鄧汝艷，董 蕾

(1.廣州市規(guī)劃和自然資源自動化中心，廣東 廣州 510030；2.廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

農(nóng)村房地一體化是指對農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地使用權(quán)及所有權(quán)、地上房屋所有權(quán)，實行統(tǒng)一權(quán)籍調(diào)查、統(tǒng)一確權(quán)和統(tǒng)一頒發(fā)證書[1]。就不動產(chǎn)測量方式而言，傳統(tǒng)測量方式通常是采用全站儀或GPS-RTK等進行測量，傳統(tǒng)方式采集房地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度較高，但工作量大、生產(chǎn)周期長，無法滿足信息化時代對于測量數(shù)據(jù)更新的時效要求[2]。伴隨著測繪技術(shù)裝備的不斷發(fā)展，新型測量裝備在測量效率和人工勞動強度方面有了很大優(yōu)化。以無人機攝影測量為例，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面，無人機攝影測量技術(shù)能快速獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，極大提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率；在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，利用航測軟件可快速生產(chǎn)DEM、DOM、DSM以及高分辨率三維模型等，從而能大大縮短房地一體化測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期[3-4]。

關(guān)于無人機航測和SLAM移動測量技術(shù)應(yīng)用于測圖方面，國內(nèi)外已有相關(guān)研究：張?zhí)靻蘙5]融合SLAM移動測量技術(shù)和無人機傾斜航測技術(shù)，采用融合技術(shù)采集測區(qū)三維點云數(shù)據(jù)，應(yīng)用于農(nóng)村地籍圖測制中，有效提高數(shù)字測圖效率，通過精度分析驗證，精度結(jié)果滿足農(nóng)村權(quán)籍調(diào)查精度要求；王果[6]等人采用基于傾斜攝影測量技術(shù)采集農(nóng)村房地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立宅基地實景三維模型，通過三維測圖來生產(chǎn)房屋權(quán)籍圖，為房地一體化確權(quán)提供數(shù)據(jù)技術(shù)支持；耿長良[7]研究SLAM移動測量技術(shù)在軌道交通測圖方面的應(yīng)用，在無GPS信號的條件下，利用SLAM技術(shù)采集地下空間三維點云數(shù)據(jù)，完成軌道交通竣工測圖任務(wù)。

1 航測與SLAM技術(shù)融合

從無人機航測技術(shù)出發(fā)，無人機可從垂向或傾斜方向獲取地面多方向的影像數(shù)據(jù)，后期內(nèi)業(yè)構(gòu)建的實景三維模型也直觀地反映了地面情況，極大提高數(shù)字化測圖的效率[8]。

航測數(shù)據(jù)處理方面，針對平原地區(qū)以及道路規(guī)劃有序、房屋排列整齊的地區(qū)，無人機航測能大大提高房地一體化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集效率且精度良好，但對于山區(qū)樹林遮擋嚴重或者農(nóng)村房屋搭建混亂的地區(qū)，航測無法完全獲取建筑物的全方影像數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致三維建模點云數(shù)據(jù)缺失，故還需要采用其他手段作為無人機航測方式的補充手段[9]，針對航測內(nèi)業(yè)處理存在諸多難點問題展開研究。

1.1 航測內(nèi)業(yè)判讀難點1.1.1 建筑物排列緊密

農(nóng)村居住環(huán)境通常分布集中，建筑物排列緊密，房屋搭建錯綜復(fù)雜，導(dǎo)致內(nèi)業(yè)判讀十分困難，僅僅通過航空測量判讀地物界限容易造成判讀與實際房屋搭建情況不一樣，從而影響房屋權(quán)籍判斷，導(dǎo)致后期權(quán)籍糾紛。

1.1.2 建筑物隱蔽點

內(nèi)業(yè)影像判讀時，時常面臨建筑物存在很多隱蔽點從航測影像上無法判讀等問題，由于農(nóng)村房屋有廊檐情況十分普遍，建筑物隱蔽點僅從內(nèi)業(yè)無法判讀，內(nèi)業(yè)無法準確測量房屋廊檐長度，從而降低房屋面積測量準確度。房屋廊檐，如圖1所示。

