岳 順，蔡東健，周旺輝，邢萬里，沈姜威，崔宸洋，高筆清

（1. 蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215027）

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，村莊地籍調(diào)查工作底圖測量正在緊鑼密鼓的推進(jìn)。村莊地籍調(diào)查工作底圖測量工作具有復(fù)雜多變、時間緊、任務(wù)重等特點，傳統(tǒng)的GPS、全站儀和測距儀的組合測量已不能滿足日益增長的測量工作要求[1-4]。如何快速獲取高質(zhì)量的建筑物信息，已成為地籍測量項目的關(guān)鍵工作[5]。三維激光掃描技術(shù)可快速大面積獲取掃描區(qū)域的三維點云數(shù)據(jù)和影像信息，正在逐步替代傳統(tǒng)的作業(yè)手段[6]。目前常用的三維激光掃描設(shè)備載體包括機載、車載和地面式[7]3種。近年來，背包式三維激光掃描儀開始走向市場，并逐漸應(yīng)用到測繪相關(guān)業(yè)務(wù)中[8-10]。背包式三維激光掃描儀具有作業(yè)效率高、信息采集豐富和操作簡單等特點[11-14]。其以掃描視角的多樣性和互補性的特點逐漸成為智慧城市三維數(shù)據(jù)快速獲取的重要手段[15]。本文研究了徠卡背包式三維激光掃描儀的技術(shù)特征，結(jié)合實際村莊地籍調(diào)查底圖測量工作，分析了該設(shè)備在地籍測量項目的可行性，并與傳統(tǒng)技術(shù)手段進(jìn)行了對比分析，為測繪新技術(shù)在地籍測量的應(yīng)用提供了技術(shù)參考[16]。

1 背包式三維激光掃描系統(tǒng)

1.1 外業(yè)掃描

Pegasus Backpack 是徠卡測量系統(tǒng)推出的全新移動實景測量背包[7]，配備5 個相機和兩個激光掃描儀，通過平板電腦控制系統(tǒng)，采用碳纖維材質(zhì)和人體工學(xué)設(shè)計制作而成，是當(dāng)前市場上集高性能、高精度和便攜性于一體的高端移動測量背包系統(tǒng)[9]。其主要參數(shù)如圖1所示。

圖1 Pegasus Backpack測量系統(tǒng)參數(shù)

Pegasus Backpack集成了GNSS、慣性導(dǎo)航、攝影測量和三維激光掃描等前沿科技，GNSS 提供測量設(shè)備的準(zhǔn)確位置，慣性導(dǎo)航采集測量設(shè)備的前進(jìn)方向和照相機姿態(tài)，攝影測量根據(jù)GPS 和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)得到外方位元素等信息，三維激光掃描獲取周圍海量點云數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)屬于技術(shù)領(lǐng)先、精度可靠的測量采集裝備，可實現(xiàn)無需通視、單人作業(yè)的采集作業(yè)模式。

1.2 內(nèi)業(yè)處理

Pegasus Backpack 通過可穿戴的移動掃描方式完成數(shù)據(jù)采集工作。Pegasus Backpack 外業(yè)掃描結(jié)束后，內(nèi)業(yè)處理分別利用Inertial Explorer、Infinity 和Pegasus Manager軟件進(jìn)行軌跡解算、坐標(biāo)系構(gòu)建和點云處理。

內(nèi)業(yè)處理詳細(xì)流程為：①收集原始掃描數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站、流動站和控制點數(shù)據(jù)，為后續(xù)點云解算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；②利用Inertial Explorer 對基站數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和組合式軌跡解算，生成最終的點云軌跡數(shù)據(jù)；③利用Infinity 定義坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和投影參數(shù)，將原始點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到需要的坐標(biāo)系；④利用Pegasus Man?ager 進(jìn)行照片提取、SLAM 處理和點云生成等操作；⑤通過控制點糾正點云數(shù)據(jù)，獲得高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 Pegasus Backpack測量系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程圖

2 實驗分析

實驗區(qū)域選取蘇州市吳中區(qū)三星村，長約260 m、寬120 m，總面積為31 200 m2。該區(qū)域的房屋建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量要素繁多，村民隨意搭建建筑，建筑風(fēng)格各異，在常規(guī)測量模式下，需要大量的測量人員，效率低下，滿足不了甲方的迫切要求。

本次首次采用徠卡Pegasus Backpack 進(jìn)行掃描測試，外業(yè)掃描結(jié)束后得到的點云如圖3 所示，可以看出，三星村的房屋呈緊湊型、密度大、道路狹窄，GPS在農(nóng)村道路上信號不佳，遮擋較嚴(yán)重，需要全站儀多次架站；常規(guī)作業(yè)難度過大、效率過低。本文采用MicroStation Connect Edition 自主開發(fā)的三維測圖軟件，其具有點云編輯、建筑物輪廓線自動提取和快速成圖等功能，可快速處理海量點云數(shù)據(jù)。本文利用該軟件繪制的三星村地籍成果圖如圖4所示。

