SLAM三维激光扫描仪在房产测绘中的应用
廖 渊1，2 罗擎宇1，2 刘志勇1，2 罗 烈1，2
（1. 成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610021；2. 四川省城市信息化测绘工程技术研究中心，四川 成都 610021）
［摘 要］ 近年来，同步定位与绘图（SLAM）三维激光扫描技术越来越多地应用于测量领域，通过对各种传感器数据进行采集和计算，生成对其自身位置姿态的定位和场景地图信息的技术，使其在没有全球导航卫星系统（GNSS）信号的室内环境具有独特优势。本文以某项工程实例房产测绘外业数据采集为例，使用某国产品牌SLAM 三维激光扫描仪进行外业数据采集，同时使用传统测量仪器同时采集部分校核尺寸，通过两种数据之间的对比，评价SLAM三维激光扫描仪在房产测绘外业采集过程中的精度和效率。实例表明，SLAM三维激光扫描仪数据精度满足房产测绘外业数据成果要求，综合效率是传统测量方式的5 倍以上，该技术和设备在房产测绘中具有广阔的前景。
0 引言
房产测绘是采用测绘手段，按照房地产业管理的要求和需要，对房屋和房屋用地的有关信息进行调查和测量，对房屋和房屋用地的几何、地理、物理特征，用数字、文字、符号、影像进行描述，供产权人和有关人士使用。房产测绘成果是不动产测绘成果的重要组成部分，也是房屋面积管理和房屋面积确权的重要依据，其成果一经不动产登记部门采用，将具有法律效力，同时也是不动产价格评估和财政税收等方面的依据，意义十分重大［1-3］。
伴随着城市化进程的不断推进，城市新建建筑物的形态也日新月异，出现了很多异形建筑物，这就为传统的房产测绘外业工作带来了极大的挑战［4-6］。传统的房产测绘外业作业方法通常使用手持测距仪、全站仪、全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）接收机等设备配合完成，这些设备对于形态比较规整的常规建筑物来说基本可以满足外业数据量的采集要求，但是面对形态较为复杂的异形建筑物时，便会出现数据采集不够、作业效率低下等一系列问题。
近年来，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，其最大优势在于可以快速无接触地扫描被测物体，不需要反射棱镜即可直接获得高精度的面状点云数据，精确地获取被测物体的三维坐标、色彩信息等，海量的点云数据可以构建出测量场景的三维模型，真正地做到“所见即所得”［7］。同时随着同步定位与绘图（simultaneous localization and mapping，SLAM）移动测量系统的出现，进一步改善了数据采集的便携性和适用性，使得SLAM 三维激光扫描仪在工程测量、大比例尺测图等领域得到了广泛的应用。黄鹤等［8］利用SLAM 三维激光扫描仪进行点云数据采集并验证其精度，研究表明SLAM 三维激光扫描技术精度较为可靠。杨铭等［9］通过三种新型测绘技术在规划验收测量中的应用对比，表明SLAM 三维激光扫描仪的综合效率相对较高。
本文以某异形建筑房产测绘项目为实例，利用某国产品牌SLAM 三维激光扫描仪进行房产测绘外业采集，对其测量精度和工作效率进行评价，验证其在房产测绘外业采集工作中应用的可行性。
1 工作原理 1.1 SLAM技术介绍
SLAM 通常是指在机器人或者其他载体上，通过对各种传感器数据进行采集和计算，生成对其自身位置姿态的定位和场景地图信息的系统。由于SLAM技术无须GNSS信号，因此对各种不同的环境有极强的适应性，基于SLAM 的背包式三维激光扫描仪可以在室内或地下室环境下快速获得建筑的点云数据，操作简单方便，无须进行换站，既能保证数据采集无遗漏，又能保证外业工作效率［10］。
SLAM 三维激光扫描仪的主要部件包括激光扫描仪、惯导系统、全景相机、电源、数据线等，整套设备轻便小巧，单人即可轻松背负，有效地节省了人力成本［11］。
1.2 作业流程
使用SLAM 三维激光扫描仪进行房产测绘外业采集工作的技术流程主要包括资料收集、实地踏勘、外业数据采集、内业数据处理、成果输出等环节，具体作业流程如图1所示。
图1 SLAM三维激光扫描仪作业流程图
2 应用实例 2.1 工程概况
本文的工程实例为成都市某大型商业综合体房产测绘项目，占地面积约24 000 m2，建筑面积约105 000 m2，地上部分由两栋22 层塔楼和3层裙楼组成，地下部分有3层地下室，建筑形态较为复杂，裙楼商业建筑套内多为不规则的异形墙体，若采用传统的测量仪器如全站仪、手持测距仪等设备需采集大量的尺寸数据，效率较低，因此本项目拟采用某国产品牌SLAM 三维激光扫描仪进行外业数据采集，同时利用手持测距仪采集部分校核尺寸供精度分析使用。
