［摘 要］ 与传统的测绘技术手段相比，即时定位与地图构建（SLAM）三维扫描技术具有效率高、精度好、数据全、数据多样化及非接触式采集等特点，被广泛应用于地形测绘、建筑测量、面积测算、土方计算等工程领域。本文以违法建筑测绘项目为例，在分析SLAM 三维扫描系统的工作原理、作业流程和关键技术等内容的基础上，结合违法建筑的管理及后期治理对数据的需求，对点云数据处理的主要思路及成果图输出进行总结，并对SLAM三维扫描数据的精度进行现场验证和统计，为今后项目的设计和实施提供借鉴。

［关键词］ 即时定位与地图构建技术（SLAM）；违法建筑；关键技术；点云处理；精度验证

引言

随着城市快速发展和建设规模的扩大，违法建筑的问题日益突出，违法建筑问题已经成为城市建设和精细化管理工作中的“顽疾”。违法建筑不但严重影响城市的整体美观，占用城市的土地和公共资源，甚至导致城市的规划难以实施，阻碍了城市的正常发展。为了深入解决违法建筑问题，以北京城市总体规划为引领，围绕“七有”“五性”需求，全面压实从严治党主体责任，坚持党建引领治违工作，依法依规全面履职，北京市开展全市创建基本无违建区的三年行动。在治理违法建筑工作中需要测绘违法建筑现状、违法规模体量和对比举证等数据资料，为违法建筑的认定和治理提供全面详细的测绘成果。本文介绍基于即时定位与地图构建（simultaneous localiza-tion and mapping，SLAM）三维扫描技术对违法建筑进行快速全面的数据采集及处理的方法，为违建治理提供违建主体的位置、规模及图像资料。与传统的测绘方法相比，SLAM 三维扫描技术具有效率快、精度高、数据广、要素全的作业优点，能够在数据资料获取环节为测绘单位和违法建筑管理单位提供很大的帮助。

1 违法建筑测绘工作的需求及现状

1.1 测绘工作的需求

开展违法建筑测绘的目的是为了准确获取违法建筑的位置、高度、面积等空间数据，通过汇聚测绘的数据信息，政府部门能够有效地监测和管理违法建筑事件，保障城市落实整体的规划蓝图。通过开展违法建筑测绘工作，有助于政府部门确定违法建筑的范围和性质，为行政处罚、违建拆迁及拆后治理提供准确的基础数据。

1.2 违法建筑测绘的数据特点

违法建筑测绘与普通建筑测绘的区别在于，违法建筑属于未履行规划或超规划进行的违法建设，对违法建筑测绘的数据要求具有一定的业务特征性，主要表现为测绘数据要具有足够的颗粒度和精度，能够全面反映违建目标体的特征，要具有很高的时效性等。同时数据将作为行政处罚和政府开展违法建设专项整治工作的底数。

1.3 当前测绘的主要方法和问题

结合现有测绘技术的发展和应用，当前在开展违法建筑测绘工作中主要使用的技术方法有航空卫片、无人机、街景相片、全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）、全站仪等技术手段。但是，受数据时效性差、数据分辨率低、空域管控严、局部卫星信号弱、作业周期长及生产成本高等问题影响，以上技术手段在违法建筑测绘工作中不能得到很好的应用，不足以支撑违法建筑专项整治工作中对测绘数据的要求。SLAM 三维扫描作为一种新型的技术，因具有不依赖GNSS、无接触式采集、效率快、精度高、要素全等作业特点，在违法建筑测绘工作中能够发挥较大的技术优势和存在较好的使用价值。

2 SLAM三维扫描的原理系统及精度

2.1 三维激光扫描基本原理

三维激光扫描技术又被称作“实景复制技术”，它利用激光测距的原理［1］，通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，将各种大实体或实景的三维数据完整地采集到计算机中，进而快速复建出被测目标的三维模型及点、线、面、体等各种实体数据［2］。该测量技术改变了传统的单点式测量，可以自动、连续、快速地获取目标体表面的密集数据，同时，也可获取目标体的纹理和色彩信息。

随着三维激光扫描技术的不断发展，及自动化程度的提升，还原物体信息的能力大大增加［3-4］。三维激光扫描技术相比传统的测量方式，具有非接触、采样率高、高分辨率、高精度和全自动扫描等特点，在测绘领域的应用范围日益扩大，被广泛技术应用在各项测绘工作中，为工程和研究提供了更准确的数据信息。

2.2 SLAM三维扫描系统

SLAM 三维扫描系统基于三维激光扫描的原理，主要利用SLAM技术，由GNSS系统、激光测距仪、惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）、全景相机等主要部件组成，具有集成化程度高、操作简单灵活的作业特点，改变了传统站式数据获取的测量方式。

GNSS 系统主要是用来获取扫描设备相位中心点的高精度三维坐标，通过计算相位中心与其他主要部件之间的三维空间坐标增量，以获得主要部件指定基点的空间三维坐标，为后期数据和图像拼接处理提供基准。

激光测距仪，主要用来获取场景的三维数据，由激光测距仪的激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被激光接收器所接收［5］。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间，由于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量，根据激光器的高度和扫描角度，可以准确地计算出空间每一点的三维坐标。

惯性测量单元主要用来记录设备的姿态信息，为后期数据计算提供参数［6］。惯性测量单元是测量物体三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。一般包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

SLAM 算法主要是通过激光测距仪所获得坐标数据与IMU 数据的结合［7］，解算出设备的移动轨迹，是SLAM 三维扫描系统中最重要的要素。SLAM 算法的模型决定了解算出的移动轨迹的精准度，移动轨迹的精准度则决定了空间场景三维数据的精准度。SLAM 算法根据激光测距仪所获得三维数据中时间轴上共同的特征点加上IMU获取的姿态数据，实时解算设备从出发点移动的距离和角度信息，逆向地构建连续的空间场景数据，被动式地依据当前周围场景的数据实时计算出连续的空间数据。

