查燕萍 張文斌 楊 茜

（江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊(duì) 江西 南昌 330001）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)村城鎮(zhèn)化的加速，對(duì)集體建設(shè)用地使用權(quán)進(jìn)行確權(quán)、頒發(fā)證書(shū)，是當(dāng)前我國(guó)土地利用改革的重要內(nèi)容之一[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)土資源部、財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部共同發(fā)布了《關(guān)于加快農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證工作的通知》，旨在協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)發(fā)展，保障農(nóng)民利益，化解矛盾，促進(jìn)社會(huì)和諧[2]。

我國(guó)國(guó)土面積遼闊，土地使用權(quán)確權(quán)是一項(xiàng)浩大的工程，利用傳統(tǒng)的測(cè)量方式（如全站儀+RTK）周期長(zhǎng)、效率低。在滿足精度的前提下，如何利用新技術(shù)新方法高效測(cè)量是亟待解決的問(wèn)題。

三維激光掃描是一種新型、不需要棱鏡、非接觸、快速、高精度、高分辨率、多尺度、多層次、多角度的測(cè)量手段。采用3D 激光掃描儀，可大幅縮短現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)周期，提高測(cè)量精度[3]，從而高效地完成農(nóng)村房地一體的確權(quán)登記工作。

2 三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)概述

三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成通常包括：激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間譯碼器、電動(dòng)機(jī)、濾光鏡、工業(yè)級(jí)照相機(jī)、控制電路、微電腦等，詳情見(jiàn)圖1。按照掃描的空間位置以及不同的使用場(chǎng)景，將其分成以下三種模式：

圖1 地面三維激光掃描技術(shù)路線

（1）機(jī)載激光掃描系統(tǒng)：能夠?qū)Φ孛孢M(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。激光掃描儀進(jìn)行空對(duì)地的掃描，以確定成像中心到地面采樣點(diǎn)的精確距離，并以幾何原理為依據(jù)，計(jì)算出采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)。適用于地形復(fù)雜的環(huán)境，具備高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，但可能會(huì)有掃描盲區(qū)。

（2）地面式激光掃描系統(tǒng)：從工作方式來(lái)看，有移動(dòng)的和固定的兩種，具備掃描距離長(zhǎng)、精度高不易涉及盲區(qū)的特點(diǎn)。

（3）手持式激光掃描器：它是一種小型、靈活、便于攜帶的激光距離測(cè)量裝置，多用于室內(nèi)房產(chǎn)測(cè)量、建筑測(cè)量、洞穴測(cè)量等領(lǐng)域，主要是利用它的精確測(cè)距功能，對(duì)物體的長(zhǎng)度、面積和體積等進(jìn)行計(jì)算。

2.2 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

目前，三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)激光反射實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)，極大地提高了測(cè)繪的效率，減輕了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

傳統(tǒng)的野外測(cè)量多為單個(gè)點(diǎn)的高精度測(cè)量，在精度、數(shù)量和速度等方面很難達(dá)到模型化的要求。而通過(guò)攝影測(cè)量、遙感獲取影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間處理后能得到大量三維坐標(biāo)點(diǎn)。此方法雖然也能獲取大量三維坐標(biāo)點(diǎn)信息，但是處理影像需要花費(fèi)大量時(shí)間。而三維激光掃描技術(shù)利用現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)，采用非接觸的方式，深入到復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和空間中進(jìn)行掃描，直接對(duì)各類實(shí)體或真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行3D數(shù)據(jù)采集，從而獲得測(cè)量對(duì)象的表面采樣點(diǎn)集“點(diǎn)云”。對(duì)于航飛區(qū)域受限、房屋密集分布的區(qū)域，可采用三維激光掃描設(shè)備穿梭于大街小巷，獲取街區(qū)房屋詳細(xì)的房地要素。

三維激光掃描設(shè)備，不僅攜帶便利、操作性強(qiáng)、靈活性高，在獲取房屋面積和輪廓等方面，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)全站儀測(cè)量的不足，在保證房屋采集面積精度的前提下，大大減少外業(yè)工作量。

