余 龍，代龍昌，施志玲

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

0 引言

2019年中央一號(hào)文件明確提出：加快推進(jìn)宅基地使用權(quán)確權(quán)登記頒證工作，力爭(zhēng)2020年基本完成。自然資源部要求：2020年底前，完成全國(guó)農(nóng)村地籍調(diào)查、農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地登記率達(dá)到80%以上。通過(guò)加快農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記，依據(jù)法規(guī)確保所有農(nóng)民權(quán)益，從而為實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興奠定穩(wěn)固基礎(chǔ)。

為此，本文以昆明市盤龍區(qū)雙龍街道哈馬者小組為試點(diǎn)，通過(guò)將手持三維激光掃描儀和數(shù)字背包掃描系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)量，探究一個(gè)高效可行的農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查和測(cè)繪方案。

1 兩種掃描系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)

1.1 手持三維激光掃描儀主要優(yōu)勢(shì)

BLK2GO依靠點(diǎn)云SLAM算法和相機(jī)的視覺(jué)定位追蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)自身定位。BLK2GO集激光雷達(dá)、 SLAM、全景相機(jī)、IMU等先進(jìn)技術(shù)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(guò)三維點(diǎn)云及高清圖像呈現(xiàn)出來(lái)。徠卡首次成功將激光SLAM與視覺(jué)SLAM融合，推出新型定位技術(shù)——GrandSLAM雙重定位技術(shù)(由激光定位和視覺(jué)定位組成，將激光定位、視覺(jué)追蹤、AI算法有機(jī)融合，從而實(shí)現(xiàn)高精度自主定位)。相比于傳統(tǒng)的SLAM定位技術(shù)，GrandSLAM解決了手持移動(dòng)掃描產(chǎn)品精度低的難題，極大地提高了定位的準(zhǔn)確性，保證了數(shù)據(jù)的精度。GrandSLAM雙重定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度自主定位，解決了僅僅依靠GPS才能準(zhǔn)確定位區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。

1.2 移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)

Pegasus Backpack是全新移動(dòng)實(shí)景測(cè)量背包，配備5個(gè)相機(jī)和2個(gè)激光掃描儀，集成高精度GNSS、IMU慣導(dǎo)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(zhì)和人體工學(xué)設(shè)計(jì)制作而成。

Pegasus Backpack集成了雙激光掃描儀，每秒可獲取60萬(wàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，真實(shí)還原三維場(chǎng)景。全方位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所見(jiàn)即所得，掃描無(wú)死角；全景相機(jī)系統(tǒng)，相機(jī)系統(tǒng)拍攝素質(zhì)高，配備光線傳感器，保障圖片成像質(zhì)量。照片與點(diǎn)云實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，可在全景照片中直接進(jìn)行特征物提??；GNSS+IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合SLAM算法，可獲取室外5 cm測(cè)量精度的數(shù)據(jù)成果。集成了SLAM定位技術(shù)，輕松應(yīng)對(duì)室內(nèi)和地下空間的數(shù)據(jù)采集；功能齊全的特征提取軟件Mapfactory，支持ArcGIS和AutoCAD雙平臺(tái)，符合傳統(tǒng)作業(yè)習(xí)慣，減少學(xué)習(xí)成本。具備桿狀物半自動(dòng)提取，生成點(diǎn)云斷面圖、正射影像，支持導(dǎo)入控制點(diǎn)糾正點(diǎn)云等功能，提供豐富的數(shù)據(jù)成果。

2 數(shù)據(jù)采集

在工作過(guò)程中，使用數(shù)字背包采集視野開(kāi)闊地的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用手持三維激光掃描儀采集狹窄區(qū)域及圍墻內(nèi)部的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.1 設(shè)備軟件準(zhǔn)備

