手持三維激光掃描儀和移動背包掃描系統(tǒng)在房地一體測量中的應用*

余 龍，代龍昌，施志玲

(1.昆明市土地開發(fā)整理中心，云南 昆明 650228；2.云南省地礦測繪院，云南 昆明 650218)

0 引言

2019年中央一號文件明確提出：加快推進宅基地使用權確權登記頒證工作，力爭2020年基本完成。自然資源部要求：2020年底前，完成全國農村地籍調查、農村宅基地和集體建設用地登記率達到80%以上。通過加快農村不動產確權登記，依據法規(guī)確保所有農民權益，從而為實現鄉(xiāng)村振興奠定穩(wěn)固基礎。

為此，本文以昆明市盤龍區(qū)雙龍街道哈馬者小組為試點，通過將手持三維激光掃描儀和數字背包掃描系統(tǒng)相結合進行試點測量，探究一個高效可行的農村房地一體不動產權籍調查和測繪方案。

1 兩種掃描系統(tǒng)的主要優(yōu)勢

1.1 手持三維激光掃描儀主要優(yōu)勢

BLK2GO依靠點云SLAM算法和相機的視覺定位追蹤來實現自身定位。BLK2GO集激光雷達、 SLAM、全景相機、IMU等先進技術于一體，僅以手持的方式就可以將周圍環(huán)境掃描記錄并通過三維點云及高清圖像呈現出來。徠卡首次成功將激光SLAM與視覺SLAM融合，推出新型定位技術——GrandSLAM雙重定位技術(由激光定位和視覺定位組成，將激光定位、視覺追蹤、AI算法有機融合，從而實現高精度自主定位)。相比于傳統(tǒng)的SLAM定位技術，GrandSLAM解決了手持移動掃描產品精度低的難題，極大地提高了定位的準確性，保證了數據的精度。GrandSLAM雙重定位技術實現高精度自主定位，解決了僅僅依靠GPS才能準確定位區(qū)域的數據采集。

1.2 移動背包掃描系統(tǒng)主要優(yōu)勢

Pegasus Backpack是全新移動實景測量背包，配備5個相機和2個激光掃描儀，集成高精度GNSS、IMU慣導系統(tǒng)以及SLAM于一體，使用平板電腦控制系統(tǒng)，采用碳纖維材質和人體工學設計制作而成。

Pegasus Backpack集成了雙激光掃描儀，每秒可獲取60萬點云數據，真實還原三維場景。全方位進行數據采集，所見即所得，掃描無死角；全景相機系統(tǒng)，相機系統(tǒng)拍攝素質高，配備光線傳感器，保障圖片成像質量。照片與點云實時聯(lián)動，可在全景照片中直接進行特征物提取；GNSS+IMU慣性導航系統(tǒng)結合SLAM算法，可獲取室外5 cm測量精度的數據成果。集成了SLAM定位技術，輕松應對室內和地下空間的數據采集；功能齊全的特征提取軟件Mapfactory，支持ArcGIS和AutoCAD雙平臺，符合傳統(tǒng)作業(yè)習慣，減少學習成本。具備桿狀物半自動提取，生成點云斷面圖、正射影像，支持導入控制點糾正點云等功能，提供豐富的數據成果。

2 數據采集

在工作過程中，使用數字背包采集視野開闊地的三維點云數據，使用手持三維激光掃描儀采集狹窄區(qū)域及圍墻內部的三維點云數據。

2.1 設備軟件準備

外業(yè)采用手持三維激光掃描儀BLK2GO和移動背包掃描系統(tǒng)Pegasus Backpack進行數據采集；內業(yè)采用BLK Data Manager、Cyclone REGISTER 360、Pegasus Manager、Leica Infinity、Inertial Explorer 8.70等軟件進行點云數據處理，采用EPS3D軟件進行數字化制圖。

2.2 測區(qū)劃分

使用SLAM技術進行農村房地一體測量前需要進行測區(qū)劃分，主要是對測區(qū)范圍掃描路線進行提前規(guī)劃，進行測區(qū)控制網合理布設，確保掃描路線閉合時間符合相關規(guī)定要求，確保點云數據成果精度。確保掃描路線規(guī)劃前需考慮測區(qū)范圍內所有需要采集的點云，保證所有測量區(qū)域采集的點云都是均勻分布的，同時減少重復路線，減少點云冗余，提高作業(yè)效率，防止點云厚度過大。根據前期經驗，每個測站時間不能大于25 min，同時不應小于20 min。大于25 min容易出現點云精度超限，小于20 min綜合效率較低，而在20～24 min之間的方案較優(yōu)。

