SLAM技術(shù)在農(nóng)村房地一體測量中的應(yīng)用與研究

高紅，李運健，陳悅統(tǒng)

(廣西壯族自治區(qū)自然資源產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心，廣西 南寧 530023)

1 引 言

根據(jù)《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》《中共中央國務(wù)院關(guān)于堅持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展做好“三農(nóng)”工作的若干意見》《國土資源部關(guān)于進一步加快宅基地和集體建設(shè)用地確權(quán)登記發(fā)證有關(guān)問題的通知》《自然資源確權(quán)登記局關(guān)于進一步做好農(nóng)村不動產(chǎn)確權(quán)登記工作的通知》等一系列要求，在2020年底前基本完成農(nóng)村宅基地使用權(quán)和房屋所有權(quán)統(tǒng)一確權(quán)登記的任務(wù)，考慮到本次任務(wù)范圍廣、時間緊的特征，外業(yè)作業(yè)手段是大家比較關(guān)注的問題[1，2]。目前最常用的兩種外業(yè)測量方法為圖解法(攝影測量方法)和解析法(全野外測量法)。圖解法可大大減少外業(yè)工作，但成圖精度低，且仍需部分外業(yè)工作；解析法作業(yè)精度高，結(jié)果準(zhǔn)確，但工作煩瑣，工期緊張，因此以上兩種方法均存在各自的優(yōu)缺點[3]。本文選用新型的測量技術(shù)即移動式即時定位與地圖構(gòu)建(以下簡稱SLAM)技術(shù)，SLAM可在滿足房地一體項目精度要求的前提下，大大減少了外業(yè)人員投入，且在內(nèi)業(yè)處理過程中相對無人機傾斜測量減少了很多繁雜的過程，很高程度上提高了作業(yè)效率。

2 SLAM技術(shù)

SLAM技術(shù)是一種掃描儀在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航。按照一般的理解，激光掃描儀如果安裝在移動測量系統(tǒng)中，一定要有一個高精度的定位系統(tǒng)(POS系統(tǒng))與之匹配，這樣，激光掃描儀得到的激光點才能得到對應(yīng)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，進而合成三維的激光點云。為了能解算出激光點云數(shù)據(jù)的高動態(tài)非線性位姿，通過研究激光點云的處理算法，可從這些雜亂無章的點云中找到線索，求取其中隱含的更穩(wěn)定的高階特征點和特征向量，并連續(xù)跟蹤這些特征點和特征向量，進而高精度地動態(tài)反向解算掃描儀的位置和姿態(tài)。這種高精度的動態(tài)反向解算位置和姿態(tài)的方法顛覆了傳統(tǒng)的測繪方法，為測繪技術(shù)開拓了一種新的思路方法[4]。

2.1 技術(shù)原理

掃描儀在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航。其獨特的手持技術(shù)功能多樣，適用于所有環(huán)境-特別是室內(nèi)，地下或難以訪問的空間，無須GPS即可提供精確的3D繪圖[5，6]。其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理

2.2 技術(shù)特點

由于SLAM技術(shù)本身無須GNSS信號(獲取控制點絕對位置數(shù)據(jù)時需借助GPS設(shè)備)，對工作環(huán)境又有極強的適應(yīng)性，基于SLAM技術(shù)的移動測量系統(tǒng)在多個測繪領(lǐng)域發(fā)揮作用[7，8]，具體表現(xiàn)為：

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高。

(2)內(nèi)業(yè)點云預(yù)處理時間短，自動化程度高，基本不需要人工干預(yù)，短時間便能獲得配準(zhǔn)好的點云數(shù)據(jù)。

(3)操作簡單方便，無須換站，連續(xù)采集，具有連貫性，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)。

(4)SLAM技術(shù)的測繪移動測量掃描儀在任意環(huán)境中長時間工作故障率低，對于精度要求較高的重點區(qū)域，可與固定測站式三維激光系統(tǒng)配合使用，既能保證精度，又能保證效率。

3 實驗分析

本文選用廣州市南沙區(qū)某一村，對SLAM技術(shù)與傳統(tǒng)測量進行了比對，整個實驗使用SLAM設(shè)備測量了1個測段，約 20 min，掃描房屋25戶；使用傳統(tǒng)丈量方法采用同樣的房屋，2人一組進行入戶丈量，10 min測量1戶。

3.1 作業(yè)流程

房地一體工作是全面查清宅基地和集體建設(shè)用地上房屋等建筑物、構(gòu)筑物情況，并利用信息化技術(shù)形成房地一體的不動產(chǎn)地籍信息。其作業(yè)主要流程有：不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查、不動產(chǎn)測量、與不動產(chǎn)登記數(shù)據(jù)銜接、調(diào)查結(jié)果公示、不動產(chǎn)登記數(shù)據(jù)庫建設(shè)、確權(quán)分析與發(fā)證、資料整理及檔案整理，具體將SLAM用于房地一體項目中的流程如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集部分需要使用的儀器設(shè)備有：GPS、像控點反光標(biāo)志貼、SLAM設(shè)備，由于SLAM設(shè)備沒有絕對定位系統(tǒng)，因此需要獲得成果的絕對位置坐標(biāo)時，需要使用GPS和反光標(biāo)志貼來獲取控制數(shù)據(jù)后對掃描數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)糾正。數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)重點及流程如下：

圖2 SLAM作業(yè)流程圖

(1)兩人使用RTK及反光標(biāo)識貼進行像控點布設(shè)，一般一個測段可布設(shè)3～4個像控點，像控點布設(shè)均勻且應(yīng)分布在明顯特征地物點上，SLAM測量人員必須采集像控點；

