到的地物數據精度高于全站儀測圖方法。

圖2 房屋點云數據示意圖

本文以測距儀量測的邊長為基準，分別對利用點云模型、全站儀棱鏡模式和全站儀免棱鏡模式測量相同30條房邊的結果進行了精度驗證，對比結果如表3所示，可以看出，絕對值誤差在0.100 m 以上的基本為觀測誤差或人為操作誤差；全站儀免棱鏡模式出現了5.011 m 的觀測誤差，誤差值較大，產生了點數據漂移現象，還出現了兩次范圍在0.100～1.000 m 的誤差；全站儀棱鏡模式出現了4次范圍在0.100～1.000 m的誤差；手持式三維激光SLAM 掃描儀沒有出現0.100 m以上的誤差；手持式三維激光SLAM掃描儀測量的中誤差、去除在0.100 m 以上邊長較差后的中誤差、最大絕對值誤差以及絕對值誤差差值均相對較小，3 種測量模式的絕對值誤差范圍分別為0.002～5.011 m、0.012～0.168 m、0.002～0.051 m；說明在農村房地一體測量工作中采用手持式三維激光SLAM 掃描儀獲得的邊長精度較高且無人為觀測誤差。

表3 全站儀與手持式三維激光SLAM掃描儀測量精度對比

3）智能化程度更高、外業便捷。不同于全站儀的非接觸測繪，基于SLAM 技術的非接觸測繪只需簡單的開機、在行走過程中無需停頓利用手持儀器對目標地物和控制點反射片進行掃描、關機3 個步驟即可完成外業采集。利用全站儀則需要進行多次支站采集地物特征點，內業成圖時需依靠外業人員的專業能力，外業采集中還容易出現漏測，需要補測情況。

3.2 與慣導RTK測圖方法的對比分析

1）不受信號限制影響。采用慣導RTK 進行外業測量時，依賴于手機運營商網絡信號以及CORS 信號，信號較弱時無法進行有效測量，彩鋼棚下、高樓層建筑密集區域以及偏遠山區的CORS 信號較弱，存在等待信號時間較長、無信號導致無法獲取地物特征點坐標的情況。采用SLAM 技術的測量方法，只需在外圍均勻布設3 個以上的控制點，在內部選取兩個以上的控制點，用以控制整個區域，在控制點處布設高反射的反光片即可，掃描過程中無需信號覆蓋便可獲取地物點云。

2）地物精度較高。針對農村房屋房檐或距離地面有一定距離的特征點進行測量時，采用將慣導RTK機頭放置在特征點上或垂直投影到地面進行平面坐標采集兩種方式都存在一定的測量誤差。利用慣導RTK進行房角測量時，存在一定的儀器誤差，由于儀器傾斜方向不一致會導致房屋邊長存在誤差。手持式三維激光SLAM 掃描儀的三維激光雷達測量距離約為100 m，采用傾斜安裝旋轉的方式可實現垂直360°和水平270°的掃描，針對上述復雜情況，均能高精度的獲取地物點云。本文分別對利用點云模型和慣導RTK測量的相同的37條房屋邊長進行了精度驗證，邊長精度對比結果如表4、5所示，可以看出，手持式三維激光SLAM掃描儀的邊長較差范圍在-0.021～0.019 m，中誤差為0.010 m；慣導RTK 測量的邊長較差范圍在-0.041～0.067 m，中誤差為0.023 m；點云模型的邊長較差和中誤差比慣導RTK 小，說明使用手持式三維激光SLAM掃描儀進行農村房地一體測量工作的精度較高。

表4 手持式三維激光SLAM掃描儀邊長精度檢查結果/m

表5 慣導RTK測量邊長精度檢查結果/m

3.3 與航空傾斜攝影測量方法的對比分析

航空傾斜攝影測量是目前農村房地一體項目廣泛采用的作業方式，雖然具有真實性、高效性、性價比高等優點，但在樹木遮擋較多、房屋不規則的區域仍不能進行全測區的有效測量。

1）不受地物遮擋影響。如圖3所示，山區部分房屋修建在山坡一側陡坎附近，當春、秋季樹木茂盛對房屋遮蓋較多時，無人機航空傾斜攝影測量便不能有效獲取房屋影像，采用“空地一體”的方式雖可獲取房屋被遮擋部位的影像，但需要經驗豐富的飛行人員操控小型無人機進行2～10 m的低空作業，作業難度較高、效率較低，而且無人機事故率較高。采用手持式三維激光SLAM 掃描儀可對上述環境中的地物點云進行高效率零事故率的獲取，如圖4所示。

圖3 樹木遮擋情況下的航空傾斜攝影模型

圖4 房屋背側為山體陡坎點云示意圖

2）點云模型比傾斜模型的平滑度更高。將點云模型與傾斜模型進行對比，結果如圖5 所示，可以看出，點云模型基本可包含房屋內外的細小夾角等細節，房屋成模度較高；在大部分農村房地一體項目中無人機航高在50～120 m，45°傾斜以及外擴角度，基本未采用“空地一體”的作業模式，由于無人機飛行高度高于房屋高度，房屋部分區域沒有覆蓋，模型建模時便無法對這些區域進行建模，從而產生拉花現象，如圖6所示。

圖5 點云數據房屋示意圖

圖6 傾斜攝影模型墻面拉花現象

4 手持式三維激光SLAM掃描儀工作效率分析

本文選取的區域為漢源縣富莊鎮，海拔1 500 m，地勢陡峭；樹木遮蓋較多，高差為40 m，約包含90個房屋、38戶。本文采用手持式三維激光SLAM掃描儀進行外業掃描，用時約為20 min，內業數據解算用時約為30 min，數據拼接和定義坐標用時約為20 min，矢量化成圖用時約為9 h，全流程用時約為10 h；采用全站儀與慣導RTK同時進行外業測量，兩名作業人員為一組需3個工作日，每個工作日外業測量時間約為8 h，當日外業測量完成后晚上進行內業矢量化用時約為4 h，全流程共計用時約為36 h；采用單鏡頭航空攝影測量方法，像控布設用時約為20 min，單鏡頭無人機航空攝影井字形采集用時約為40 min，采用一臺工作站進行內業建模用時約為90 min，矢量化成圖用時約為8 h，但因該地區地勢陡峭且樹木遮蓋較多，采用航空攝影完成內業矢量化采集后，還需再次到達現場進行補調，補調采用慣導和測距儀，外業補調和內業矢量化用時約為8 h，全流程共計用時約為18.5 h。

通過對比3 種作業模式所需的作業時間可知，采用手持式三維激光SLAM 掃描儀進行作業的效率較高，且采用單鏡頭航空攝影測量方法需車輛跟隨，從而增加了車輛租用等成本，因此在農村房地一體項目中，采用手持式三維激光SLAM掃描儀的效率較高。

5 結 語

研究結果表明，將手持式三維激光SLAM 掃描儀用于農村房地一體項目中，其精度可滿足TD/T 1001-2012《地籍調查規程》中的精度要求，可最大限度地減少設備、人員等因素帶來的影響，更好地控制成果質量；且相較于傳統測量方法，SLAM 技術具有儀器精度較高、氣象誤差較小、制圖誤差較小，且不存在引點誤差、對中誤差和觀測誤差的優勢，尤其是在全站儀難以到達、慣導RTK無信號以及無人機拍攝無法覆蓋的區域優勢明顯。