2.3 手持三維激光掃描儀數據采集

2.3.1 外業(yè)數據采集

1)外業(yè)數據采集流程。按照標準流程進行初始化，按照規(guī)劃路線進行采集。從一個房間到另一個房間的采集，出門口之前和進門口之后需要停留10 s，保證采集數據全面。若有控制點區(qū)域，在經過控制點時要采集控制點。外業(yè)采集流程如圖1所示。

圖1 外業(yè)數據采集流程Fig.1 Field data acquisition flow

2)項目初勘和規(guī)劃。外業(yè)數據采集之前要對現場進行初勘，目的是規(guī)劃整個行走路徑，使得數據盡可能采集全面，清除行走道路上的障礙物。現場初勘和初步路徑規(guī)劃如圖2所示。

圖2 初勘和初步路徑規(guī)劃Fig.2 Preliminary survey and path planning

3)數據采集。采集行走路線規(guī)劃完成之后，將BLK2GO放置到水平放置的臺架上，設備初始化完成，并自動開始數據記錄。沿規(guī)劃路線持續(xù)行走采集數據，數據記錄狀態(tài)指示燈帶一直為閃爍綠色，在數據采集狀態(tài)下，快速按開機鍵一次，相機完成一次拍照。數據采集完成后關閉主機。在設備開機后，可通過BLK2GO Live app，連接主機Wifi，實時查看點云數據和照片數據。

2.3.2 內業(yè)數據處理

1)數據下載。Type_c線連接設備和電腦，使用BLK Data Manager軟件和Re-Scan軟件識別到設備后點擊Connect，完成后選擇掃描的工程文件，進行數據下載。

2)數據導入與瀏覽。打開Cyclone REGISTER 360軟件，創(chuàng)建項目。在Cyclone REGISTER 360軟件下找到下載的數據并添加到Cyclone REGISTER360左下欄，選擇不勾選自動黑白標靶拼接等步驟，設置全景站點間距為6～10 m。數據導入包含了點云的創(chuàng)建、真彩色附著。數據導入完成后即為真彩色三維點云數據，在Cyclone REGISTER 360軟件中可以進行站點模式、切片模式、測站模式3種方式瀏覽查看點云數據。測站某視圖全景+點云圖如圖3所示。

圖3 測站某視圖全景和點云Fig.3 Panorama and point clouds of a view in a station

3)數據輸出。按需求輸出需要的點云格式，設置數據發(fā)布選項，選擇自己想要輸出的數據格式，點擊發(fā)布即可。

2.4 移動背包掃描系統(tǒng)數據采集

2.4.1 外業(yè)采集

外業(yè)數據采集過程主要包括設備安裝、設備初始化、設備參數設置和連續(xù)采集數據等過程。先將Pegasus Backpack放置在空曠場地，靜態(tài)觀測5 min，再動態(tài)初始化5 min，動態(tài)初始化包括直線加速、∞字繞行及靜止狀態(tài)，以校準IMU，按照前期規(guī)劃號的路線盡量選擇GNSS信號好的地方，盡量避開影響GNSS信號的遮擋物，在數據采集過程中遇到信號弱的區(qū)域，Pegasus Backpack使用SLAM算法輔助完成定位和定向。

2.4.2 內業(yè)數據處理

1)數據導出

將移動硬盤插入背包的USB接口，使用平板遠程控制下載背包數據。GPSINS為原始軌跡文件夾，Scanfiles為原始掃描數據文件夾，WalkA為原始影像數據文件夾，Log為日志文件夾，Calibration為檢校文件夾。

2)數據準備

在GPSINS文件夾下，新建master文件夾，存儲基準站數據。注意：基站設置距離測區(qū)最遠為20 km，為保證獲得更好的精度建議設置在5 km內。

3)軌跡解算

使用Inertial Explorer 軌跡解算軟件，選擇File-Convert-Raw GNSS to GPB，選擇GetFolder找到原始數據文件夾/GPSINS，執(zhí)行Auto Add Recursively，其中Rinex為基站。然后點擊Convert轉換全部基站和背包的數據。導出合并后的軌跡數據，存儲在與Master同級根目錄下。點File-New Project-Empty Project，在相應的項目工程-GPSINS文件夾下創(chuàng)建項目，輸入“項目名稱”?；緮祿砑雍螅枰O置的內容有精確的經緯度和橢球高，檢查基站天線的類型和儀器高，其中Measured height為垂高，Applied height為最終使用的計算到相位中心的真實天線高度，選擇Measured heigh量到天線底部或相位中心。項目建立完成后，確定基站數據的時間是否包含了背包采集的時間。