外業(yè)采用手持三維激光掃描儀BLK2GO和移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)Pegasus Backpack進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；內(nèi)業(yè)采用BLK Data Manager、Cyclone REGISTER 360、Pegasus Manager、Leica Infinity、Inertial Explorer 8.70等軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，采用EPS3D軟件進(jìn)行數(shù)字化制圖。

2.2 測(cè)區(qū)劃分

使用SLAM技術(shù)進(jìn)行農(nóng)村房地一體測(cè)量前需要進(jìn)行測(cè)區(qū)劃分，主要是對(duì)測(cè)區(qū)范圍掃描路線進(jìn)行提前規(guī)劃，進(jìn)行測(cè)區(qū)控制網(wǎng)合理布設(shè)，確保掃描路線閉合時(shí)間符合相關(guān)規(guī)定要求，確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果精度。確保掃描路線規(guī)劃前需考慮測(cè)區(qū)范圍內(nèi)所有需要采集的點(diǎn)云，保證所有測(cè)量區(qū)域采集的點(diǎn)云都是均勻分布的，同時(shí)減少重復(fù)路線，減少點(diǎn)云冗余，提高作業(yè)效率，防止點(diǎn)云厚度過(guò)大。根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)測(cè)站時(shí)間不能大于25 min，同時(shí)不應(yīng)小于20 min。大于25 min容易出現(xiàn)點(diǎn)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(shù)據(jù)采集

2.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程。按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行初始化，按照規(guī)劃路線進(jìn)行采集。從一個(gè)房間到另一個(gè)房間的采集，出門口之前和進(jìn)門口之后需要停留10 s，保證采集數(shù)據(jù)全面。若有控制點(diǎn)區(qū)域，在經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)時(shí)要采集控制點(diǎn)。外業(yè)采集流程如圖1所示。

圖1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程Fig.1 Field data acquisition flow

2)項(xiàng)目初勘和規(guī)劃。外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初勘，目的是規(guī)劃整個(gè)行走路徑，使得數(shù)據(jù)盡可能采集全面，清除行走道路上的障礙物?，F(xiàn)場(chǎng)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(shù)據(jù)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(tái)架上，設(shè)備初始化完成，并自動(dòng)開(kāi)始數(shù)據(jù)記錄。沿規(guī)劃路線持續(xù)行走采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)指示燈帶一直為閃爍綠色，在數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下，快速按開(kāi)機(jī)鍵一次，相機(jī)完成一次拍照。數(shù)據(jù)采集完成后關(guān)閉主機(jī)。在設(shè)備開(kāi)機(jī)后，可通過(guò)BLK2GO Live app，連接主機(jī)Wifi，實(shí)時(shí)查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)和照片數(shù)據(jù)。

2.3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1)數(shù)據(jù)下載。Type_c線連接設(shè)備和電腦，使用BLK Data Manager軟件和Re-Scan軟件識(shí)別到設(shè)備后點(diǎn)擊Connect，完成后選擇掃描的工程文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。

2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入與瀏覽。打開(kāi)Cyclone REGISTER 360軟件，創(chuàng)建項(xiàng)目。在Cyclone REGISTER 360軟件下找到下載的數(shù)據(jù)并添加到Cyclone REGISTER360左下欄，選擇不勾選自動(dòng)黑白標(biāo)靶拼接等步驟，設(shè)置全景站點(diǎn)間距為6～10 m。數(shù)據(jù)導(dǎo)入包含了點(diǎn)云的創(chuàng)建、真彩色附著。數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后即為真彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Cyclone REGISTER 360軟件中可以進(jìn)行站點(diǎn)模式、切片模式、測(cè)站模式3種方式瀏覽查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)。測(cè)站某視圖全景+點(diǎn)云圖如圖3所示。

圖3 測(cè)站某視圖全景和點(diǎn)云Fig.3 Panorama and point clouds of a view in a station

3)數(shù)據(jù)輸出。按需求輸出需要的點(diǎn)云格式，設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)布選項(xiàng)，選擇自己想要輸出的數(shù)據(jù)格式，點(diǎn)擊發(fā)布即可。