圖1 房屋廊檐

1.1.3 樹林遮擋

茂密樹林遮擋建筑物是航測內(nèi)業(yè)判讀存在的另一個困難。由于無人機航測從上方拍攝影像，當(dāng)房屋周邊植被過于高大茂密時，會遮擋住房屋整體輪廓，導(dǎo)致航測內(nèi)業(yè)無法準確判斷房屋輪廓，造成房屋面積量測不準確等問題。

綜上所述，無人機航測技術(shù)在房地一體化項目實施中存在一些航測內(nèi)業(yè)難點問題。目前多數(shù)解決辦法是采用實地人工補測內(nèi)業(yè)無法判讀的地區(qū)[10]。針對航測內(nèi)業(yè)存在的痛點問題，現(xiàn)研究采用SLAM移動測量技術(shù)來優(yōu)化傳統(tǒng)人工實地補測手段，提高外業(yè)補測效率和精度，減少外業(yè)工作量，從而解決航測內(nèi)業(yè)判讀問題。

1.2 SLAM概述

SLAM移動測量技術(shù)為房地一體化提供了新的測繪手段。SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)即實時定位與地圖制作[11]，是一個具備三維激光掃描功能的綜合掃描系統(tǒng)，隨著激光掃描儀自由移動，即可實時掃描獲取到周圍環(huán)境的三維點云數(shù)據(jù)，掃描儀具備POS系統(tǒng)可實時計算儀器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)計算出周圍空間的相對位置關(guān)系。

1.3 SLAM原理

SLAM綜合掃描系統(tǒng)核心部分由三維激光掃描儀器(Laser Scaner)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，簡稱IMU)以及SLAM算法等部分組成。三維激光掃描儀采集空間數(shù)據(jù)；慣性測量單元實時獲取儀器方位姿態(tài)數(shù)據(jù)；SLAM算法最為至關(guān)重要，直接決定SLAM綜合掃描系統(tǒng)的整體測量精度。激光測距儀計算的距離數(shù)據(jù)和IMU獲取的姿態(tài)POS數(shù)據(jù)，這些是SLAM算法確定位置要素的核心計算要素，系統(tǒng)實時計算三維角度等空間位置信息，從而確定SLAM掃描系統(tǒng)和周圍空間物體的相對空間位置關(guān)系[12]。SLAM測圖系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 SLAM測圖系統(tǒng)

1.4 SLAM優(yōu)點

SLAM具有如下優(yōu)點：

1)高精度：SLAM移動測量技術(shù)可實時獲取周圍三維空間信息，測量精度控制在0.05 m內(nèi)。

2)高效率：SLAM測圖是“面”測量方式，相較于傳統(tǒng)“點”測量方式，測量效率有了極大的提升，最快速度達到每秒10萬點。

3)限制少：SLAM測量方式自由，儀器輕便于攜帶，可在無GPS信息條件下進行測量，方便進入狹窄區(qū)域測量，有效突破了無GPS信號無法測量的限制。

2 工程案例

2.1 測區(qū)概況

本次工程項目位于貴州榕江縣，測區(qū)地形為丘陵地帶，地勢為廣西丘陵過渡的邊緣地帶，地勢自西北向東南傾斜，中間地勢低落，山地特色明顯，地區(qū)高程起伏較大，項目區(qū)域涉及農(nóng)房、道路、溝渠、農(nóng)田等，測區(qū)面積約67 km2。

2.2 無人機航測

首先，外業(yè)布設(shè)像控點，規(guī)劃測區(qū)航飛線路后，進入無人機航測環(huán)節(jié)，外業(yè)航測采集測區(qū)地形影像數(shù)據(jù)，將全部影像導(dǎo)入航空影像測圖軟件，完成影像數(shù)據(jù)預(yù)處理，影像匹配獲取地物的點云數(shù)據(jù)，軟件根據(jù)點云數(shù)據(jù)的高程信息制作數(shù)字高程模型(DEM)，正射糾正航拍影像，輸出本次航測區(qū)域的數(shù)字正射影像圖(DOM)，基于DEM、DOM、DSM等成果，制作測區(qū)實景三維模型。

