1,、引言

2011年5月，國(guó)土資源部,、財(cái)政部和農(nóng)業(yè)部下發(fā)了《關(guān)于加快農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證工作的通知》,，要求完成農(nóng)村集體土地所有權(quán)證的確權(quán)登記發(fā)證工作,。這項(xiàng)工作意義十分重大，涉及廣大農(nóng)民的切身利益,，對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展影響巨大而深遠(yuǎn),。而確權(quán)需要農(nóng)民群眾的全面參與配合，考慮到農(nóng)民大眾對(duì)確權(quán)所必須的測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)水平,，如何選擇農(nóng)村土地確權(quán)所采用的技術(shù)方法和數(shù)據(jù)源,，也開(kāi)始成為測(cè)繪從業(yè)者著重思考及解決的問(wèn)題。

農(nóng)村土地確權(quán)與各地區(qū)普遍開(kāi)展過(guò)的土地登記有類似的要求及過(guò)程,，傳統(tǒng)的土地空間信息獲取方法多為光電測(cè)距,。這種技術(shù)生產(chǎn)效率較低，成本高,，采集的成果為離散點(diǎn),，不夠直觀,。而采用手持激光雷達(dá)掃描獲取農(nóng)村房屋等對(duì)象的空間三維信息，得到測(cè)區(qū)的密集點(diǎn)云,，生產(chǎn)房地一體所需的地籍空間數(shù)據(jù),，是一種新型且高效的技術(shù)手段。

SLAM系統(tǒng)是近年來(lái)激光掃描儀及定位定姿設(shè)備集成和小型化的優(yōu)秀典型,，SLAM是Simultaneous localization and mapping縮寫,，意為“即時(shí)定位與地圖構(gòu)建”，即掃描儀在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng),，在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位,，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航,。SLAM技術(shù)在移動(dòng)測(cè)量方面具有較好的應(yīng)用,，不依托GNSS信號(hào)，能夠?qū)κ覂?nèi)外環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和建模,。因此,，SLAM技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了測(cè)量的復(fù)雜性，不需要大量地物標(biāo)記點(diǎn),，適用于室內(nèi)外,、地上下多種復(fù)雜場(chǎng)景，對(duì)于解決傳統(tǒng)測(cè)繪中的定位及場(chǎng)景重建問(wèn)題具有廣闊的前景,。

2,、SLAM技術(shù)在農(nóng)村房地一體空間數(shù)據(jù)獲取的主要優(yōu)勢(shì)

農(nóng)村房地一體的測(cè)量對(duì)象主要為房屋及其附屬等地籍要素，這類地物通常較集中密集,，南方及沿海地區(qū)還有層數(shù)較高的特點(diǎn),。此類地形采用傳統(tǒng)的GPS結(jié)合光電測(cè)距測(cè)量方式時(shí)，因空間遮擋,、衛(wèi)星及數(shù)據(jù)鏈信號(hào)較差等原因,，難以得到滿足精度要求的固定解。采用SLAM測(cè)量技術(shù),，因無(wú)需GNSS信號(hào),，且激光掃描對(duì)工作環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能在密集房屋的房地一體測(cè)量中發(fā)揮較好的作用,。具體表現(xiàn)為：①外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率高,，控制點(diǎn)數(shù)量需求少，點(diǎn)云相對(duì)精度*,，房屋邊長(zhǎng)誤差小,，長(zhǎng)巷窄道等區(qū)域可快速獲取空間三維數(shù)據(jù)；②內(nèi)業(yè)點(diǎn)云處理自動(dòng)化程度高，需人工參與的工作少,，不需要大量的計(jì)算資源，較短時(shí)間內(nèi)便能生產(chǎn)較大面積的點(diǎn)云成果,；③系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,，可連貫持續(xù)數(shù)據(jù)采集，對(duì)作業(yè)員的技術(shù)門檻要求低,，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜區(qū)域一體化掃描作業(yè),；④系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集,，能滿足房地一體項(xiàng)目大面積數(shù)據(jù)采集的需要,。

