背包式SLAM三維激光掃描系統在房地一體測量中的應用

歐陽樂

（廣東省地質局第七地質大隊，廣東 惠州 516000）

1 引言

房地一體測量是不動產登記的基礎工作。房地一體，即同步開展農村地籍測量和房產測量，從而形成統一的農村土地和房屋空間信息數據，在此基礎上進行統一確權登記，為廣大農民合法擁有的不動產頒發房地一體不動產權證書。傳統的房地一體測量方法存在勞動強度大、外業效率低、房屋密集處GPS 信號差、容易造成數據遺漏等不足[1]；航空攝影測量技術雖然得到了廣泛應用，但受制于農村房屋普遍存在房檐，且房屋間相互遮擋嚴重，當遇到狹窄巷道時，航空攝影測量技術也難以獲取全方位的房屋數據。

當前，三維激光掃描技術因具有高精度、非接觸、能獲取物體三維坐標信息等優勢而被廣泛關注[2]。在不同搭載平臺下，架站式激光掃描儀因需要架設多個測站，效率不高，且點云拼接工作量較大；車載式激光掃描儀受路況限制導致點云不夠全面，整體工作效率相較于傳統作業方式也不顯著。背包式SLAM 三維激光掃描系統彌補了以上兩種激光掃描儀的不足，不僅可以深入房屋密集區域采集數據，還可以同時采集室內三維點云數據，將點云數據進行解算和處理后導入成圖軟件即可繪制不動產圖件，有效解決了不動產調查中數據采集不全、調查效率緩慢等問題。

2 背包式SLAM 三維激光掃描系統簡介

2.1 系統構成和原理

背包式SLAM 三維激光掃描系統是一個基于SLAM（同步定位與成圖）算法，集成激光雷達、慣性導航、全景相機等多種技術的室內外一體化三維移動測量系統[3]。系統可不依賴于GPS，利用高精度的SLAM 算法和慣導進行實時數據拼接和成圖，使得邊采集邊成圖的作業模式成為現實。背包式SLAM 三維激光掃描系統主要由硬件系統和軟件系統兩大部分組成，硬件系統用于外業獲取高精度的三維點云數據，軟件系統用于處理外業采集的點云數據。

研究以數字綠土LiBackpack DGC50 背包激光雷達掃描系統為例，其硬件系統主要包含激光掃描儀、相機系統、組合導航系統、系統主機、遠程控制系統等，其中組合導航系統由GNSS 全球導航衛星系統和IMU 慣性導航系統組成。軟件系統主要為強大的三維點云后處理軟件JRC，可實現大場景建模、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的重要組成部分，該系統在儀器內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，它可以引導掃描設備發射的激光束以相同的角速度進行掃描。配備的激光測距儀可以主動向目標物體發射具有強反射性質的激光，激光照射到目標地物后并反射回來，根據反射的時間差可測出距離，再根據系統內置的測角系統可得出發射激光時的瞬時角度。由測得的距離和已知角度，經過幾何運算求得目標地物相對于激光設備的三維坐標[4]，目標地物點位坐標的計算模型如圖1 所示。

圖1 背包式三維激光掃描儀空間點位計算模型

圖1 中，S為激光探測系統獲取被測目標至掃描中心的距離，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P（X，Y，Z）空間點位坐標的計算公式為：

2.2 系統優勢

背包式SLAM 三維激光掃描系統的優勢主要如下：

（1）效率高。針對城鎮或鄉村不動產調查，由于遮擋比較嚴重，GPS 經常失鎖導致精度不夠，一般用全站儀測量房屋的四個面，然后內業成圖，但效率低、投入大，項目和項目之間存在數據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 平方米不動產數據，加上內業解算和出圖環節，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重量約5 公斤，外業采集簡單快捷，只要背在身上不停地走，系統即可自動完成實時匹配和成圖，不需要做站點拼接。此外，結合先進的測圖軟件，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，還可以計算房屋的面積（全面積、半面積），進行標高、層數等屬性的標注，同時形成的三維空間點云和模型數據存檔后可供后期隨時查看和校驗[5]。此外，自動生成的全景數據還可以用于創建VR 漫游場景。

3 試驗分析

3.1 試驗區概況

選取某集聚型自然村莊為試驗區域，測區長約260m、寬約80m，約72 宗地，測區內的房屋密度較大、建筑結構復雜、道路非常狹窄，測量要素繁多。本次試驗利用北京數字綠土LiBackpack DGC50 背包激光雷達掃描系統進行外業數據采集，點云數據處理利用數字綠土LiDAR 360 激光雷達點云數據處理分析軟件，線劃圖繪制利用南方CASS 成圖軟件。