打開軟件選擇Process-Process TC(Tightly coupled)，TC設置的General選項卡下只設置Elevation mask為10deg。若基站支持很多衛(wèi)星，將Enable QZSS和Enable Galileo關掉，設置完整個TC，點擊Process進行軌跡的解算，點擊Plot Results，在選項卡ALL下進行分析計算。在GNSS固定的前提下，軌跡前后解算的分離結果不會出現非常大的數值如超過1 m，有個別凸起異常值屬于正常，一般最大數據控制在0.15到0.2為正常；軌跡解算完成會自動在GPSINS文件夾下生成軌跡解算結果XXX.cts文件，用于點云解算。

4)建立坐標系

在進行點云和影像處理前，需建立WGS-84到工程坐標系的投影坐標系。使用七參數進行坐標轉換，已知測區(qū)內的4對點，即WGS-84經緯度橢球高與本地平面坐標，則可通過計算七參數方式進行定義坐標系統(tǒng)。七參數法至少需要4對點，且點的分布要覆蓋整個測區(qū)，兩套三維坐標為WGS-84坐標和本地坐標，控制點要求為高精度點，不能是RTK點。然后將WGS-84坐標點號，經緯度和高的列信息對應導入點坐標，使用同樣方法導入地方坐標。設置好后進行點的匹配，在 system A 中選擇下拉框的項目名稱，則會自動匹配到導入的平面坐標的點信息；然后在左右兩個選項框內選中對應的點，點擊箭頭對同名點進行匹配，顯示出殘差值。然后回到 Coordinate system manager 界面，找到該坐標系統(tǒng)，點擊右側邊欄的 export to global，將該坐標系統(tǒng)復制到整個 infinity 的數據庫里，這樣即可被 Pegasus Manager 所訪問。

5)AutoP 軟件自動掛機處理點云和照片

導入點云文件，設置 Min intensity為相應的數值，正常采集數值設置為 5～8，當采集的任務的環(huán)境比較潮濕和有大面積水時設置為 2，有大霧或者早晨的采集環(huán)境時設置為3 或 4。

SLAM解算，設置Basic SLAM，勾選Height Constraint。先解算完 BasicSLAM后再解算AdvanceSLAM，處理完成后，在GPSINS中生成 BasicSLAM 和 AdvancedSLAM兩條軌跡文件。

掛機生成三維點云數據，在解算完 SLAM 后就可以進行一鍵掛機全部的操作，并先對一些參數進行設置。導入軌跡數據的參數設置，選中 Import trajectory data，點擊 parameters進行設置，此處軌跡的選擇直接點擊Basic或Advance。

設置完所有的參數后，點擊Process，在彈出的界面中，選擇在infinity 中已建好的目標坐標系，點擊 OK，程序運行，完成點云數據處理。

局部點云如圖4所示。

圖4 局部點云Fig.4 Local point clouds

3 點云數據融合關鍵技術分析

點云數據融合是將手持三維激光掃描儀BLK2GO和移動背包掃描系統(tǒng)Pegasus Backpack掃描的點云數據經過點云剔除、噪聲點去除、三維模型表面修復后，統(tǒng)一為Cyclone REGISTER 360軟件能打開的las格式，以移動背包掃描系統(tǒng)的點云數據為基準成果數據，將手持三維激光掃描儀點云數據根據同名點粗略融合。使用方法為統(tǒng)一坐標系法與改進ICP算法融合多點云，統(tǒng)一坐標系法解決數據相距較遠的問題，對多點云數據進行粗略融合。

點云數據融合建模步驟如下：

1)使用統(tǒng)一坐標系法進行“點云+點云”的粗略融合。

2)使用改進ICP算法進行“點云+點云”的精細融合。

3)對融合完成的三維模型進行表面修復。

4 結束語

隨著三維激光掃描技術的發(fā)展及推廣，其被廣泛應用于不同的領域。隨著手持式激光掃描系統(tǒng)的集成化和小型化，越來越多的人感受到它的高效方便。手持三維激光掃描技術與移動背包掃描系統(tǒng)可以生成3D立體點云數據，將房地一體目標物各個部位和結構完整呈現，并能通過專業(yè)軟件直接在點云數據上進行繪圖生產。這種測量技術手段大大縮短了外業(yè)作業(yè)時間，提高了工作效率，數據成果精度完全能夠滿足規(guī)范要求，數據成果也更加立體準確，為更快完成農村房地一體測量、不動產三維數據管理、實景三維的建設提供了一種行之有效的技術思路和解決方案。