3、SLAM房地一體數(shù)據(jù)采集流程

SLAM房地一體數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)流程包括測(cè)區(qū)劃分（準(zhǔn)備工作）,、控制點(diǎn)設(shè)測(cè),、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理,、數(shù)據(jù)后處理,、房地一體地籍要素采集等內(nèi)容。主要流程如下圖：

圖7 矢量,、點(diǎn)云,、傾斜疊加

3.1測(cè)區(qū)劃分

測(cè)區(qū)劃分是SLAM房地一體數(shù)據(jù)采集前必須進(jìn)行的準(zhǔn)備工作，主要是對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行掃描行進(jìn)路線規(guī)劃,，開(kāi)展測(cè)區(qū)控制點(diǎn)選點(diǎn)設(shè)計(jì),，使測(cè)區(qū)的控制網(wǎng)形合理，行進(jìn)路線閉合時(shí)間符合規(guī)定要求,，保證點(diǎn)云成果精度,。行進(jìn)路線設(shè)計(jì)需考慮目標(biāo)測(cè)區(qū)全部待測(cè)對(duì)象，確保作業(yè)時(shí)所有待測(cè)目標(biāo)能獲取到均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù),，同時(shí)重復(fù)掃描的冗余路段最少,，提高作業(yè)效率[6]，防止點(diǎn)云厚度過(guò)大,。按照經(jīng)驗(yàn),，每個(gè)測(cè)區(qū)的掃描行進(jìn)路線閉合時(shí)間不能大于25分鐘，同時(shí)不應(yīng)小于20分鐘,。大于25分鐘容易出現(xiàn)點(diǎn)云精度超限,，小于20分鐘綜合效率較低，在20至24分鐘之間的方案較優(yōu),。

3.2控制點(diǎn)設(shè)測(cè)

控制點(diǎn)設(shè)測(cè)是保證掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度最重要的工序之一[7],。通常每個(gè)掃描測(cè)區(qū)需布設(shè)3至5個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)需遵循邊沿控制原則（應(yīng)布設(shè)在每個(gè)測(cè)區(qū)的外邊沿）,，分布均勻合理（應(yīng)布設(shè)在測(cè)區(qū)的四角）,，同時(shí)應(yīng)滿足相臨兩測(cè)區(qū)（測(cè)次）有1至2個(gè)的公共控制點(diǎn),。控制點(diǎn)測(cè)量可采用RTK施測(cè),，設(shè)置歷元數(shù)為2,，測(cè)次數(shù)為25，精度平差報(bào)告合格率大于80%時(shí)采用點(diǎn)成果,。

3.3數(shù)據(jù)采集

采用SLAM獲取房地一體要素點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常采用兩人配合的方式進(jìn)行,。主測(cè)人配帶SLAM設(shè)備執(zhí)行掃描作業(yè)，協(xié)測(cè)人配帶控制點(diǎn)標(biāo)靶片和線路規(guī)劃圖,，在主測(cè)人前按規(guī)劃線路引走領(lǐng)航,。協(xié)測(cè)人需仔細(xì)觀察并記錄主測(cè)人的行進(jìn)時(shí)間和距離，提前在需掃描的控制點(diǎn)上,，按規(guī)定放置標(biāo)靶片,。主測(cè)人應(yīng)在每個(gè)控制點(diǎn)上用SLAM掃描標(biāo)靶片5至8秒鐘，完成后繼續(xù)按設(shè)計(jì)線路行進(jìn),。協(xié)測(cè)人收起標(biāo)靶片重新領(lǐng)航,，直至主測(cè)人按設(shè)計(jì)路線完成測(cè)區(qū)掃描工作，并回到起掃點(diǎn)閉合,。

