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1、引言

2011年5月，國土資源部、財(cái)政部和農(nóng)業(yè)部下發(fā)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》，要求完成農(nóng)村集體土地所有權(quán)證的確權(quán)登記發(fā)證工作。這項(xiàng)工作意義十分重大，涉及廣大農(nóng)民的切身利益，對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展影響巨大而深遠(yuǎn)。而確權(quán)需要農(nóng)民群眾的全面參與配合，考慮到農(nóng)民大眾對確權(quán)所必須的測繪地理信息數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)水平，如何選擇農(nóng)村土地確權(quán)所采用的技術(shù)方法和數(shù)據(jù)源，也開始成為測繪從業(yè)者著重思考及解決的問題。

農(nóng)村土地確權(quán)與各地區(qū)普遍開展過的土地登記有類似的要求及過程，傳統(tǒng)的土地空間信息獲取方法多為光電測距。這種技術(shù)生產(chǎn)效率較低，成本高，采集的成果為離散點(diǎn)，不夠直觀。而采用手持激光雷達(dá)掃描獲取農(nóng)村房屋等對象的空間三維信息，得到測區(qū)的密集點(diǎn)云，生產(chǎn)房地一體所需的地籍空間數(shù)據(jù)，是一種新型且高效的技術(shù)手段。

SLAM系統(tǒng)是近年來激光掃描儀及定位定姿設(shè)備集成和小型化的優(yōu)秀典型，SLAM是Simultaneous localization and mapping縮寫，意為“即時(shí)定位與地圖構(gòu)建"，即掃描儀在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航。SLAM技術(shù)在移動(dòng)測量方面具有較好的應(yīng)用，不依托GNSS信號(hào)，能夠?qū)κ覂?nèi)外環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和建模。因此，SLAM技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了測量的復(fù)雜性，不需要大量地物標(biāo)記點(diǎn)，適用于室內(nèi)外、地上下多種復(fù)雜場景，對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。

2、SLAM技術(shù)在農(nóng)村房地一體空間數(shù)據(jù)獲取的主要優(yōu)勢

農(nóng)村房地一體的測量對象主要為房屋及其附屬等地籍要素，這類地物通常較集中密集，南方及沿海地區(qū)還有層數(shù)較高的特點(diǎn)。此類地形采用傳統(tǒng)的GPS結(jié)合光電測距測量方式時(shí)，因空間遮擋、衛(wèi)星及數(shù)據(jù)鏈信號(hào)較差等原因，難以得到滿足精度要求的固定解。采用SLAM測量技術(shù)，因無需GNSS信號(hào)，且激光掃描對工作環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能在密集房屋的房地一體測量中發(fā)揮較好的作用。具體表現(xiàn)為：①外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率高，控制點(diǎn)數(shù)量需求少，點(diǎn)云相對精度*，房屋邊長誤差小，長巷窄道等區(qū)域可快速獲取空間三維數(shù)據(jù)；②內(nèi)業(yè)點(diǎn)云處理自動(dòng)化程度高，需人工參與的工作少，不需要大量的計(jì)算資源，較短時(shí)間內(nèi)便能生產(chǎn)較大面積的點(diǎn)云成果；③系統(tǒng)操作簡單，可連貫持續(xù)數(shù)據(jù)采集，對作業(yè)員的技術(shù)門檻要求低，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜區(qū)域一體化掃描作業(yè)；④系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可進(jìn)行長時(shí)間數(shù)據(jù)采集，能滿足房地一體項(xiàng)目大面積數(shù)據(jù)采集的需要。

3、SLAM房地一體數(shù)據(jù)采集流程

SLAM房地一體數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)流程包括測區(qū)劃分（準(zhǔn)備工作）、控制點(diǎn)設(shè)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)后處理、房地一體地籍要素采集等內(nèi)容。主要流程如下圖：

圖7 矢量、點(diǎn)云、傾斜疊加

3.1測區(qū)劃分

測區(qū)劃分是SLAM房地一體數(shù)據(jù)采集前必須進(jìn)行的準(zhǔn)備工作，主要是對測區(qū)進(jìn)行掃描行進(jìn)路線規(guī)劃，開展測區(qū)控制點(diǎn)選點(diǎn)設(shè)計(jì)，使測區(qū)的控制網(wǎng)形合理，行進(jìn)路線閉合時(shí)間符合規(guī)定要求，保證點(diǎn)云成果精度。行進(jìn)路線設(shè)計(jì)需考慮目標(biāo)測區(qū)全部待測對象，確保作業(yè)時(shí)所有待測目標(biāo)能獲取到均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)重復(fù)掃描的冗余路段最少，提高作業(yè)效率[6]，防止點(diǎn)云厚度過大。按照經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)測區(qū)的掃描行進(jìn)路線閉合時(shí)間不能大于25分鐘，同時(shí)不應(yīng)小于20分鐘。大于25分鐘容易出現(xiàn)點(diǎn)云精度超限，小于20分鐘綜合效率較低，在20至24分鐘之間的方案較優(yōu)。