三維測圖是數(shù)字化測圖的關(guān)鍵，三維測圖是根據(jù)實景三維模型進行地物判斷與測量，根據(jù)影像判斷地面輪廓關(guān)鍵點，如房角、農(nóng)田的四角等，矢量化采集特征地物的點、線、面信息，并根據(jù)影像賦予地物要素屬性信息，矢量化采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并制作地籍圖。三維測圖，如圖3所示。

圖3 三維測圖

本次房地一體化項目主要采集的對象為農(nóng)村房屋和農(nóng)田，根據(jù)三維模型準確量測房屋面積、建筑面積、樓層信息、農(nóng)田耕地面積等，為房地一體化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。測區(qū)大部分區(qū)域采用航測手段進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，但針對航測內(nèi)業(yè)無法判讀的航測難點區(qū)域，如樹林遮擋、樓層搭建錯綜復(fù)雜等情況，采用SLAM測量技術(shù)實地補測。

2.3 SLAM測圖流程

開展外業(yè)SLAM補測大致經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、點云測圖等幾個過程。SLAM測圖流程，如圖4所示。

圖4 SLAM三維測圖流程

測量員到達補測區(qū)域后，首先要明確測區(qū)劃分情況后，現(xiàn)場踏勘了解測區(qū)大致情況，結(jié)合航測影像明確補測區(qū)域和補測對象后，安裝設(shè)備及儀器測試正常后，正式開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。

2.4 數(shù)據(jù)采集與處理

測量員手持ZEB-REVO掃描儀進行室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集，即便在無GNSS定位信號的區(qū)域，SLAM技術(shù)依然可以完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，掃描儀采集數(shù)據(jù)與測量員行動同步，隨著行走的路徑即刻采集周圍環(huán)境的三維點云數(shù)據(jù)。

外業(yè)補測完成后將點云數(shù)據(jù)(.las)導(dǎo)入三維點云后處理軟件JRC。經(jīng)過預(yù)處理篩選粗差后，首先將對應(yīng)測區(qū)內(nèi)控制點錄入點云處理軟件，之后通過相對位置關(guān)系解算出SLAM移動測量軌跡，通過軌跡計算出移動軌跡周圍的點云數(shù)據(jù)。基于區(qū)域的點云數(shù)據(jù)、人工移動軌跡以及航測影像可以綜合判讀測區(qū)內(nèi)的地形地物。SLAM軌跡解算，如圖5所示。

圖5 SLAM軌跡解算

2.5 點云切片測圖

點云坐標是空間位置信息，點云測圖是基于空間位置信息為基礎(chǔ)。通過JRC“點云查詢”功能，可直接查詢點云模型中某一點的空間位置。圖6為測區(qū)內(nèi)某房屋右上角點云坐標(X，Y，Z)。

圖6 點云查詢

點云是三維空間數(shù)據(jù)，故基于點云空間數(shù)據(jù)可制作測區(qū)整體三維效果，通過點云可查詢建筑物的空間位置信息，在軟件中可以旋轉(zhuǎn)點云模型，從而清楚地判讀房屋樓層、房屋結(jié)構(gòu)、建筑物室內(nèi)外等信息。此外，還可將測區(qū)模型轉(zhuǎn)化為二維平面效果圖，軟件支持多角度展示工測信息，平面圖更加方便直接量測房屋邊長、測量房屋面積等。最后通過點云測圖，制作補測區(qū)域的數(shù)字線劃圖。點云測圖，如圖7所示。

圖7 點云測圖

2.6 航測成果和SLAM成果融合

外業(yè)補測完成后，要融合兩種測量方式的測量成果，將航測的三維測圖線劃成果和SLAM測量成果一同導(dǎo)入南方CASS10.0制圖軟件中，制作房地一體化數(shù)字線劃圖DLG。

