沈 良，毛承逆，張雨祥,2，羅 林

（1. 四川省煤田測繪工程院，四川 成都 610000；2. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610000）

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，測繪科學(xué)已經(jīng)從簡單的利用經(jīng)緯儀、測距儀、全站儀等進(jìn)行測角、測距、測高、定向和繪圖等多余觀測或重復(fù)測量來保證精度和穩(wěn)定性[1]，開始向高效率直觀化的地理信息和遙感方向發(fā)展，如利用無人機(jī)獲得正射影像、傾斜攝影進(jìn)行三維建模，可獲得比傳統(tǒng)測量更直觀且滿足精度要求的數(shù)據(jù)。利用傾斜攝影可實(shí)現(xiàn)室外房產(chǎn)測量、地籍測量和地形圖測量等。徐思奇[2]等對傾斜攝影測量在大比例尺地形圖中的精度進(jìn)行了評定。然而，在地物較復(fù)雜的地籍和房產(chǎn)測量中，尤其是室內(nèi)房產(chǎn)測量、房間距較緊密的室外房產(chǎn)測量和地籍測量以及樹木遮掩嚴(yán)重的地區(qū)，傾斜攝影會(huì)缺失較多地面信息，從而導(dǎo)致后期三維重建時(shí)建筑物最底面的重建效果較差。全站儀、測距儀等傳統(tǒng)測量方法，不僅會(huì)出現(xiàn)一個(gè)測站點(diǎn)只能測量極少特征點(diǎn)的情況，而且會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)站次數(shù)增多而導(dǎo)致測量累計(jì)誤差增大的情況。IMU慣導(dǎo)測量過程中，在頂部為彩鋼棚的房屋下會(huì)造成信號丟失，部分信號較差區(qū)域的固定解和慣導(dǎo)信號等待時(shí)間較長，最終導(dǎo)致無法測量和時(shí)間成本較高的情況。

1986—1990 年Smith 等對已知地圖信息的情況下如何解決定位的問題進(jìn)行了廣泛研究，清楚地定義了即時(shí)定位與地圖構(gòu)建或并發(fā)建圖與定位[3]（SLAM）。相對于測距儀、全站儀、IMU慣導(dǎo)、無人機(jī)攝影測量等傳統(tǒng)測量方法，手持式三維激光SLAM 掃描儀在獲取目標(biāo)地物特征點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)不再是以單點(diǎn)形式進(jìn)行，而是一次性獲取大量地物表面點(diǎn)云，且點(diǎn)云解算、建模以及矢量化也相對簡單[4-6]。由于農(nóng)村房地一體項(xiàng)目的地形條件較復(fù)雜、房屋間距小、樹木遮擋嚴(yán)重，全站儀、IMU慣導(dǎo)以及無人機(jī)攝影測量無法實(shí)現(xiàn)全范圍高精度測量，因此本文介紹了手持式三維激光SLAM 掃描儀的測量系統(tǒng)和作業(yè)流程，并與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行了優(yōu)勢分析和效能分析。

1 手持式三維激光SLAM掃描儀

本文采用的是GeoSLAM 公司的ZEB Horizon 手持式激光掃描儀，由三維激光雷達(dá)、控制器、鷹眼飛螢全景相機(jī)和鋰電池組成，并配有兩個(gè)軟件系統(tǒng)：①數(shù)據(jù)解算軟件（GeoSLAM Hub），對三維激光雷達(dá)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終形成laz 格式的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和piy 格式的軌跡數(shù)據(jù)；②點(diǎn)云配準(zhǔn)抽稀軟件（TrimbleRealWorks），對GeoSLAM Hub 形成的多段點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，形成一段點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并可分割出控制點(diǎn)所在的反射片范圍，對剩余范圍進(jìn)行抽稀，再將反射片范圍與抽稀范圍進(jìn)行合并，以便后期進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和CASS成圖。

三維激光雷達(dá)的主要參數(shù)：16通道，精確度為±3 cm，旋轉(zhuǎn)速率為5～20 Hz，測量距離約為100 m，每秒輸出最高可達(dá)30萬點(diǎn)，采用傾斜安裝旋轉(zhuǎn)的方式，可實(shí)現(xiàn)垂直360°和水平270°的掃描范圍。手持式三維激光SLAM 掃描儀結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 手持式三維激光SLAM掃描儀結(jié)構(gòu)

表1 三維激光SLAM掃描儀技術(shù)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理流程

在農(nóng)村房屋測量中，采用手持式三維激光SLAM掃描儀作業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程為：

1）控制點(diǎn)布設(shè)。在外圍均勻布設(shè)3 個(gè)以上控制點(diǎn)，在內(nèi)部選取兩個(gè)以上控制點(diǎn)，用以控制整個(gè)區(qū)域，在控制點(diǎn)處布設(shè)高反射的反光片。