3 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

中國(guó)地域廣袤，不同區(qū)域的自然和人文景觀差異較大，使得農(nóng)村集體土地和宅基地確權(quán)工作面臨著很大的挑戰(zhàn)。選用何種類型三維激光掃描儀也是考慮的重點(diǎn)，目前常見(jiàn)的選擇有以下兩款。萊卡HDS8800 激光掃描儀作為地面式激光掃描儀，高速脈沖式掃描范圍可達(dá)2.5m?2000m，掃描角度精度為0.25mrad，具體參數(shù)見(jiàn)表1。在前期工作中，要對(duì)掃描區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，測(cè)量人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的地表、地質(zhì)條件，制定出測(cè)量的項(xiàng)目計(jì)劃，布設(shè)合理的站點(diǎn)。站點(diǎn)的設(shè)定根據(jù)測(cè)圖精度要求設(shè)置合理的分辨率。接著采用流動(dòng)RTK 進(jìn)行單點(diǎn)定位和后視點(diǎn)定位。使用徠卡HDS8800 激光掃描儀架設(shè)在已知點(diǎn)上，利用儀器自身的后視指向，就可以開(kāi)始掃描工作，不需要再單獨(dú)布設(shè)反射標(biāo)靶。

表1 萊卡HDS8800激光掃描儀參數(shù)

徠卡BLK2GO 手持激光掃描儀更加輕便靈活，單人即可完成房地一體項(xiàng)目，適合這種房屋及其附屬物等地籍要素的測(cè)量，因房屋通常較集中密集，無(wú)需信號(hào)，激光掃描對(duì)工作環(huán)境有很強(qiáng)的實(shí)用性，尤其是針對(duì)城中村這種長(zhǎng)巷窄道等區(qū)域，手持激光掃描儀更具優(yōu)勢(shì)。本文綜合考慮地理環(huán)境等因素選擇萊卡HDS8800 地面三維激光掃描儀，具體采集數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖3 房地一體項(xiàng)目實(shí)施流程圖

把掃描得到的數(shù)據(jù)輸入到徠卡預(yù)處理軟件中，按照順序進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)的過(guò)濾，以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取[4]。為了獲得村莊房屋中的中間點(diǎn)，可以在AutoCAD 中輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)瞄準(zhǔn)房屋的外形。此過(guò)程軟件自動(dòng)處理完成，同時(shí)軟件除了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，還能拼接全景照片，用于后期調(diào)查資料的成果。

4 案例分析

結(jié)合江西省某縣的農(nóng)村房地一體確權(quán)工作，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并針對(duì)農(nóng)房一體確權(quán)項(xiàng)目，基于地面三維激光掃描技術(shù)給出了解決辦法，推動(dòng)農(nóng)村房地一體確權(quán)工作向高效、簡(jiǎn)便和智能化的方向發(fā)展。

4.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)設(shè)在江西省某縣城偏遠(yuǎn)的一片山地中，被群山環(huán)繞，被測(cè)村在一片丘陵的山腰上。村子里的建筑很多，而且格局很亂，通向村的道路很難走，路也比較窄，這是一個(gè)典型的偏遠(yuǎn)村子。

4.2 掃描區(qū)域

測(cè)量地點(diǎn)選在該測(cè)區(qū)的一個(gè)村莊，該村莊的地形是一個(gè)中央平地，四周群山環(huán)繞。預(yù)設(shè)臺(tái)站的方法是將臺(tái)站設(shè)在村莊相對(duì)較高的環(huán)山道旁，自上而下、多角度地獲得村莊資料。盡可能使多個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)呈三角形分布，以減小掃描盲區(qū)。

4.3 掃描方式

在觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置時(shí)，應(yīng)選取觀測(cè)點(diǎn)好的地段。

（1）本項(xiàng)目所用的萊卡HDS8800為例，其測(cè)量最大距離2km，使用時(shí)注意選址，要避開(kāi)人多、車多、河流多、灌木多的地方，要保證站臺(tái)前方的視野開(kāi)闊，沒(méi)有障礙物。

（2）將儀器安裝在一個(gè)已知的位置，用一個(gè)14倍的內(nèi)建望遠(yuǎn)鏡的透鏡，觀察后方的景物（不需要棱鏡，只需要對(duì)準(zhǔn)柱子即可）。

（3）安裝好儀器后，將掃描密度和照片暴露量分別輸入到遙控器上。通常在野外進(jìn)行大范圍的掃描儀，選擇4 號(hào)密度，曝光量可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的戶外環(huán)境進(jìn)行選擇。拍攝這些彩色圖片的目的是給以后的資料處理提供實(shí)際的參考。