綜合判斷兩種融合地區(qū)的地物線劃圖連接情況，連接區(qū)需要人工判斷地物位置與類別信息，對包括房屋、溝渠、道路等地物嚴格按照點、線、面等方式進行地形數(shù)據(jù)矢量化采集，特別要標注建筑物的類型與面積等基礎(chǔ)信息，為房地一體化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成數(shù)字線劃圖DLG制作后，最后分幅與整飾輸出成果。

3 精度驗證

為了保證項目成果的精度，要對項目測量成果進行多環(huán)節(jié)的精度檢查，驗證測量成果精度能否滿足項目精度和相關(guān)規(guī)范要求。

本項目精度驗證方式是同名點對比，即線劃圖和GPS-RTK實地復(fù)測相同的特征點，精度驗證環(huán)節(jié)包括檢校點坐標較差、面積較差、測量中誤差等。

3.1 檢校點

檢校點選取時應(yīng)盡可能均勻分布于整個測區(qū)，檢校點盡可能選在圍墻角、房角等穩(wěn)定的地物特征點，這樣選取的檢校點更真實地反應(yīng)本次實驗精度。整個測區(qū)共67 km2，以測區(qū)內(nèi)4個村界劃分為4個測區(qū)，測區(qū)共均勻布設(shè)56個檢校點。本次實驗選取第二測區(qū)的8個檢校點，編號為J1-J8。

3.2 檢校點誤差分析

首先，對本次GPS-RKT采集的檢校點進行平面和高程的精度統(tǒng)計，分析檢查點是否滿足項目精度要求。檢校點的平面和高程中誤差統(tǒng)計情況，見表1。

表1 檢校點精度分析表

從表1可知，本次GPS-RKT采集的檢查點平面精度優(yōu)于高程精度，平面與高程中誤差均滿足項目精度抽檢要求。故本次外業(yè)檢查點可以作為抽檢項目的檢查數(shù)據(jù)。

3.3 面積較差

房地一體化項目要求對房屋的面積進行精確的測量，故精度驗證也包括檢驗農(nóng)村各類房屋面積，房屋抽檢類型包括磚房、棚房、圍墻等，檢查主要方式將DLG圖中建筑物量測面積與實地抽檢房屋實測面積進行比較，面積對比情況，如表2所示。

表2 面積對比分析表

由表2可知，將DLG圖房屋面積與外業(yè)實測建筑物面積進行比較，所有抽檢建筑物面積較差均在限差范圍內(nèi)，建筑物面積較差滿足CJJ/T 8—2011《房產(chǎn)測量規(guī)范》中對于房屋面積精度限差要求[13]，且外業(yè)測量精度達到實際項目精度要求。

3.4 成果質(zhì)量分析

通過空中三角測量報告得到測區(qū)平差精度，分析測區(qū)測點的平差精度，航測精度滿足GB/T 6962—2005《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影規(guī)范》相關(guān)精度要求[14]，對測區(qū)平面特征地物點進行檢核，其中平面檢核最大中誤差為0.25 m，最大高程中誤差為0.27 m，均滿足項目對于地形圖精度的5 cm的要求，外業(yè)測量成果可作為房地一體化項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.5 坐標較差

最后對檢校點和DLG同名點進行比較，外業(yè)復(fù)測采用GPS-RTK測量方式，測量J1-J8點坐標成果，再對比GPS-RKT實測坐標和線劃圖DLG圖中同名點坐標，在相同的坐標系下進行比較坐標較差結(jié)果，如表3所示。

表3 同名點坐標對比表

根據(jù)表3分析可知，J1-J8測點的坐標較差均在3 cm以下，滿足CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影測量規(guī)范》相關(guān)要求[15]，說明本次項目外業(yè)測量成果滿足精度要求，可作為房地一體化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹無人機航測和SLAM移動測量融合技術(shù)在農(nóng)村房地一體化中的應(yīng)用，首先分析了無人機航測在實際生產(chǎn)項目中面臨的難點問題，然后針對航測內(nèi)業(yè)的判讀難點開展補測措施，研究SLAM移動測量技術(shù)作為航測手段的補充，有效彌補了航測手段在實際應(yīng)用中的不足。實踐證明，該方法能夠滿足房地一體化項目的精度要求。