3.2 外業數據采集

試驗利用背包式SLAM 三維激光掃描系統開展外業數據采集，采集流程主要分為儀器準備、基站測量、掃描設備姿態數據檢校、掃描作業等步驟，具體如圖2 所示。

圖2 背包式SLAM三維激光掃描系統外業流程

背包式SLAM 三維激光掃描系統因內置多個不同的高精度傳感器，且基于慣導系統解算點云數據，每個不規范的操作，都可能導致點云精度降低，嚴重時可能導致點云無法解算。在外業數據采集過程中，規范作業是保證解算合格點云數據的基礎。因此，外業掃描的注意事項主要有：

（1）合理規劃掃描路徑，避免來回走重復路線，導致點云重影；（2）外業掃描過程中，身后和兩側避免出現移動的人或物體；

（3）作業員盡量避免大幅度動作，禁止掉頭、急轉彎等導致儀器姿態發生驟變的行為，轉彎時應盡可能慢速且采用弧形軌跡轉彎；

（4） 基站GNSS應在掃描設備開機前觀測衛星數據，并在掃描設備結束掃描任務后方可結束基站GNSS 測量任務；

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

3.3 內業數據處理

外業數據采集結束后，利用數字綠土LiDAR 360分析軟件，通過軌跡解算、求取轉換參數與坐標轉換、相片處理、點云解算等步驟對掃描的點云數據進行處理分析。在實際掃描過程中，如果出現GNSS 信號長時間失鎖的情況，還需要采用SLAM 技術進行解算，方可得到合格的點云數據。內業數據處理流程如下：

（1） 軌跡解算。經軌跡解算后得到掃描的原始軌跡，通過軌跡判斷外業掃描是否覆蓋整個測區，采集的數據是否有遺漏。

（2）求取轉換參數與坐標轉換。由于背包式SLAM三維激光掃描系統采集的點云數據為WGS-84 坐標系，而目標坐標系則要求采用CGCS2000 坐標系，因此，在測區周邊均勻布設若干控制點，使用GPS-RTK 采集其絕對地理坐標，用于計算WGS-84 坐標系到CGCS2000坐標系的轉換參數，并將計算后的參數輸入軟件進行轉換。

（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，用于點云著色并生成彩色點云，該全景照片也可基于專業軟件進行立體測圖。

（4）點云解算。采用前期計算的轉換參數將軌跡轉換到目標坐標系下，再利用軟件進行解算，最終獲取目標坐標系下的彩色點云數據，測區局部點云數據如圖3 所示。

圖3 測區局部彩色點云數據

3.4 線劃圖繪制

將彩色點云數據導入南方CASS 成圖軟件，進行線劃圖繪制，因房屋為面要素，但實際作業過程中繪制的為多段線組合的閉合區域，需要手工逐個創建面要素，效率極其低下，而且容易產生遺漏。結合農村地籍調查任務實際情況，農村房屋主要由磚房、簡房、棚房、破房、在建房、牲口房等構成，其他種類的要素地物非常少。內業作圖中，可先根據實際情況對每個房屋線段構成的面域進行文本標記，再根據標記的文本搜索包含該文本的閉合“面”（多段線組成的封閉區域），并自動構面，最后根據文本內容將構成的面域分層。將分層的數據導入南方CASS 成圖軟件，即可實現批量符號化，極大地提高工作效率。之后，只需要將上述已構面的成果格式轉換為DWG 格式，再采用CASS 軟件以分層形式批量符號化。

實例證明，該自動構面技術方案完全可行，極大提高了地籍測繪內業作業效率，測區局部線劃圖成果如圖4 所示。

圖4 測區局部線劃圖

3.5 精度分析

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，測量時需要多次搬站，必將影響作業效率和測量精度[6]，這一直是房地一體測量工作的難題，而背包式SLAM 三維激光掃描系統利用自身的SLAM 算法和慣導系統可以解決大部分隱蔽房角點的測量難題。

為了驗證背包式SLAM 三維激光掃描系統的測量精度，本文利用傳統測量技術（GPS +全站儀和測距儀）對選取的50 個隱蔽房角點進行實測，并將實測坐標與點云量測的坐標進行對比分析，對比結果如表1 所示。

表1 檢查點精度統計（單位：m）

根據表1 數據和中誤差計算公式：

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

3.6 效率對比

本次房地一體測量工作完成后，項目組將應用背包式SLAM 三維激光掃描系統和傳統測量方法的生產效率進行了比較，統計結果如表2 所示。

表2 生產效率統計

通過表2 數據可以看出，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，生產效率提高了5 倍，節省了人力物力，應用效果顯著。

4 結束語

實踐證明：與傳統的房地一體測量手段相比，背包式SLAM 三維激光掃描系統具有效率高、環境適應強、數據采集全面等優勢，有效解決了房地一體測量中隱蔽房角點難以采集的難題，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規范的要求，為房地一體測量提供了嶄新的數據獲取方式，為加快推進不動產確權登記工作提供了重要的技術支撐，應用前景廣闊。