（4）掃描完成后，將數(shù)據(jù)從控制臺(tái)上輸出，輸入自帶的處理軟件，就會(huì)顯示出一個(gè)完整的村莊點(diǎn)云（包含RGB點(diǎn)云）。

4.4 地形處理和權(quán)屬調(diào)查成果的完成

萊卡的后處理軟件具有較強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)山區(qū)地形輪廓的自動(dòng)繪制，并且可以將其輸入到AutoCAD 中，對(duì)其進(jìn)行修改。在農(nóng)村房地一體確權(quán)過(guò)程中，為了解決這一問(wèn)題，萊卡提出了以下兩種解決方案。

方法1：把得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入到AutoCAD 或Sinomain CASS 軟件，用來(lái)做地形圖[5]。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以直接繪制農(nóng)村房屋的中點(diǎn)，既直觀又簡(jiǎn)單。從掃描結(jié)果來(lái)看，70%的房子都是可以被掃描出來(lái)的。

方法2：利用后處理軟件對(duì)觀察角度進(jìn)行調(diào)整，在每座建筑物的空間內(nèi)選取界址點(diǎn)，求取這些點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，將得到的選擇模板點(diǎn)展入到AutoCAD中，便于對(duì)模板進(jìn)行判定。如遇盲角，可與手持式測(cè)距器連接，進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

以上兩種方法均解決了此次農(nóng)村房地一體確權(quán)過(guò)程測(cè)量的問(wèn)題，通過(guò)方案一提取出大多數(shù)房子的中點(diǎn)，較快地繪制出地形圖，生成等高線，方法二是解決房屋遮擋不能直接掃描的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整角度選取界址點(diǎn)求坐標(biāo)，然后倒入CAD 進(jìn)行模版判定，特殊情況通過(guò)測(cè)距儀補(bǔ)測(cè)。

結(jié)合全景影像成果，依據(jù)實(shí)際房屋情況和宗地圖要求，用相關(guān)圖例繪制地籍圖，如圖5 所示。本次局部地籍圖和房屋分層分戶圖如圖6 所示。依據(jù)側(cè)面相機(jī)的照片以及全景影像，將權(quán)屬調(diào)查的資料成果完成，做到一次外業(yè)成果多次利用上，從而最大程度提升了工作效率。應(yīng)用本文方法與RTK+全站儀傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行效率對(duì)比，表2 是對(duì)比結(jié)果，面積約1km2，時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值為此項(xiàng)目的估值，通過(guò)下表明顯可以看出，三維激光掃描方法相比傳統(tǒng)方法節(jié)省一半多時(shí)間。

表2 效率統(tǒng)計(jì)表

圖5 村莊局部地籍圖

圖6 宗地圖和房屋分層分戶圖

農(nóng)村房地一體工程項(xiàng)目要求在地籍測(cè)繪5cm 的平面中誤差控制內(nèi)，HDS8800 激光掃描點(diǎn)的精度完全滿足了此精度標(biāo)準(zhǔn)。文中所述的第1 種方法比較直觀，但對(duì)于點(diǎn)的劃線精度不高，而且農(nóng)村房屋的數(shù)據(jù)有很大的遮擋，很難得到100%的掃描數(shù)據(jù)；第2種方法避免了土地確權(quán)過(guò)程中繁瑣的現(xiàn)場(chǎng)工作，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)資料的處理效率。第二種方法是農(nóng)村房地一體項(xiàng)目的首選方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描儀的使用，使農(nóng)村房地一體確權(quán)工作在速度、效率和實(shí)時(shí)性上都有了一個(gè)新的提高，特別是外業(yè)工作是傳統(tǒng)全站儀測(cè)繪的30%，減少了天氣以及地形復(fù)雜等對(duì)測(cè)繪工作效率的影響。雖然激光掃描儀的前期購(gòu)買成本較高，但是效率提升也節(jié)約了人力和時(shí)間成本。隨著3D 激光掃描技術(shù)的推廣和普及，相關(guān)產(chǎn)品會(huì)越來(lái)越完善，同時(shí)還會(huì)加速推動(dòng)測(cè)繪與其他學(xué)科之間的融合，希望未來(lái)有更簡(jiǎn)單、高效、智能的掃描形式逐步發(fā)展和應(yīng)用起來(lái)。