按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn),，增加掃描行進(jìn)路線閉合環(huán)的數(shù)量，可有效提高點(diǎn)云成果的匹配精度和相對(duì)點(diǎn)位精度,。掃描作業(yè)過(guò)程中儀器須保持勻速平穩(wěn)前進(jìn),，避免出現(xiàn)原地轉(zhuǎn)圈、突然跳躍,、方向陡變等情況,，防止點(diǎn)云成果分層；作業(yè)過(guò)程中,，可登上一些較高建筑的頂部,，在視線寬闊的位置采集周圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高點(diǎn)云成果的覆蓋度,。每測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集均需填寫工作日志,，記錄工程名稱、測(cè)區(qū)號(hào),、掃描起止時(shí)間,、所測(cè)控制點(diǎn)編號(hào)等信息，提供內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用,。

3.4數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是對(duì)外業(yè)采集的點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)用配套的軟件進(jìn)行初始解算,、測(cè)區(qū)配準(zhǔn)（拼接）、分層檢查、格式轉(zhuǎn)換等操作,。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要利用軟件的自動(dòng)化執(zhí)行[8],，實(shí)際作業(yè)主要是設(shè)置軟件相關(guān)參數(shù)。通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值,，把小測(cè)區(qū)點(diǎn)云合并為大測(cè)區(qū),，同時(shí)檢查數(shù)據(jù)是否存在分層、錯(cuò)位等質(zhì)量問(wèn)題,，符合要求后轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)后處理工序。數(shù)據(jù)預(yù)處理的參數(shù)主要有收斂閾值[9],、處理窗口尺寸[10],、體素密度[11]、剛度參數(shù)[12],、最大迭代次數(shù)[13]等,，主要設(shè)置點(diǎn)云處理獲取數(shù)據(jù)樣本的大小，IMU[14]和LiDAR數(shù)據(jù)之間的權(quán)重,，嘗試匹配重疊區(qū)域中的數(shù)據(jù)次數(shù),，處理數(shù)據(jù)時(shí)細(xì)節(jié)取舍閾值等內(nèi)容，用于調(diào)整數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果,。

3.5數(shù)據(jù)后處理

數(shù)據(jù)后處理是把經(jīng)過(guò)預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶入控制點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)校正,，并進(jìn)行去噪、抽稀,、分塊等處理,，為房地一體要素內(nèi)業(yè)測(cè)圖采集提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。點(diǎn)云配準(zhǔn)校正主要采用仿射變換方式,，使測(cè)量誤差和系統(tǒng)誤差平均分布,，避免誤差集中累加在離控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域上，精度超限,。數(shù)據(jù)后處理也主要采用SLAM配套的處理軟件,，操作流程及工序均相對(duì)簡(jiǎn)單，但出現(xiàn)非常規(guī)問(wèn)題時(shí),，處理解決難度較大,，需要豐富經(jīng)驗(yàn)積累。如出現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)精度超限,，需要結(jié)合點(diǎn)云及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)分析超限真正原因進(jìn)行解決,。

3.6房地一體地籍要素采集

房地一體地籍要素采集主要包括房屋及其附屬的圍墻、室外樓梯,、通廊,、門頂?shù)葍?nèi)容。將處理后的點(diǎn)云成果加載到南方數(shù)碼研發(fā)的iData_3D[15]上進(jìn)行要素的空間位置及形狀采集，并對(duì)陽(yáng)臺(tái),、飄樓等屬性信息進(jìn)行識(shí)別,、分類、標(biāo)識(shí),，最終形成房地一體調(diào)查所需的空間矢量數(shù)據(jù),。采用iData_3D依據(jù)點(diǎn)云采集矢量數(shù)據(jù)時(shí)，iData_3D提供了切片,、吸附,、垂直、拉伸,、跟蹤,、擠壓等多項(xiàng)編輯和多視圖瀏覽功能，支持矢量,、影像,、點(diǎn)云、傾斜數(shù)據(jù)的集成和顯示,，直觀還原目標(biāo)對(duì)象在實(shí)地的位置和形態(tài),，方便作業(yè)人員進(jìn)行要素圖形的構(gòu)建，有效提高采集精度,，同時(shí)減小作業(yè)員對(duì)測(cè)繪專業(yè)知識(shí)的要求,，降低了技術(shù)門檻，提高了生產(chǎn)效率,。

