三維激光掃描技術在農村房地一體確權登記中的應用

查燕萍 張文斌 楊 茜

（江西省地質局地理信息工程大隊 江西 南昌 330001）

1 引言

隨著我國經濟的發展和農村城鎮化的加速，對集體建設用地使用權進行確權、頒發證書，是當前我國土地利用改革的重要內容之一[1]。針對上述問題，國土資源部、財政部和農業農村部共同發布了《關于加快農村集體土地確權登記發證工作的通知》，旨在協調城鄉發展，保障農民利益，化解矛盾，促進社會和諧[2]。

我國國土面積遼闊，土地使用權確權是一項浩大的工程，利用傳統的測量方式（如全站儀+RTK）周期長、效率低。在滿足精度的前提下，如何利用新技術新方法高效測量是亟待解決的問題。

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、多角度的測量手段。采用3D 激光掃描儀，可大幅縮短現場作業周期，提高測量精度[3]，從而高效地完成農村房地一體的確權登記工作。

2 三維激光掃描系統工作原理

2.1 三維激光掃描系統概述

三維激光掃描系統的構成通常包括：激光發射器、接收器、時間譯碼器、電動機、濾光鏡、工業級照相機、控制電路、微電腦等，詳情見圖1。按照掃描的空間位置以及不同的使用場景，將其分成以下三種模式：

圖1 地面三維激光掃描技術路線

（1）機載激光掃描系統：能夠對地面進行實時拍攝。激光掃描儀進行空對地的掃描，以確定成像中心到地面采樣點的精確距離，并以幾何原理為依據，計算出采樣點的三維坐標。適用于地形復雜的環境，具備高機動性的特點，但可能會有掃描盲區。

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

（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量裝置，多用于室內房產測量、建筑測量、洞穴測量等領域，主要是利用它的精確測距功能，對物體的長度、面積和體積等進行計算。

2.2 三維激光掃描技術的優勢

目前，三維激光掃描技術在測繪領域得到了廣泛的應用，通過激光反射實時獲取目標的三維空間坐標，極大地提高了測繪的效率，減輕了現場測量人員的勞動強度。

傳統的野外測量多為單個點的高精度測量，在精度、數量和速度等方面很難達到模型化的要求。而通過攝影測量、遙感獲取影像數據，進行空間處理后能得到大量三維坐標點。此方法雖然也能獲取大量三維坐標點信息，但是處理影像需要花費大量時間。而三維激光掃描技術利用現代高精度傳感技術，采用非接觸的方式，深入到復雜的現場環境和空間中進行掃描，直接對各類實體或真實場景進行3D數據采集，從而獲得測量對象的表面采樣點集“點云”。對于航飛區域受限、房屋密集分布的區域，可采用三維激光掃描設備穿梭于大街小巷，獲取街區房屋詳細的房地要素。

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

3 數據采集過程

中國地域廣袤，不同區域的自然和人文景觀差異較大，使得農村集體土地和宅基地確權工作面臨著很大的挑戰。選用何種類型三維激光掃描儀也是考慮的重點，目前常見的選擇有以下兩款。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2.5m?2000m，掃描角度精度為0.25mrad，具體參數見表1。在前期工作中，要對掃描區進行現場調查，測量人員根據現場不同的地表、地質條件，制定出測量的項目計劃，布設合理的站點。站點的設定根據測圖精度要求設置合理的分辨率。接著采用流動RTK 進行單點定位和后視點定位。使用徠卡HDS8800 激光掃描儀架設在已知點上，利用儀器自身的后視指向，就可以開始掃描工作，不需要再單獨布設反射標靶。

表1 萊卡HDS8800激光掃描儀參數

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目，適合這種房屋及其附屬物等地籍要素的測量，因房屋通常較集中密集，無需信號，激光掃描對工作環境有很強的實用性，尤其是針對城中村這種長巷窄道等區域，手持激光掃描儀更具優勢。本文綜合考慮地理環境等因素選擇萊卡HDS8800 地面三維激光掃描儀，具體采集數據流程如圖2所示。

圖2 數據采集流程圖

圖3 房地一體項目實施流程圖

把掃描得到的數據輸入到徠卡預處理軟件中，按照順序進行點云數據的拼接，非地面點數據的過濾，以及點云數據的提取[4]。為了獲得村莊房屋中的中間點，可以在AutoCAD 中輸入點云數據來瞄準房屋的外形。此過程軟件自動處理完成，同時軟件除了點云數據的處理，還能拼接全景照片，用于后期調查資料的成果。