2）外圍整體掃描。根據(jù)先整體后局部的思路，對區(qū)域外圍進(jìn)行全方位掃描。

3）局部掃描。每條巷道掃描時(shí)間控制在20 min，走閉合路線。

4）數(shù)據(jù)解算。利用配套的GeoSLAM Hub5.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到laz文件。

5）數(shù)據(jù)拼接。以外圍點(diǎn)云為基準(zhǔn)點(diǎn)云，利用Trimble RealWorks 11.2 軟件將各局部點(diǎn)云通過選取公共點(diǎn)的方式進(jìn)行配準(zhǔn)，得到整個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云文件。

6）坐標(biāo)定義。利用Trimble RealWorks 11.2 軟件定義坐標(biāo)，均勻選取3 個(gè)以上外圍控制點(diǎn)輸入坐標(biāo)，內(nèi)部控制點(diǎn)用于檢驗(yàn)。

7）內(nèi)業(yè)矢量化。利用CASS10.1 進(jìn)行矢量化，得到最終成果地籍圖。

3 與傳統(tǒng)測量方法的優(yōu)勢分析

采用傳統(tǒng)測量方法開展不動(dòng)產(chǎn)測繪的質(zhì)量影響因素多，對技術(shù)人員水平的要求高，成果質(zhì)量難以控制。本文將基于SLAM 技術(shù)的測繪方法與全站儀、慣導(dǎo)RTK以及航空傾斜攝影測量方法進(jìn)行全面的對比分析。在對比分析中進(jìn)行精度驗(yàn)證，采用同精度檢測，中誤差的計(jì)算公式為：

式中，n為檢測點(diǎn)數(shù)量；Δ2為檢測點(diǎn)在X、Y方向上與真實(shí)值的較差。

界址點(diǎn)精度[7]要求如表2所示。

表2 解析界址點(diǎn)的精度要求

3.1 與全站儀測圖方法的對比分析

全站儀測圖方法首先在已知點(diǎn)上進(jìn)行架站，然后在儀器上進(jìn)行測站設(shè)置和角度后視，經(jīng)驗(yàn)證儀器架設(shè)在正確定位點(diǎn)位置后，開始測量工作。與全站儀測圖方法相比，手持式三維激光SLAM 掃描儀的優(yōu)勢主要包括：

1）在地形復(fù)雜區(qū)域，地物點(diǎn)云獲取便捷，無累積誤差。在地形平坦區(qū)域采用全站儀進(jìn)行外業(yè)測量比較實(shí)用；但在地形復(fù)雜且已知點(diǎn)較少的情況下，全站儀不僅會(huì)導(dǎo)致支站次數(shù)較多，而且部分地區(qū)無法支站。例如，在農(nóng)村房地一體外業(yè)測量過程中，存在房屋一側(cè)或兩側(cè)不到1 m 處為山體或陡坎的情況，但附近沒有已知控制點(diǎn)，就需要全站儀進(jìn)行多次支站，進(jìn)而導(dǎo)致累計(jì)誤差增加、作業(yè)效率降低。采用手持式三維激光SLAM 掃描儀可完整獲取測區(qū)的地物點(diǎn)云，在全站儀無法到達(dá)或需要支站次數(shù)較多的區(qū)域，其僅需十余秒便可完成外業(yè)掃描，且不存在累積誤差。

2）地物特征點(diǎn)精度較高，無人為觀測誤差。采用全站儀棱鏡模式進(jìn)行室外房產(chǎn)測量時(shí)，由于棱鏡具有一定厚度，因此棱鏡中心點(diǎn)與實(shí)際房角點(diǎn)不能完全吻合，房檐較高，外業(yè)人員采用的垂直投影方式也不能與實(shí)際房檐的平面坐標(biāo)完全吻合，會(huì)出現(xiàn)棱鏡還未正確擺放便已進(jìn)行觀測而導(dǎo)致的人為操作誤差。采用全站儀免棱鏡模式，在儀器與地物距離較長時(shí)，易產(chǎn)生誤差較大和點(diǎn)數(shù)據(jù)漂移的情況。如圖2 所示，手持式三維激光SLAM 掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地物符合度較高，基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可精確提取地物特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，房屋、房檐的拐角較明顯，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)均由儀器自動(dòng)獲取。通過對比分析可知，利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)矢量化得到的地物數(shù)據(jù)精度高于全站儀測圖方法。