4,、成果數(shù)據(jù)精度及效率統(tǒng)計(jì)

經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比較和分析，以傳統(tǒng)光電測(cè)距（全站儀）測(cè)量的數(shù)據(jù)成果為真值,，SLAM系統(tǒng)生產(chǎn)農(nóng)村房地一體矢量成果數(shù)據(jù)精度能滿足地籍測(cè)繪5cm中誤差要求,，綜合效率能達(dá)到傳統(tǒng)全站儀測(cè)量的兩倍以上，特別是外業(yè)工作只有傳統(tǒng)全站儀測(cè)量的30%,，有效地把大量外業(yè)工作轉(zhuǎn)化到內(nèi)業(yè)處理,，減小了天氣、地形復(fù)雜程度等因素對(duì)測(cè)量工作的制約,。

4.1精度統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)廣東肇慶,、江蘇常州、廣東清遠(yuǎn),、江蘇新沂四個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),，在同精度檢測(cè)下[16]，最大△X為0.203米,，最大△Y為0.189米,，最大△S為0.238米,，中誤差最大值為4.8cm，最小值為3.2cm,，粗差率最大值為5%,，最小值為1.31%，精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足房地一體測(cè)量相關(guān)規(guī)范要求,。

表1 精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2效率統(tǒng)計(jì)

經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),，在房屋較密集的居民點(diǎn)集中區(qū)，與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法相比較,，采用SLAM開(kāi)展房地一體地籍要素采集,，綜合生產(chǎn)效率有較大的提高。主要表現(xiàn)為SLAM外業(yè)采集的工作效率提高到4倍,，內(nèi)業(yè)處理及成圖工作效率有少許的降低,，約為0.87倍，質(zhì)量檢查能充分利用點(diǎn)云記載的豐富空間和屬性信息,，效率約提高2倍，詳細(xì)對(duì)比情況如下表所示,。

表2 效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5,、結(jié)束語(yǔ)

隨著手持式激光掃描系統(tǒng)的集成化和小型化，越來(lái)越多的測(cè)繪人已經(jīng)感受到它與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器之間的巨大差別,。三維激光掃描技術(shù)可以生成3D立體點(diǎn)云數(shù)據(jù),，將房地一體要素的各個(gè)部位和結(jié)構(gòu)完整地還原展現(xiàn)，并能通過(guò)專業(yè)軟件直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行繪圖生產(chǎn),。這種作業(yè)方式不僅節(jié)省時(shí)間,，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)對(duì)外業(yè)作業(yè)人員的專業(yè)技能要求也比傳統(tǒng)測(cè)繪方法要低,。更為重要的是,，通過(guò)把大量的外業(yè)碎部測(cè)量工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集處理，不僅降低了測(cè)繪工作對(duì)天氣的依賴,，同時(shí)也保證了測(cè)繪成果的精度,。目前，SLAM系統(tǒng)在小區(qū)域集中,、建筑密集度高的房地一體項(xiàng)目測(cè)量實(shí)踐中,，以其靈活的作業(yè)方式，較簡(jiǎn)單的外業(yè)操作步驟,，較直觀的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)可視,，得到了比傳統(tǒng)全站儀測(cè)量更快更好的房地一體數(shù)據(jù)成果，為省級(jí)乃至全國(guó)同步完成房地一體測(cè)繪工作提供了一種新且有效的技術(shù)思路和解決方案,。

本文來(lái)自GIS前沿

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