3.2控制點(diǎn)設(shè)測

控制點(diǎn)設(shè)測是保證掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度最重要的工序之一[7]。通常每個(gè)掃描測區(qū)需布設(shè)3至5個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)需遵循邊沿控制原則（應(yīng)布設(shè)在每個(gè)測區(qū)的外邊沿），分布均勻合理（應(yīng)布設(shè)在測區(qū)的四角），同時(shí)應(yīng)滿足相臨兩測區(qū)（測次）有1至2個(gè)的公共控制點(diǎn)。控制點(diǎn)測量可采用RTK施測，設(shè)置歷元數(shù)為2，測次數(shù)為25，精度平差報(bào)告合格率大于80%時(shí)采用點(diǎn)成果。

3.3數(shù)據(jù)采集

采用SLAM獲取房地一體要素點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常采用兩人配合的方式進(jìn)行。主測人配帶SLAM設(shè)備執(zhí)行掃描作業(yè)，協(xié)測人配帶控制點(diǎn)標(biāo)靶片和線路規(guī)劃圖，在主測人前按規(guī)劃線路引走領(lǐng)航。協(xié)測人需仔細(xì)觀察并記錄主測人的行進(jìn)時(shí)間和距離，提前在需掃描的控制點(diǎn)上，按規(guī)定放置標(biāo)靶片。主測人應(yīng)在每個(gè)控制點(diǎn)上用SLAM掃描標(biāo)靶片5至8秒鐘，完成后繼續(xù)按設(shè)計(jì)線路行進(jìn)。協(xié)測人收起標(biāo)靶片重新領(lǐng)航，直至主測人按設(shè)計(jì)路線完成測區(qū)掃描工作，并回到起掃點(diǎn)閉合。

按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，增加掃描行進(jìn)路線閉合環(huán)的數(shù)量，可有效提高點(diǎn)云成果的匹配精度和相對點(diǎn)位精度。掃描作業(yè)過程中儀器須保持勻速平穩(wěn)前進(jìn)，避免出現(xiàn)原地轉(zhuǎn)圈、突然跳躍、方向陡變等情況，防止點(diǎn)云成果分層；作業(yè)過程中，可登上一些較高建筑的頂部，在視線寬闊的位置采集周圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高點(diǎn)云成果的覆蓋度。每測區(qū)的數(shù)據(jù)采集均需填寫工作日志，記錄工程名稱、測區(qū)號(hào)、掃描起止時(shí)間、所測控制點(diǎn)編號(hào)等信息，提供內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用。

3.4數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是對外業(yè)采集的點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)用配套的軟件進(jìn)行初始解算、測區(qū)配準(zhǔn)（拼接）、分層檢查、格式轉(zhuǎn)換等操作。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要利用軟件的自動(dòng)化執(zhí)行[8]，實(shí)際作業(yè)主要是設(shè)置軟件相關(guān)參數(shù)。通過設(shè)置經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值，把小測區(qū)點(diǎn)云合并為大測區(qū)，同時(shí)檢查數(shù)據(jù)是否存在分層、錯(cuò)位等質(zhì)量問題，符合要求后轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)后處理工序。數(shù)據(jù)預(yù)處理的參數(shù)主要有收斂閾值[9]、處理窗口尺寸[10]、體素密度[11]、剛度參數(shù)[12]、最大迭代次數(shù)[13]等，主要設(shè)置點(diǎn)云處理獲取數(shù)據(jù)樣本的大小，IMU[14]和LiDAR數(shù)據(jù)之間的權(quán)重，嘗試匹配重疊區(qū)域中的數(shù)據(jù)次數(shù)，處理數(shù)據(jù)時(shí)細(xì)節(jié)取舍閾值等內(nèi)容，用于調(diào)整數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果。

3.5數(shù)據(jù)后處理

數(shù)據(jù)后處理是把經(jīng)過預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶入控制點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)校正，并進(jìn)行去噪、抽稀、分塊等處理，為房地一體要素內(nèi)業(yè)測圖采集提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。點(diǎn)云配準(zhǔn)校正主要采用仿射變換方式，使測量誤差和系統(tǒng)誤差平均分布，避免誤差集中累加在離控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域上，精度超限。數(shù)據(jù)后處理也主要采用SLAM配套的處理軟件，操作流程及工序均相對簡單，但出現(xiàn)非常規(guī)問題時(shí)，處理解決難度較大，需要豐富經(jīng)驗(yàn)積累。如出現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)精度超限，需要結(jié)合點(diǎn)云及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)分析超限真正原因進(jìn)行解決。