2.2 数据采集
外业作业前需收集该项目建筑竣工图、规划许可总平面图、规划用地红线图等相关资料，为后续的工作做好准备［12］。
在扫描前应依据建筑竣工图结合现场实际进行路线规划，使每个项目文件的测量轨迹形成闭环，以提高后期数据处理时的点云拼接精度，同时可以避免出现漏扫和重复扫描。由于项目体量较大，裙楼和地下室的每层建筑面积在8 000 m2左右，每层扫描时间需要30 min 左右，为了减小惯导误差的积累，外业采集时对于地下室和裙楼采取每层新建项目文件的方式进行扫描，整个项目一共扫描了6个项目文件。
扫描过程中要尽量避开移动中的行人和车辆，因为SLAM 算法依赖环境的有效特征来重建三维点云，移动的物体不是有效特征，会影响SLAM 算法的精度，产生多余的干扰点云数据［13］。进入每个房间时需要缓慢地移动，同时设备不要距离墙壁太近，使房间内外的点云有足够多的特征点进行匹配拼接。
2.3 内业处理
数据处理使用的软件是三维激光扫描仪配套的数据后处理软件OminSLAM Mapper，可以将采集到的原始数据进行点云数据的解算、去噪和导出处理，得到项目采集的点云数据、全景数据、轨迹数据等，如图2所示。
图2 项目点云数据
将解算后得到的通用格式点云数据（.las）文件导入Cyclone 软件，然后通过挂接在AutoCAD软件中的CloudWorxc 插件打开相应楼层的ModelSpaces 视图，即可在AutoCAD 软件环境下对点云数据进行操作。利用裁剪切片功能，将视图调整至前视图，按相应高度进行水平切片，切片厚度宜调整为0.5 m 左右，然后再切换至俯视图，即可得到清晰的建筑物墙体切片数据，如图3所示。这时可量取墙体之间的点云尺寸数据，分层逐户进行实量，与建筑竣工图中的理论尺寸进行比对，结合采集到的全景影像照片，分析现场与建筑竣工图的不一致之处。
图3 0.5 m厚度点云切片俯视图
2.4 精度分析
为验证SLAM 三维激光扫描仪点云数据的精度，项目外业过程中同时使用手持激光测距仪对现场部分墙体尺寸进行量测，与项目扫描得到的点云数据相同部位进行比对。
本项目外业共采集校核尺寸70个，两者尺寸对比统计结果及较差分布如表1、图4 所示，其中检测边长最大较差值0.024 m、最小较差值0.001 m，中误差约为0.017 m，满足《房产测量规范》（GB/T 17986.1—2000）和《四川省房产测绘实施细则》中要求的精度。
表1 尺寸对比结果 单位：m
图4 较差分布图
2.5 应用分析
本文中的工程实例建筑体量较大，若采用手持激光测距仪和全站仪的传统测量方式进行作业的话，大约需要两名测量人员耗费5~6 d 时间完成外业采集，而采用SLAM 三维激光扫描仪外业仅需要单人作业1.5 d 即可轻松完成，虽然内业处理工作量较传统测量方式有所增加，但综合工作效率较传统测量方式相比提升了大约5 倍，效率统计见表2。
表2 效率统计表 单位：h
同时三维激光扫描仪采集到的点云数据和全景影像记录了现场全要素的属性信息，避免了传统测量方式存在的数据漏测和记录错误等问题。特别是面对形态较为复杂的异形建筑物时，SLAM 三维激光扫描仪的优势就显得更为明显，不仅体现在工作效率上，也体现在了数据成果的质量上［14-15］。
3 结束语
本文探索了SLAM 三维激光扫描仪应用于某大型商业综合体房产测绘的外业测量，对采集到的点云数据与传统测量方式进行精度和效率比对，得出了SLAM 三维激光扫描仪点云数据完全能够满足房产测绘相关要求，并且相对于传统测量方式而言，工作效率有了极大的提升，对于异形建筑物外业采集难度大的问题得到了很好的解决。随着三维激光扫描技术的进一步发展以及内业处理软件算法的改进完善，SLAM 三维激光扫描仪在房产测绘中的应用前景将会更加广阔。
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引文格式：廖渊，罗擎宇，刘志勇，等. SLAM 三维激光扫描仪在房产测绘中的应用［J］. 北京测绘，2023，37（12）：1623-1626.
基金项目：四川省测绘地理信息学会开放基金（CCX202216）
作者简介：廖渊（1983—），男，河南南阳人，大学本科，高级工程师，从事房产测绘、工程测量工作。
E-mail:24171769@qq.com
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来源：测绘学术资讯