2.4 移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

2.4.1 外業(yè)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程主要包括設(shè)備安裝、設(shè)備初始化、設(shè)備參數(shù)設(shè)置和連續(xù)采集數(shù)據(jù)等過(guò)程。先將Pegasus Backpack放置在空曠場(chǎng)地，靜態(tài)觀測(cè)5 min，再動(dòng)態(tài)初始化5 min，動(dòng)態(tài)初始化包括直線加速、∞字繞行及靜止?fàn)顟B(tài)，以校準(zhǔn)IMU，按照前期規(guī)劃號(hào)的路線盡量選擇GNSS信號(hào)好的地方，盡量避開(kāi)影響GNSS信號(hào)的遮擋物，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中遇到信號(hào)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(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

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

2)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在GPSINS文件夾下，新建master文件夾，存儲(chǔ)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)。注意：基站設(shè)置距離測(cè)區(qū)最遠(yuǎn)為20 km，為保證獲得更好的精度建議設(shè)置在5 km內(nèi)。

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(shù)據(jù)文件夾/GPSINS，執(zhí)行Auto Add Recursively，其中Rinex為基站。然后點(diǎn)擊Convert轉(zhuǎn)換全部基站和背包的數(shù)據(jù)。導(dǎo)出合并后的軌跡數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在與Master同級(jí)根目錄下。點(diǎn)File-New Project-Empty Project，在相應(yīng)的項(xiàng)目工程-GPSINS文件夾下創(chuàng)建項(xiàng)目，輸入“項(xiàng)目名稱”?；緮?shù)據(jù)添加后，需要設(shè)置的內(nèi)容有精確的經(jīng)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(jì)算到相位中心的真實(shí)天線高度，選擇Measured heigh量到天線底部或相位中心。項(xiàng)目建立完成后，確定基站數(shù)據(jù)的時(shí)間是否包含了背包采集的時(shí)間。

打開(kāi)軟件選擇Process-Process TC(Tightly coupled)，TC設(shè)置的General選項(xiàng)卡下只設(shè)置Elevation mask為10deg。若基站支持很多衛(wèi)星，將Enable QZSS和Enable Galileo關(guān)掉，設(shè)置完整個(gè)TC，點(diǎn)擊Process進(jìn)行軌跡的解算，點(diǎn)擊Plot Results，在選項(xiàng)卡ALL下進(jìn)行分析計(jì)算。在GNSS固定的前提下，軌跡前后解算的分離結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)非常大的數(shù)值如超過(guò)1 m，有個(gè)別凸起異常值屬于正常，一般最大數(shù)據(jù)控制在0.15到0.2為正常；軌跡解算完成會(huì)自動(dòng)在GPSINS文件夾下生成軌跡解算結(jié)果XXX.cts文件，用于點(diǎn)云解算。

4)建立坐標(biāo)系

在進(jìn)行點(diǎn)云和影像處理前，需建立WGS-84到工程坐標(biāo)系的投影坐標(biāo)系。使用七參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，已知測(cè)區(qū)內(nèi)的4對(duì)點(diǎn)，即WGS-84經(jīng)緯度橢球高與本地平面坐標(biāo)，則可通過(guò)計(jì)算七參數(shù)方式進(jìn)行定義坐標(biāo)系統(tǒng)。七參數(shù)法至少需要4對(duì)點(diǎn)，且點(diǎn)的分布要覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，兩套三維坐標(biāo)為WGS-84坐標(biāo)和本地坐標(biāo)，控制點(diǎn)要求為高精度點(diǎn)，不能是RTK點(diǎn)。然后將WGS-84坐標(biāo)點(diǎn)號(hào)，經(jīng)緯度和高的列信息對(duì)應(yīng)導(dǎo)入點(diǎn)坐標(biāo)，使用同樣方法導(dǎo)入地方坐標(biāo)。設(shè)置好后進(jìn)行點(diǎn)的匹配，在 system A 中選擇下拉框的項(xiàng)目名稱，則會(huì)自動(dòng)匹配到導(dǎo)入的平面坐標(biāo)的點(diǎn)信息；然后在左右兩個(gè)選項(xiàng)框內(nèi)選中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，點(diǎn)擊箭頭對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行匹配，顯示出殘差值。然后回到 Coordinate system manager 界面，找到該坐標(biāo)系統(tǒng)，點(diǎn)擊右側(cè)邊欄的 export to global，將該坐標(biāo)系統(tǒng)復(fù)制到整個(gè) infinity 的數(shù)據(jù)庫(kù)里，這樣即可被 Pegasus Manager 所訪問(wèn)。

