背包式三維激光掃描儀在村莊地籍調查工作底圖測量中的應用

岳 順，蔡東健，周旺輝，邢萬里，沈姜威，崔宸洋，高筆清

（1. 蘇州工業園區測繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215027）

隨著城鎮化進程的加快，村莊地籍調查工作底圖測量正在緊鑼密鼓的推進。村莊地籍調查工作底圖測量工作具有復雜多變、時間緊、任務重等特點，傳統的GPS、全站儀和測距儀的組合測量已不能滿足日益增長的測量工作要求[1-4]。如何快速獲取高質量的建筑物信息，已成為地籍測量項目的關鍵工作[5]。三維激光掃描技術可快速大面積獲取掃描區域的三維點云數據和影像信息，正在逐步替代傳統的作業手段[6]。目前常用的三維激光掃描設備載體包括機載、車載和地面式[7]3種。近年來，背包式三維激光掃描儀開始走向市場，并逐漸應用到測繪相關業務中[8-10]。背包式三維激光掃描儀具有作業效率高、信息采集豐富和操作簡單等特點[11-14]。其以掃描視角的多樣性和互補性的特點逐漸成為智慧城市三維數據快速獲取的重要手段[15]。本文研究了徠卡背包式三維激光掃描儀的技術特征，結合實際村莊地籍調查底圖測量工作，分析了該設備在地籍測量項目的可行性，并與傳統技術手段進行了對比分析，為測繪新技術在地籍測量的應用提供了技術參考[16]。

1 背包式三維激光掃描系統

1.1 外業掃描

Pegasus Backpack 是徠卡測量系統推出的全新移動實景測量背包[7]，配備5 個相機和兩個激光掃描儀，通過平板電腦控制系統，采用碳纖維材質和人體工學設計制作而成，是當前市場上集高性能、高精度和便攜性于一體的高端移動測量背包系統[9]。其主要參數如圖1所示。

圖1 Pegasus Backpack測量系統參數

Pegasus Backpack集成了GNSS、慣性導航、攝影測量和三維激光掃描等前沿科技，GNSS 提供測量設備的準確位置，慣性導航采集測量設備的前進方向和照相機姿態，攝影測量根據GPS 和慣導數據得到外方位元素等信息，三維激光掃描獲取周圍海量點云數據。該系統屬于技術領先、精度可靠的測量采集裝備，可實現無需通視、單人作業的采集作業模式。

1.2 內業處理

Pegasus Backpack 通過可穿戴的移動掃描方式完成數據采集工作。Pegasus Backpack 外業掃描結束后，內業處理分別利用Inertial Explorer、Infinity 和Pegasus Manager軟件進行軌跡解算、坐標系構建和點云處理。

內業處理詳細流程為：①收集原始掃描數據、基準站、流動站和控制點數據，為后續點云解算提供數據基礎；②利用Inertial Explorer 對基站數據進行轉換和組合式軌跡解算，生成最終的點云軌跡數據；③利用Infinity 定義坐標系轉換和投影參數，將原始點云數據轉換到需要的坐標系；④利用Pegasus Man?ager 進行照片提取、SLAM 處理和點云生成等操作；⑤通過控制點糾正點云數據，獲得高質量的點云數據，如圖2所示。

圖2 Pegasus Backpack測量系統內業數據處理流程圖

2 實驗分析

實驗區域選取蘇州市吳中區三星村，長約260 m、寬120 m，總面積為31 200 m2。該區域的房屋建筑結構復雜，測量要素繁多，村民隨意搭建建筑，建筑風格各異，在常規測量模式下，需要大量的測量人員，效率低下，滿足不了甲方的迫切要求。

