SLAM技術在農村房地一體測量中的應用與研究

高紅，李運健，陳悅統

(廣西壯族自治區自然資源產品質量檢驗中心，廣西 南寧 530023)

1 引 言

根據《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》《中共中央國務院關于堅持農業農村優先發展做好“三農”工作的若干意見》《國土資源部關于進一步加快宅基地和集體建設用地確權登記發證有關問題的通知》《自然資源確權登記局關于進一步做好農村不動產確權登記工作的通知》等一系列要求，在2020年底前基本完成農村宅基地使用權和房屋所有權統一確權登記的任務，考慮到本次任務范圍廣、時間緊的特征，外業作業手段是大家比較關注的問題[1，2]。目前最常用的兩種外業測量方法為圖解法(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工作，但成圖精度低，且仍需部分外業工作；解析法作業精度高，結果準確，但工作煩瑣，工期緊張，因此以上兩種方法均存在各自的優缺點[3]。本文選用新型的測量技術即移動式即時定位與地圖構建(以下簡稱SLAM)技術，SLAM可在滿足房地一體項目精度要求的前提下，大大減少了外業人員投入，且在內業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效率。

2 SLAM技術

SLAM技術是一種掃描儀在未知環境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現掃描儀的自主定位和導航。按照一般的理解，激光掃描儀如果安裝在移動測量系統中，一定要有一個高精度的定位系統(POS系統)與之匹配，這樣，激光掃描儀得到的激光點才能得到對應的位置和姿態數據，進而合成三維的激光點云。為了能解算出激光點云數據的高動態非線性位姿，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定的高階特征點和特征向量，并連續跟蹤這些特征點和特征向量，進而高精度地動態反向解算掃描儀的位置和姿態。這種高精度的動態反向解算位置和姿態的方法顛覆了傳統的測繪方法，為測繪技術開拓了一種新的思路方法[4]。

2.1 技術原理

掃描儀在未知環境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現掃描儀的自主定位和導航。其獨特的手持技術功能多樣，適用于所有環境-特別是室內，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 技術特點

由于SLAM技術本身無須GNSS信號(獲取控制點絕對位置數據時需借助GPS設備)，對工作環境又有極強的適應性，基于SLAM技術的移動測量系統在多個測繪領域發揮作用[7，8]，具體表現為：

(1)外業數據采集速度極快，可快速獲得所需點云數據，數據精度高。

(2)內業點云預處理時間短，自動化程度高，基本不需要人工干預，短時間便能獲得配準好的點云數據。

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

(4)SLAM技術的測繪移動測量掃描儀在任意環境中長時間工作故障率低，對于精度要求較高的重點區域，可與固定測站式三維激光系統配合使用，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某一村，對SLAM技術與傳統測量進行了比對，整個實驗使用SLAM設備測量了1個測段，約 20 min，掃描房屋25戶；使用傳統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 作業流程

房地一體工作是全面查清宅基地和集體建設用地上房屋等建筑物、構筑物情況，并利用信息化技術形成房地一體的不動產地籍信息。其作業主要流程有：不動產權籍調查、不動產測量、與不動產登記數據銜接、調查結果公示、不動產登記數據庫建設、確權分析與發證、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 數據采集

外業數據采集部分需要使用的儀器設備有：GPS、像控點反光標志貼、SLAM設備，由于SLAM設備沒有絕對定位系統，因此需要獲得成果的絕對位置坐標時，需要使用GPS和反光標志貼來獲取控制數據后對掃描數據進行坐標糾正。數據采集的主要技術重點及流程如下：

圖2 SLAM作業流程圖

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

(2)像控點布設完畢后開始掃描，掃描路線需提前布設，盡可能布設成為多個閉合環組成的測段，且整個測段時間控制在 25 min以內。使用多個閉合環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業數據分析的速率。

3.3 內業數據處理

(1)數據解算階段

通過數據預處理軟件GeoSLAM Hub將原始數據導入進行解算，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。在數據預處理軟件GeoSLAMHub中查看點云數據以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確性，不同材質顯示的顏色不同。

(2)點云坐標轉換

由于點云數據無GPS記錄，因此點云預處理后的數據需要進行坐標轉換，轉換坐標有兩種方式：一是整體村莊的多測段數據進行點云拼接后直接利用相控點進行坐標轉換，二是單測段數據不拼接利用相控點進行坐標轉換。本文共測量了一個測段，因此使用的是第二種方式進行轉換。首先在點云數據中找到像控點標志，并在點云數據中突出顯示如圖4所示。

圖3 數據預處理效果圖

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均勻，且在小范圍內閉合時也可采集到像控點，根據坐標轉換的要求，使用RTK坐標數據和像控點點云數據坐標進行參數計算，將轉換后的數據通過外業檢核，其精度檢核結果如表1所示。

坐標轉換精度檢核結果 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據，經坐標轉換后，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

對坐標轉換后滿足精度要求的點云數據(格式為RCS)，通過第三方軟件(Realworks或者其他類似軟件)打開，進行數據抽稀疏簡化，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，其處理前后的數據對比如圖5所示。

圖5 抽稀前后對比圖

(4)編制成圖

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

圖6 點云成圖

3.4 結果分析

將傳統野外測量方法和手持三維激光掃描儀測量方法進行外業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，可將外業測量工作提升約24倍，但從內業處理情況來看，完成相同工作時的內業處理基本一致。若以1天掃描儀外業完成300戶的外業測量情況來算，其內業處理需要1天，即2人一組2天完成300戶的內外也工作，而傳統的野外測量方法300戶外業需要約11天，按每天內業當天完成計算，2人一組11天完成300戶內外頁工作。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的作業方法，該實驗的驗證主要采取各房屋底層的邊長數據比對值來評價測量的準確性，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據與實測數據比對，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 語

本文提出的基于SLAM技術在農村“房地一體”測量中應用房地，這種作業方式相比傳統的野外測量不僅節約了時間，同時提高了作業效率、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，手持式掃描儀作業方式靈活，僅用一人就可以完成外業掃描工作，作業時間可控，前期也可以進行掃描作業的整體規劃。本文的技術手段可廣泛地應用到1∶500高精度測量成果的項目中，這樣，使用SLAM技術來完成房地一體化測量便具備了充分的可行性。