圖3 三星村地籍點云圖

圖4 三星村地籍成果圖

為了驗證背包點云的精度和效率，本文在三星村抽樣選取了部分房角點和房屋邊長，利用傳統(tǒng)測量技術(shù)（GPS+全站儀和測距儀）進(jìn)行實測，并將實測值與點云的成果圖進(jìn)行對比分析。傳統(tǒng)測量技術(shù)是利用GPS測設(shè)控制點，全站儀架設(shè)在控制點上，以另外一個GPS控制點作為后視定向，以全站儀為主、測距儀為輔，完成房角點和房屋邊長測量。對比結(jié)果如圖5～6所示，可以看出，背包點云與傳統(tǒng)測量技術(shù)獲得的房角點平面位置中誤差為4.1 cm，獲得的房屋邊長實測值中誤差為2.5 cm，GPS 信號不佳的地方房屋邊長誤差較大。

圖5 背包點云和傳統(tǒng)測量技術(shù)獲得的房角點平面誤差和誤差統(tǒng)計圖

圖6 背包點云和傳統(tǒng)測量技術(shù)獲得的房屋邊長誤差和誤差統(tǒng)計圖

隱蔽房角點需要多次搬站，必將影響作業(yè)效率和精度，該項工作是地籍測量的難題。傳統(tǒng)測量技術(shù)通過距離交會、截距法等方法獲取隱蔽房角點的坐標(biāo)，而背包式三維激光掃描儀利用自身的SLAM 算法和慣導(dǎo)系統(tǒng)可解決大部分隱蔽房角點的測量難題，剩余的隱蔽房角點則通過傳統(tǒng)測量技術(shù)進(jìn)行補測。為了驗證背包式三維激光掃描儀在隱蔽房角點和房屋邊長的測量精度，本文選取了50個隱蔽房角點坐標(biāo)和30個隱蔽房屋邊長，對比結(jié)果如圖7～8所示，可以看出，背包點云與傳統(tǒng)測量技術(shù)獲得的隱蔽房角點平面位置中誤差為5.0 cm，獲得的房屋邊長實測值中誤差為3.9 cm，滿足地籍測量精度要求。實驗結(jié)果表明，背包點云在測量隱蔽房角點的平面位置和房屋邊長方面，不僅保證了測量精度，還提高了作業(yè)效率，避免了傳統(tǒng)測量技術(shù)多次搬站造成的影響。

圖7 背包點云和傳統(tǒng)測量技術(shù)獲得的隱蔽房角點平面誤差和誤差統(tǒng)計圖

圖8 背包點云和傳統(tǒng)測量技術(shù)獲得的隱蔽房屋邊長誤差和誤差統(tǒng)計圖

為了對比兩種作業(yè)模式的效率，本文統(tǒng)計了二者的作業(yè)時間，結(jié)果如表1 所示，可以看出，背包式三維激光掃描儀比傳統(tǒng)測量技術(shù)作業(yè)時長縮短了53%，降低了一定的工作強度，提高了地籍測量的整體作業(yè)效率。

表1 傳統(tǒng)測量技術(shù)和背包式三維激光掃描儀作業(yè)效率對比

3 結(jié) 語

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，為了加快和落實國家對全國農(nóng)村土地的調(diào)查工作，村莊地籍測量項目不斷增加。傳統(tǒng)的GPS+全站儀和測距儀的作業(yè)模式受環(huán)境和房屋現(xiàn)狀復(fù)雜等因素影響，作業(yè)效率偏低，不能滿足村莊地籍快速更新的要求。本文采用徠卡背包式三維激光掃描儀對村莊進(jìn)行外業(yè)掃描，生成建筑物海量點云數(shù)據(jù)，然后利用自主研發(fā)的Micro?Station Connect Edition 三維測圖軟件快速繪制村莊地籍調(diào)查工作底圖。本文從平面位置精度、相對長度和作業(yè)效率等方面，對背包式三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測量技術(shù)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明背包式三維激光掃描儀不僅能滿足村莊地籍調(diào)查工作底圖的測量要求，解決隱蔽房角點和房屋邊長的測量難題，而且較大幅度地提高了整體作業(yè)效率，掃描過程中應(yīng)注意快速穿過信號不佳區(qū)域。背包式三維激光掃描儀為村莊地籍調(diào)查工作底圖快速、準(zhǔn)確測量提供了新的技術(shù)手段。