本次首次采用徠卡Pegasus Backpack 進行掃描測試，外業掃描結束后得到的點云如圖3 所示，可以看出，三星村的房屋呈緊湊型、密度大、道路狹窄，GPS在農村道路上信號不佳，遮擋較嚴重，需要全站儀多次架站；常規作業難度過大、效率過低。本文采用MicroStation Connect Edition 自主開發的三維測圖軟件，其具有點云編輯、建筑物輪廓線自動提取和快速成圖等功能，可快速處理海量點云數據。本文利用該軟件繪制的三星村地籍成果圖如圖4所示。

圖3 三星村地籍點云圖

圖4 三星村地籍成果圖

為了驗證背包點云的精度和效率，本文在三星村抽樣選取了部分房角點和房屋邊長，利用傳統測量技術（GPS+全站儀和測距儀）進行實測，并將實測值與點云的成果圖進行對比分析。傳統測量技術是利用GPS測設控制點，全站儀架設在控制點上，以另外一個GPS控制點作為后視定向，以全站儀為主、測距儀為輔，完成房角點和房屋邊長測量。對比結果如圖5～6所示，可以看出，背包點云與傳統測量技術獲得的房角點平面位置中誤差為4.1 cm，獲得的房屋邊長實測值中誤差為2.5 cm，GPS 信號不佳的地方房屋邊長誤差較大。

圖5 背包點云和傳統測量技術獲得的房角點平面誤差和誤差統計圖

圖6 背包點云和傳統測量技術獲得的房屋邊長誤差和誤差統計圖

隱蔽房角點需要多次搬站，必將影響作業效率和精度，該項工作是地籍測量的難題。傳統測量技術通過距離交會、截距法等方法獲取隱蔽房角點的坐標，而背包式三維激光掃描儀利用自身的SLAM 算法和慣導系統可解決大部分隱蔽房角點的測量難題，剩余的隱蔽房角點則通過傳統測量技術進行補測。為了驗證背包式三維激光掃描儀在隱蔽房角點和房屋邊長的測量精度，本文選取了50個隱蔽房角點坐標和30個隱蔽房屋邊長，對比結果如圖7～8所示，可以看出，背包點云與傳統測量技術獲得的隱蔽房角點平面位置中誤差為5.0 cm，獲得的房屋邊長實測值中誤差為3.9 cm，滿足地籍測量精度要求。實驗結果表明，背包點云在測量隱蔽房角點的平面位置和房屋邊長方面，不僅保證了測量精度，還提高了作業效率，避免了傳統測量技術多次搬站造成的影響。

圖7 背包點云和傳統測量技術獲得的隱蔽房角點平面誤差和誤差統計圖

圖8 背包點云和傳統測量技術獲得的隱蔽房屋邊長誤差和誤差統計圖

為了對比兩種作業模式的效率，本文統計了二者的作業時間，結果如表1 所示，可以看出，背包式三維激光掃描儀比傳統測量技術作業時長縮短了53%，降低了一定的工作強度，提高了地籍測量的整體作業效率。

表1 傳統測量技術和背包式三維激光掃描儀作業效率對比

3 結 語

隨著城鎮化建設的不斷發展，為了加快和落實國家對全國農村土地的調查工作，村莊地籍測量項目不斷增加。傳統的GPS+全站儀和測距儀的作業模式受環境和房屋現狀復雜等因素影響，作業效率偏低，不能滿足村莊地籍快速更新的要求。本文采用徠卡背包式三維激光掃描儀對村莊進行外業掃描，生成建筑物海量點云數據，然后利用自主研發的Micro?Station Connect Edition 三維測圖軟件快速繪制村莊地籍調查工作底圖。本文從平面位置精度、相對長度和作業效率等方面，對背包式三維激光掃描儀與傳統測量技術進行了對比分析，結果表明背包式三維激光掃描儀不僅能滿足村莊地籍調查工作底圖的測量要求，解決隱蔽房角點和房屋邊長的測量難題，而且較大幅度地提高了整體作業效率，掃描過程中應注意快速穿過信號不佳區域。背包式三維激光掃描儀為村莊地籍調查工作底圖快速、準確測量提供了新的技術手段。