圖2 房屋點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖

本文以測距儀量測的邊長為基準(zhǔn)，分別對利用點(diǎn)云模型、全站儀棱鏡模式和全站儀免棱鏡模式測量相同30條房邊的結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證，對比結(jié)果如表3所示，可以看出，絕對值誤差在0.100 m 以上的基本為觀測誤差或人為操作誤差；全站儀免棱鏡模式出現(xiàn)了5.011 m 的觀測誤差，誤差值較大，產(chǎn)生了點(diǎn)數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，還出現(xiàn)了兩次范圍在0.100～1.000 m 的誤差；全站儀棱鏡模式出現(xiàn)了4次范圍在0.100～1.000 m的誤差；手持式三維激光SLAM 掃描儀沒有出現(xiàn)0.100 m以上的誤差；手持式三維激光SLAM掃描儀測量的中誤差、去除在0.100 m 以上邊長較差后的中誤差、最大絕對值誤差以及絕對值誤差差值均相對較小，3 種測量模式的絕對值誤差范圍分別為0.002～5.011 m、0.012～0.168 m、0.002～0.051 m；說明在農(nóng)村房地一體測量工作中采用手持式三維激光SLAM 掃描儀獲得的邊長精度較高且無人為觀測誤差。

表3 全站儀與手持式三維激光SLAM掃描儀測量精度對比

3）智能化程度更高、外業(yè)便捷。不同于全站儀的非接觸測繪，基于SLAM 技術(shù)的非接觸測繪只需簡單的開機(jī)、在行走過程中無需停頓利用手持儀器對目標(biāo)地物和控制點(diǎn)反射片進(jìn)行掃描、關(guān)機(jī)3 個(gè)步驟即可完成外業(yè)采集。利用全站儀則需要進(jìn)行多次支站采集地物特征點(diǎn)，內(nèi)業(yè)成圖時(shí)需依靠外業(yè)人員的專業(yè)能力，外業(yè)采集中還容易出現(xiàn)漏測，需要補(bǔ)測情況。

3.2 與慣導(dǎo)RTK測圖方法的對比分析

1）不受信號限制影響。采用慣導(dǎo)RTK 進(jìn)行外業(yè)測量時(shí)，依賴于手機(jī)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號以及CORS 信號，信號較弱時(shí)無法進(jìn)行有效測量，彩鋼棚下、高樓層建筑密集區(qū)域以及偏遠(yuǎn)山區(qū)的CORS 信號較弱，存在等待信號時(shí)間較長、無信號導(dǎo)致無法獲取地物特征點(diǎn)坐標(biāo)的情況。采用SLAM 技術(shù)的測量方法，只需在外圍均勻布設(shè)3 個(gè)以上的控制點(diǎn)，在內(nèi)部選取兩個(gè)以上的控制點(diǎn)，用以控制整個(gè)區(qū)域，在控制點(diǎn)處布設(shè)高反射的反光片即可，掃描過程中無需信號覆蓋便可獲取地物點(diǎn)云。

2）地物精度較高。針對農(nóng)村房屋房檐或距離地面有一定距離的特征點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)，采用將慣導(dǎo)RTK機(jī)頭放置在特征點(diǎn)上或垂直投影到地面進(jìn)行平面坐標(biāo)采集兩種方式都存在一定的測量誤差。利用慣導(dǎo)RTK進(jìn)行房角測量時(shí)，存在一定的儀器誤差，由于儀器傾斜方向不一致會(huì)導(dǎo)致房屋邊長存在誤差。手持式三維激光SLAM 掃描儀的三維激光雷達(dá)測量距離約為100 m，采用傾斜安裝旋轉(zhuǎn)的方式可實(shí)現(xiàn)垂直360°和水平270°的掃描，針對上述復(fù)雜情況，均能高精度的獲取地物點(diǎn)云。本文分別對利用點(diǎn)云模型和慣導(dǎo)RTK測量的相同的37條房屋邊長進(jìn)行了精度驗(yàn)證，邊長精度對比結(jié)果如表4、5所示，可以看出，手持式三維激光SLAM掃描儀的邊長較差范圍在-0.021～0.019 m，中誤差為0.010 m；慣導(dǎo)RTK 測量的邊長較差范圍在-0.041～0.067 m，中誤差為0.023 m；點(diǎn)云模型的邊長較差和中誤差比慣導(dǎo)RTK 小，說明使用手持式三維激光SLAM掃描儀進(jìn)行農(nóng)村房地一體測量工作的精度較高。

表4 手持式三維激光SLAM掃描儀邊長精度檢查結(jié)果/m

表5 慣導(dǎo)RTK測量邊長精度檢查結(jié)果/m

3.3 與航空傾斜攝影測量方法的對比分析

航空傾斜攝影測量是目前農(nóng)村房地一體項(xiàng)目廣泛采用的作業(yè)方式，雖然具有真實(shí)性、高效性、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，但在樹木遮擋較多、房屋不規(guī)則的區(qū)域仍不能進(jìn)行全測區(qū)的有效測量。