3.6房地一體地籍要素采集

房地一體地籍要素采集主要包括房屋及其附屬的圍墻、室外樓梯、通廊、門頂?shù)葍?nèi)容。將處理后的點(diǎn)云成果加載到南方數(shù)碼研發(fā)的iData_3D[15]上進(jìn)行要素的空間位置及形狀采集，并對陽臺(tái)、飄樓等屬性信息進(jìn)行識(shí)別、分類、標(biāo)識(shí)，最終形成房地一體調(diào)查所需的空間矢量數(shù)據(jù)。采用iData_3D依據(jù)點(diǎn)云采集矢量數(shù)據(jù)時(shí)，iData_3D提供了切片、吸附、垂直、拉伸、跟蹤、擠壓等多項(xiàng)編輯和多視圖瀏覽功能，支持矢量、影像、點(diǎn)云、傾斜數(shù)據(jù)的集成和顯示，直觀還原目標(biāo)對象在實(shí)地的位置和形態(tài)，方便作業(yè)人員進(jìn)行要素圖形的構(gòu)建，有效提高采集精度，同時(shí)減小作業(yè)員對測繪專業(yè)知識(shí)的要求，降低了技術(shù)門檻，提高了生產(chǎn)效率。

4、成果數(shù)據(jù)精度及效率統(tǒng)計(jì)

經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比較和分析，以傳統(tǒng)光電測距（全站儀）測量的數(shù)據(jù)成果為真值，SLAM系統(tǒng)生產(chǎn)農(nóng)村房地一體矢量成果數(shù)據(jù)精度能滿足地籍測繪5cm中誤差要求，綜合效率能達(dá)到傳統(tǒng)全站儀測量的兩倍以上，特別是外業(yè)工作只有傳統(tǒng)全站儀測量的30%，有效地把大量外業(yè)工作轉(zhuǎn)化到內(nèi)業(yè)處理，減小了天氣、地形復(fù)雜程度等因素對測量工作的制約。

4.1精度統(tǒng)計(jì)

通過對廣東肇慶、江蘇常州、廣東清遠(yuǎn)、江蘇新沂四個(gè)項(xiàng)目的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在同精度檢測下[16]，最大△X為0.203米，最大△Y為0.189米，最大△S為0.238米，中誤差最大值為4.8cm，最小值為3.2cm，粗差率最大值為5%，最小值為1.31%，精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足房地一體測量相關(guān)規(guī)范要求。

表1 精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2效率統(tǒng)計(jì)

經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在房屋較密集的居民點(diǎn)集中區(qū)，與傳統(tǒng)全站儀測量方法相比較，采用SLAM開展房地一體地籍要素采集，綜合生產(chǎn)效率有較大的提高。主要表現(xiàn)為SLAM外業(yè)采集的工作效率提高到4倍，內(nèi)業(yè)處理及成圖工作效率有少許的降低，約為0.87倍，質(zhì)量檢查能充分利用點(diǎn)云記載的豐富空間和屬性信息，效率約提高2倍，詳細(xì)對比情況如下表所示。

表2 效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5、結(jié)束語

隨著手持式激光掃描系統(tǒng)的集成化和小型化，越來越多的測繪人已經(jīng)感受到它與傳統(tǒng)測量儀器之間的巨大差別。三維激光掃描技術(shù)可以生成3D立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將房地一體要素的各個(gè)部位和結(jié)構(gòu)完整地還原展現(xiàn)，并能通過專業(yè)軟件直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行繪圖生產(chǎn)。這種作業(yè)方式不僅節(jié)省時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)對外業(yè)作業(yè)人員的專業(yè)技能要求也比傳統(tǒng)測繪方法要低。更為重要的是，通過把大量的外業(yè)碎部測量工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集處理，不僅降低了測繪工作對天氣的依賴，同時(shí)也保證了測繪成果的精度。目前，SLAM系統(tǒng)在小區(qū)域集中、建筑密集度高的房地一體項(xiàng)目測量實(shí)踐中，以其靈活的作業(yè)方式，較簡單的外業(yè)操作步驟，較直觀的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)可視，得到了比傳統(tǒng)全站儀測量更快更好的房地一體數(shù)據(jù)成果，為省級乃至全國同步完成房地一體測繪工作提供了一種新且有效的技術(shù)思路和解決方案。

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