(2)像控點布設(shè)完畢后開始掃描，掃描路線需提前布設(shè)，盡可能布設(shè)成為多個閉合環(huán)組成的測段，且整個測段時間控制在 25 min以內(nèi)。使用多個閉合環(huán)的目的是為了使得點云計算時匹配多，解算精度高，25 min為一個測段主要是考慮觀測手的疲勞度和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析的速率。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)解算階段

通過數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件GeoSLAM Hub將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入進行解算，本次解算時間約為 30 min，一般來說解算時間約為掃描時間的1倍～3倍。在數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件GeoSLAMHub中查看點云數(shù)據(jù)以RGB真色彩顯示的整體3D及2D效果如圖3所示，可以更加直觀地比對最終成功的準(zhǔn)確性，不同材質(zhì)顯示的顏色不同。

(2)點云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于點云數(shù)據(jù)無GPS記錄，因此點云預(yù)處理后的數(shù)據(jù)需要進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)有兩種方式：一是整體村莊的多測段數(shù)據(jù)進行點云拼接后直接利用相控點進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，二是單測段數(shù)據(jù)不拼接利用相控點進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文共測量了一個測段，因此使用的是第二種方式進行轉(zhuǎn)換。首先在點云數(shù)據(jù)中找到像控點標(biāo)志，并在點云數(shù)據(jù)中突出顯示如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理效果圖

圖4 像控點分布圖

從圖4可以看出，像控點的選取遵循了布設(shè)均勻，且在小范圍內(nèi)閉合時也可采集到像控點，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的要求，使用RTK坐標(biāo)數(shù)據(jù)和像控點點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)進行參數(shù)計算，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過外業(yè)檢核，其精度檢核結(jié)果如表1所示。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度檢核結(jié)果 表1

從表1可以看出，隨機選取20個房屋角點，通過激光點云得到的界址點數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，與實測界址點間的最大誤差為 0.101 m，最小為 0.013 m，中誤差為 ±0.042 m，本項目規(guī)定的界址點采用三級限差(部分解析法)，限差值為 ±0.20 m，由此可看出，采用激光點云得到的界址點成果中誤差均未超限，測量結(jié)果符合本次房地一體界址點 0.2 m的精度要求。

(3)點云后處理階段

對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后滿足精度要求的點云數(shù)據(jù)(格式為RCS)，通過第三方軟件(Realworks或者其他類似軟件)打開，進行數(shù)據(jù)抽稀疏簡化，裁剪多余部分，輸出RCP工程文件，此格式是為了方便制圖人員通過熟練的制圖軟件CAD或CASS等進行制圖而需要處理的過程步驟，其處理前后的數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

圖5 抽稀前后對比圖

(4)編制成圖

使用Autodesk CAD搭配CASS軟件載入點云數(shù)據(jù)，進行繪圖處理，采集同一房屋時，針對不相同的層數(shù)需按實際情況裁切不同的平面數(shù)據(jù)，具體制圖過程如圖6所示。

圖6 點云成圖

3.4 結(jié)果分析

將傳統(tǒng)野外測量方法和手持三維激光掃描儀測量方法進行外業(yè)效率和成果精度兩方面的比較。使用兩種測量方法對25戶房屋測量的工作效率比對如表2所示。

工作效率比對表 表2

從表2可見，傳統(tǒng)野外測量的方式中，2人一組每天的工作效率為25戶左右，而本文的三維激光掃描儀測量方法，可將外業(yè)測量工作提升約24倍，但從內(nèi)業(yè)處理情況來看，完成相同工作時的內(nèi)業(yè)處理基本一致。若以1天掃描儀外業(yè)完成300戶的外業(yè)測量情況來算，其內(nèi)業(yè)處理需要1天，即2人一組2天完成300戶的內(nèi)外也工作，而傳統(tǒng)的野外測量方法300戶外業(yè)需要約11天，按每天內(nèi)業(yè)當(dāng)天完成計算，2人一組11天完成300戶內(nèi)外頁工作。因此本文方法在整體上可提升5-6倍的工作效率，工作效率明顯提升。

由于考慮到本項目區(qū)的作業(yè)方法，該實驗的驗證主要采取各房屋底層的邊長數(shù)據(jù)比對值來評價測量的準(zhǔn)確性，其精度比對表如表3所示。

精度比對表 表3

由表3可知，隨機選取31條邊進行激光點云數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)比對，其單邊較差最大為 0.09 m，最小為 0 m，從表中限差超限列可知，各邊均為超限，邊長限差采用三級計算公式(部分解析法)，公式為：±(0.056+0.004D)。

4 結(jié) 語

本文提出的基于SLAM技術(shù)在農(nóng)村“房地一體”測量中應(yīng)用房地，這種作業(yè)方式相比傳統(tǒng)的野外測量不僅節(jié)約了時間，同時提高了作業(yè)效率、減少了人力、物力的投入，更為重要的是，成果精度也很大程度上得到了保障。目前，三維激光掃描儀很多種選擇，而針對這種小范圍、密集度較高的房地一體化測量，手持式掃描儀作業(yè)方式靈活，僅用一人就可以完成外業(yè)掃描工作，作業(yè)時間可控，前期也可以進行掃描作業(yè)的整體規(guī)劃。本文的技術(shù)手段可廣泛地應(yīng)用到1∶500高精度測量成果的項目中，這樣，使用SLAM技術(shù)來完成房地一體化測量便具備了充分的可行性。