1）不受地物遮擋影響。如圖3所示，山區(qū)部分房屋修建在山坡一側(cè)陡坎附近，當(dāng)春、秋季樹木茂盛對房屋遮蓋較多時(shí)，無人機(jī)航空傾斜攝影測量便不能有效獲取房屋影像，采用“空地一體”的方式雖可獲取房屋被遮擋部位的影像，但需要經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行人員操控小型無人機(jī)進(jìn)行2～10 m的低空作業(yè)，作業(yè)難度較高、效率較低，而且無人機(jī)事故率較高。采用手持式三維激光SLAM 掃描儀可對上述環(huán)境中的地物點(diǎn)云進(jìn)行高效率零事故率的獲取，如圖4所示。

圖3 樹木遮擋情況下的航空傾斜攝影模型

圖4 房屋背側(cè)為山體陡坎點(diǎn)云示意圖

2）點(diǎn)云模型比傾斜模型的平滑度更高。將點(diǎn)云模型與傾斜模型進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5 所示，可以看出，點(diǎn)云模型基本可包含房屋內(nèi)外的細(xì)小夾角等細(xì)節(jié)，房屋成模度較高；在大部分農(nóng)村房地一體項(xiàng)目中無人機(jī)航高在50～120 m，45°傾斜以及外擴(kuò)角度，基本未采用“空地一體”的作業(yè)模式，由于無人機(jī)飛行高度高于房屋高度，房屋部分區(qū)域沒有覆蓋，模型建模時(shí)便無法對這些區(qū)域進(jìn)行建模，從而產(chǎn)生拉花現(xiàn)象，如圖6所示。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)房屋示意圖

圖6 傾斜攝影模型墻面拉花現(xiàn)象

4 手持式三維激光SLAM掃描儀工作效率分析

本文選取的區(qū)域?yàn)闈h源縣富莊鎮(zhèn)，海拔1 500 m，地勢陡峭；樹木遮蓋較多，高差為40 m，約包含90個(gè)房屋、38戶。本文采用手持式三維激光SLAM掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描，用時(shí)約為20 min，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算用時(shí)約為30 min，數(shù)據(jù)拼接和定義坐標(biāo)用時(shí)約為20 min，矢量化成圖用時(shí)約為9 h，全流程用時(shí)約為10 h；采用全站儀與慣導(dǎo)RTK同時(shí)進(jìn)行外業(yè)測量，兩名作業(yè)人員為一組需3個(gè)工作日，每個(gè)工作日外業(yè)測量時(shí)間約為8 h，當(dāng)日外業(yè)測量完成后晚上進(jìn)行內(nèi)業(yè)矢量化用時(shí)約為4 h，全流程共計(jì)用時(shí)約為36 h；采用單鏡頭航空攝影測量方法，像控布設(shè)用時(shí)約為20 min，單鏡頭無人機(jī)航空攝影井字形采集用時(shí)約為40 min，采用一臺工作站進(jìn)行內(nèi)業(yè)建模用時(shí)約為90 min，矢量化成圖用時(shí)約為8 h，但因該地區(qū)地勢陡峭且樹木遮蓋較多，采用航空攝影完成內(nèi)業(yè)矢量化采集后，還需再次到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)調(diào)，補(bǔ)調(diào)采用慣導(dǎo)和測距儀，外業(yè)補(bǔ)調(diào)和內(nèi)業(yè)矢量化用時(shí)約為8 h，全流程共計(jì)用時(shí)約為18.5 h。

通過對比3 種作業(yè)模式所需的作業(yè)時(shí)間可知，采用手持式三維激光SLAM 掃描儀進(jìn)行作業(yè)的效率較高，且采用單鏡頭航空攝影測量方法需車輛跟隨，從而增加了車輛租用等成本，因此在農(nóng)村房地一體項(xiàng)目中，采用手持式三維激光SLAM掃描儀的效率較高。

5 結(jié) 語

研究結(jié)果表明，將手持式三維激光SLAM 掃描儀用于農(nóng)村房地一體項(xiàng)目中，其精度可滿足TD/T 1001-2012《地籍調(diào)查規(guī)程》中的精度要求，可最大限度地減少設(shè)備、人員等因素帶來的影響，更好地控制成果質(zhì)量；且相較于傳統(tǒng)測量方法，SLAM 技術(shù)具有儀器精度較高、氣象誤差較小、制圖誤差較小，且不存在引點(diǎn)誤差、對中誤差和觀測誤差的優(yōu)勢，尤其是在全站儀難以到達(dá)、慣導(dǎo)RTK無信號以及無人機(jī)拍攝無法覆蓋的區(qū)域優(yōu)勢明顯。