4 案例分析

結合江西省某縣的農村房地一體確權工作，對項目實施技術流程進行了設計，并針對農房一體確權項目，基于地面三維激光掃描技術給出了解決辦法，推動農村房地一體確權工作向高效、簡便和智能化的方向發展。

4.1 測區概況

測區設在江西省某縣城偏遠的一片山地中，被群山環繞，被測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，這是一個典型的偏遠村子。

4.2 掃描區域

測量地點選在該測區的一個村莊，該村莊的地形是一個中央平地，四周群山環繞。預設臺站的方法是將臺站設在村莊相對較高的環山道旁，自上而下、多角度地獲得村莊資料。盡可能使多個站點的數據呈三角形分布，以減小掃描盲區。

4.3 掃描方式

在觀測點設置時，應選取觀測點好的地段。

（1）本項目所用的萊卡HDS8800為例，其測量最大距離2km，使用時注意選址，要避開人多、車多、河流多、灌木多的地方，要保證站臺前方的視野開闊，沒有障礙物。

（2）將儀器安裝在一個已知的位置，用一個14倍的內建望遠鏡的透鏡，觀察后方的景物（不需要棱鏡，只需要對準柱子即可）。

（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。通常在野外進行大范圍的掃描儀，選擇4 號密度，曝光量可以根據當時的戶外環境進行選擇。拍攝這些彩色圖片的目的是給以后的資料處理提供實際的參考。

（4）掃描完成后，將數據從控制臺上輸出，輸入自帶的處理軟件，就會顯示出一個完整的村莊點云（包含RGB點云）。

4.4 地形處理和權屬調查成果的完成

萊卡的后處理軟件具有較強的功能，可以實現山區地形輪廓的自動繪制，并且可以將其輸入到AutoCAD 中，對其進行修改。在農村房地一體確權過程中，為了解決這一問題，萊卡提出了以下兩種解決方案。

方法1：把得到的點云數據輸入到AutoCAD 或Sinomain CASS 軟件，用來做地形圖[5]。利用點云數據，可以直接繪制農村房屋的中點，既直觀又簡單。從掃描結果來看，70%的房子都是可以被掃描出來的。

方法2：利用后處理軟件對觀察角度進行調整，在每座建筑物的空間內選取界址點，求取這些點的坐標。最后，將得到的選擇模板點展入到AutoCAD中，便于對模板進行判定。如遇盲角，可與手持式測距器連接，進行補測。

以上兩種方法均解決了此次農村房地一體確權過程測量的問題，通過方案一提取出大多數房子的中點，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題，通過調整角度選取界址點求坐標，然后倒入CAD 進行模版判定，特殊情況通過測距儀補測。

結合全景影像成果，依據實際房屋情況和宗地圖要求，用相關圖例繪制地籍圖，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。依據側面相機的照片以及全景影像，將權屬調查的資料成果完成，做到一次外業成果多次利用上，從而最大程度提升了工作效率。應用本文方法與RTK+全站儀傳統測量方法進行效率對比，表2 是對比結果，面積約1km2，時間數據統計值為此項目的估值，通過下表明顯可以看出，三維激光掃描方法相比傳統方法節省一半多時間。

表2 效率統計表

圖5 村莊局部地籍圖

圖6 宗地圖和房屋分層分戶圖

農村房地一體工程項目要求在地籍測繪5cm 的平面中誤差控制內，HDS8800 激光掃描點的精度完全滿足了此精度標準。文中所述的第1 種方法比較直觀，但對于點的劃線精度不高，而且農村房屋的數據有很大的遮擋，很難得到100%的掃描數據；第2種方法避免了土地確權過程中繁瑣的現場工作，極大地提高了現場資料的處理效率。第二種方法是農村房地一體項目的首選方案。

5 結束語

三維激光掃描儀的使用，使農村房地一體確權工作在速度、效率和實時性上都有了一個新的提高，特別是外業工作是傳統全站儀測繪的30%，減少了天氣以及地形復雜等對測繪工作效率的影響。雖然激光掃描儀的前期購買成本較高，但是效率提升也節約了人力和時間成本。隨著3D 激光掃描技術的推廣和普及，相關產品會越來越完善，同時還會加速推動測繪與其他學科之間的融合，希望未來有更簡單、高效、智能的掃描形式逐步發展和應用起來。