5)AutoP 軟件自動(dòng)掛機(jī)處理點(diǎn)云和照片

導(dǎo)入點(diǎn)云文件，設(shè)置 Min intensity為相應(yīng)的數(shù)值，正常采集數(shù)值設(shè)置為 5～8，當(dāng)采集的任務(wù)的環(huán)境比較潮濕和有大面積水時(shí)設(shè)置為 2，有大霧或者早晨的采集環(huán)境時(shí)設(shè)置為3 或 4。

SLAM解算，設(shè)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(jī)生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在解算完 SLAM 后就可以進(jìn)行一鍵掛機(jī)全部的操作，并先對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。導(dǎo)入軌跡數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置，選中 Import trajectory data，點(diǎn)擊 parameters進(jìn)行設(shè)置，此處軌跡的選擇直接點(diǎn)擊Basic或Advance。

設(shè)置完所有的參數(shù)后，點(diǎn)擊Process，在彈出的界面中，選擇在infinity 中已建好的目標(biāo)坐標(biāo)系，點(diǎn)擊 OK，程序運(yùn)行，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

局部點(diǎn)云如圖4所示。

圖4 局部點(diǎn)云Fig.4 Local point clouds

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)分析

點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合是將手持三維激光掃描儀BLK2GO和移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)Pegasus Backpack掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)點(diǎn)云剔除、噪聲點(diǎn)去除、三維模型表面修復(fù)后，統(tǒng)一為Cyclone REGISTER 360軟件能打開(kāi)的las格式，以移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)成果數(shù)據(jù)，將手持三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)同名點(diǎn)粗略融合。使用方法為統(tǒng)一坐標(biāo)系法與改進(jìn)ICP算法融合多點(diǎn)云，統(tǒng)一坐標(biāo)系法解決數(shù)據(jù)相距較遠(yuǎn)的問(wèn)題，對(duì)多點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略融合。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合建模步驟如下：

1)使用統(tǒng)一坐標(biāo)系法進(jìn)行“點(diǎn)云+點(diǎn)云”的粗略融合。

2)使用改進(jìn)ICP算法進(jìn)行“點(diǎn)云+點(diǎn)云”的精細(xì)融合。

3)對(duì)融合完成的三維模型進(jìn)行表面修復(fù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及推廣，其被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。隨著手持式激光掃描系統(tǒng)的集成化和小型化，越來(lái)越多的人感受到它的高效方便。手持三維激光掃描技術(shù)與移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)可以生成3D立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將房地一體目標(biāo)物各個(gè)部位和結(jié)構(gòu)完整呈現(xiàn)，并能通過(guò)專業(yè)軟件直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行繪圖生產(chǎn)。這種測(cè)量技術(shù)手段大大縮短了外業(yè)作業(yè)時(shí)間，提高了工作效率，數(shù)據(jù)成果精度完全能夠滿足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)成果也更加立體準(zhǔn)確，為更快完成農(nóng)村房地一體測(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)三維數(shù)據(jù)管理、實(shí)景三維的建設(shè)提供了一種行之有效的技術(shù)思路和解決方案。