三维激光扫描技术在农村房地一体确权登记中的应用

查燕萍 张文斌 杨 茜

（江西省地质局地理信息工程大队 江西 南昌 330001）

1 引言

随着我国经济的发展和农村城镇化的加速，对集体建设用地使用权进行确权、颁发证书，是当前我国土地利用改革的重要内容之一[1]。针对上述问题，国土资源部、财政部和农业农村部共同发布了《关于加快农村集体土地确权登记发证工作的通知》，旨在协调城乡发展，保障农民利益，化解矛盾，促进社会和谐[2]。

我国国土面积辽阔，土地使用权确权是一项浩大的工程，利用传统的测量方式（如全站仪+RTK）周期长、效率低。在满足精度的前提下，如何利用新技术新方法高效测量是亟待解决的问题。

三维激光扫描是一种新型、不需要棱镜、非接触、快速、高精度、高分辨率、多尺度、多层次、多角度的测量手段。采用3D 激光扫描仪，可大幅缩短现场作业周期，提高测量精度[3]，从而高效地完成农村房地一体的确权登记工作。

2 三维激光扫描系统工作原理

2.1 三维激光扫描系统概述

三维激光扫描系统的构成通常包括：激光发射器、接收器、时间译码器、电动机、滤光镜、工业级照相机、控制电路、微电脑等，详情见图1。按照扫描的空间位置以及不同的使用场景，将其分成以下三种模式：

图1 地面三维激光扫描技术路线

（1）机载激光扫描系统：能够对地面进行实时拍摄。激光扫描仪进行空对地的扫描，以确定成像中心到地面采样点的精确距离，并以几何原理为依据，计算出采样点的三维坐标。适用于地形复杂的环境，具备高机动性的特点，但可能会有扫描盲区。

（2）地面式激光扫描系统：从工作方式来看，有移动的和固定的两种，具备扫描距离长、精度高不易涉及盲区的特点。

（3）手持式激光扫描器：它是一种小型、灵活、便于携带的激光距离测量装置，多用于室内房产测量、建筑测量、洞穴测量等领域，主要是利用它的精确测距功能，对物体的长度、面积和体积等进行计算。

2.2 三维激光扫描技术的优势

目前，三维激光扫描技术在测绘领域得到了广泛的应用，通过激光反射实时获取目标的三维空间坐标，极大地提高了测绘的效率，减轻了现场测量人员的劳动强度。

传统的野外测量多为单个点的高精度测量，在精度、数量和速度等方面很难达到模型化的要求。而通过摄影测量、遥感获取影像数据，进行空间处理后能得到大量三维坐标点。此方法虽然也能获取大量三维坐标点信息，但是处理影像需要花费大量时间。而三维激光扫描技术利用现代高精度传感技术，采用非接触的方式，深入到复杂的现场环境和空间中进行扫描，直接对各类实体或真实场景进行3D数据采集，从而获得测量对象的表面采样点集“点云”。对于航飞区域受限、房屋密集分布的区域，可采用三维激光扫描设备穿梭于大街小巷，获取街区房屋详细的房地要素。

三维激光扫描设备，不仅携带便利、操作性强、灵活性高，在获取房屋面积和轮廓等方面，能有效弥补传统全站仪测量的不足，在保证房屋采集面积精度的前提下，大大减少外业工作量。

3 数据采集过程

中国地域广袤，不同区域的自然和人文景观差异较大，使得农村集体土地和宅基地确权工作面临着很大的挑战。选用何种类型三维激光扫描仪也是考虑的重点，目前常见的选择有以下两款。莱卡HDS8800 激光扫描仪作为地面式激光扫描仪，高速脉冲式扫描范围可达2.5m−2000m，扫描角度精度为0.25mrad，具体参数见表1。在前期工作中，要对扫描区进行现场调查，测量人员根据现场不同的地表、地质条件，制定出测量的项目计划，布设合理的站点。站点的设定根据测图精度要求设置合理的分辨率。接着采用流动RTK 进行单点定位和后视点定位。使用徕卡HDS8800 激光扫描仪架设在已知点上，利用仪器自身的后视指向，就可以开始扫描工作，不需要再单独布设反射标靶。

表1 莱卡HDS8800激光扫描仪参数

徕卡BLK2GO 手持激光扫描仪更加轻便灵活，单人即可完成房地一体项目，适合这种房屋及其附属物等地籍要素的测量，因房屋通常较集中密集，无需信号，激光扫描对工作环境有很强的实用性，尤其是针对城中村这种长巷窄道等区域，手持激光扫描仪更具优势。本文综合考虑地理环境等因素选择莱卡HDS8800 地面三维激光扫描仪，具体采集数据流程如图2所示。

图2 数据采集流程图

图3 房地一体项目实施流程图

把扫描得到的数据输入到徕卡预处理软件中，按照顺序进行点云数据的拼接，非地面点数据的过滤，以及点云数据的提取[4]。为了获得村庄房屋中的中间点，可以在AutoCAD 中输入点云数据来瞄准房屋的外形。此过程软件自动处理完成，同时软件除了点云数据的处理，还能拼接全景照片，用于后期调查资料的成果。

4 案例分析

结合江西省某县的农村房地一体确权工作，对项目实施技术流程进行了设计，并针对农房一体确权项目，基于地面三维激光扫描技术给出了解决办法，推动农村房地一体确权工作向高效、简便和智能化的方向发展。

4.1 测区概况

测区设在江西省某县城偏远的一片山地中，被群山环绕，被测村在一片丘陵的山腰上。村子里的建筑很多，而且格局很乱，通向村的道路很难走，路也比较窄，这是一个典型的偏远村子。

4.2 扫描区域

测量地点选在该测区的一个村庄，该村庄的地形是一个中央平地，四周群山环绕。预设台站的方法是将台站设在村庄相对较高的环山道旁，自上而下、多角度地获得村庄资料。尽可能使多个站点的数据呈三角形分布，以减小扫描盲区。

4.3 扫描方式

在观测点设置时，应选取观测点好的地段。

（1）本项目所用的莱卡HDS8800为例，其测量最大距离2km，使用时注意选址，要避开人多、车多、河流多、灌木多的地方，要保证站台前方的视野开阔，没有障碍物。

（2）将仪器安装在一个已知的位置，用一个14倍的内建望远镜的透镜，观察后方的景物（不需要棱镜，只需要对准柱子即可）。

（3）安装好仪器后，将扫描密度和照片暴露量分别输入到遥控器上。通常在野外进行大范围的扫描仪，选择4 号密度，曝光量可以根据当时的户外环境进行选择。拍摄这些彩色图片的目的是给以后的资料处理提供实际的参考。

（4）扫描完成后，将数据从控制台上输出，输入自带的处理软件，就会显示出一个完整的村庄点云（包含RGB点云）。

4.4 地形处理和权属调查成果的完成

莱卡的后处理软件具有较强的功能，可以实现山区地形轮廓的自动绘制，并且可以将其输入到AutoCAD 中，对其进行修改。在农村房地一体确权过程中，为了解决这一问题，莱卡提出了以下两种解决方案。

方法1：把得到的点云数据输入到AutoCAD 或Sinomain CASS 软件，用来做地形图[5]。利用点云数据，可以直接绘制农村房屋的中点，既直观又简单。从扫描结果来看，70%的房子都是可以被扫描出来的。

方法2：利用后处理软件对观察角度进行调整，在每座建筑物的空间内选取界址点，求取这些点的坐标。最后，将得到的选择模板点展入到AutoCAD中，便于对模板进行判定。如遇盲角，可与手持式测距器连接，进行补测。

以上两种方法均解决了此次农村房地一体确权过程测量的问题，通过方案一提取出大多数房子的中点，较快地绘制出地形图，生成等高线，方法二是解决房屋遮挡不能直接扫描的问题，通过调整角度选取界址点求坐标，然后倒入CAD 进行模版判定，特殊情况通过测距仪补测。

结合全景影像成果，依据实际房屋情况和宗地图要求，用相关图例绘制地籍图，如图5 所示。本次局部地籍图和房屋分层分户图如图6 所示。依据侧面相机的照片以及全景影像，将权属调查的资料成果完成，做到一次外业成果多次利用上，从而最大程度提升了工作效率。应用本文方法与RTK+全站仪传统测量方法进行效率对比，表2 是对比结果，面积约1km2，时间数据统计值为此项目的估值，通过下表明显可以看出，三维激光扫描方法相比传统方法节省一半多时间。

表2 效率统计表

图5 村庄局部地籍图

图6 宗地图和房屋分层分户图

农村房地一体工程项目要求在地籍测绘5cm 的平面中误差控制内，HDS8800 激光扫描点的精度完全满足了此精度标准。文中所述的第1 种方法比较直观，但对于点的划线精度不高，而且农村房屋的数据有很大的遮挡，很难得到100%的扫描数据；第2种方法避免了土地确权过程中繁琐的现场工作，极大地提高了现场资料的处理效率。第二种方法是农村房地一体项目的首选方案。

5 结束语

三维激光扫描仪的使用，使农村房地一体确权工作在速度、效率和实时性上都有了一个新的提高，特别是外业工作是传统全站仪测绘的30%，减少了天气以及地形复杂等对测绘工作效率的影响。虽然激光扫描仪的前期购买成本较高，但是效率提升也节约了人力和时间成本。随着3D 激光扫描技术的推广和普及，相关产品会越来越完善，同时还会加速推动测绘与其他学科之间的融合，希望未来有更简单、高效、智能的扫描形式逐步发展和应用起来。