2.3 系统特点及精度

SLAM 三维扫描属于被动式定位，可以在无GNSS 卫星信号的环境下进行整体的空间三维数据采集［8］。其激光雷达工作时使用的是激光束，因为比普通微波雷达的工作频率高了很多，因此整套扫描系统具备分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻的工作特点，更适用于复杂的工作环境。

目前行业中使用成熟的SLAM 三维扫描系统标称参数：点频每秒可达几十至百万，测距精度可达5 mm，相对精度优于2 cm，绝对精度优于3 cm，可以根据精度需求对场景进行数据采集。

3 违法建筑测绘中的应用

3.1 项目概况

北京市某区管理部门为了更好地开展各违法专项治理及各类违法建筑整治工作，需对发现的各类违法建筑项目进行实地测绘，需测绘违法建筑项目的相关数据及调查土地地类性质等信息，为了摸清全区违法建筑体量，建立全区违法建筑“一本账”专线底数，为违法建筑专项治理提供数据依据。

为了满足违法建筑项目整治及后期规划治理的需求，本项目对测绘和调查的内容要求如下：实地测绘占地界址点坐标、房屋角点坐标、界址边长、房屋轮廓、面积、房高以及建筑相关的附属物空间等信息；实地调查违法建筑的坐落形状和结构、土地性质、建设年代及现场照片等信息。

3.2 数据精度要求

根据项目对测绘成果的使用需求，项目测绘基准采用2000 国家大地坐标系和1985 国家高程基准，测绘比例尺为1∶500，参照《地籍调查规程》（GB/T 42547—2023）的要求，对主要要素的精度要求见表1、表2［9］。

表1 点位和边长精度要求单位：cm

表2 面积计算精度要求单位：㎡

注：S为实量房屋建筑面积。

3.3 工作流程

使用SLAM 三维扫描系统进行工作时，改变了传统的先控制、后碎步、再调查拍照的测绘方式，实现了对项目进行一次完整的扫描，即可获得场景内所有目标体的高精度三维坐标和图像信息。工作可划分为前期准备、外业数据采集、内业数据处理、成果图编制及质量检查五个阶段。

前期准备包括现场基本情况了解、收集现有相关资料、硬软件配置调试、安全及技术培训交底、完成项目策划设计；外业数据采集时首先对设备进行参数设置，按设计路线进行扫描，扫描结束后进行现场检查；内业数据处理时主要对点云进行处理、解算和拼接等；成果图编制阶段主要基于点云实现对地形、建筑图的绘制，对三维模型的构建等成果输出工作；质量检查主要是对成果资料进行全面检查和精度评定，扫描作业的工作流程见图1。

图1 SLAM 三维扫描工作流程图

3.3.1 扫描设备选择

根据项目对数据及成果的精度要求，在本项目进行外业数据采集时，选择使用由欧思徕厂家生产的R8移动式SLAM 彩色三维激光扫描仪，该设备线束为32 线，测距120 m，点云厚度1 cm，同时具有5 星16 频的GNSS 天线和全景图像，在外业采集时具有安装简单、扫描速度快、精度高、操作便捷的优点，适合在违法建筑测绘现场使用。使用该设备对违法建筑现场进行1 次完整的扫描，即可得到现场完整的点云数据和高清照片。

3.3.2 各流程关键技术

3.3.2.1 前期准备

影响点云数据精度的主要因素包括现场环境、目标体特性和设备参数设置［10-11］，对项目现场进行踏勘时需要观察树木等其他地物遮挡的情况，根据扫描的范围确定大致行走路线及控制标识的分布，根据数据获取的精度需求设置扫描、通讯、网络及卫星连续运行站的参数。

3.3.2.2 数据采集

点云数据是采集获得的源数据，点云数据采集的质量将直接决定后期数据和成果的精度，不利的外界环境是形成点云噪点的最重要因素，因此数据采集是整个扫描工作的关键环节。完成仪器设备设置及初始化后，需按照规划好的路线进行采集作业，采集时需控制行进速度，尽可能地缓慢行驶；注意保持与建筑物的距离，确保有足够的扫描范围，以保证空间约束关系的完整性。

对选择好的控制标识尽可能地进行重复采集，以保证后期拼接和配准的精度；对纹理无明显特征差异的目标体进行扫描时，可以考虑设置靶标体，以确保点云自动拼接的精度。考虑到数据储存及后期数据处理的便捷性，控制每测程适当的采集范围和时间。

3.3.2.3 数据处理

数据处理主要包括点云生成，规则网格化，数据滤波、压缩，数据分类，特征提取，数据拼接，坐标纠正，质量分析和控制等环节［12］。

获取的原始点云由于受工作环境、电磁波的衍射特性和目标体表面性质的变化等影响，会导致观测数据效果不理想的情况［13］，为了能够得到准确的目标体特性，需要对采集的原始点云进行数据处理。主要的处理工作包括点云滤波、降噪和删除无关地物的点云数据，得到合格的点云数据。

待点云相关处理与拼接工作完成后，需要对点云数据进行空间坐标配准，SLAM扫描设备配套的数据处理软件可以实现点云的相对自动拼接，通过拼接形成实体场景完整的点云数据。通过空间坐标配准，将点云原始坐标系转换至项目成果坐标系，常用的转换方法是通过公共点进行匹配，公共点需要选择可以覆盖项目范围、分布均匀和便于精准识别的点位，利用公共点求解出坐标系之间的转换模型实现点云坐标的配准［14-16］。

3.3.2.4 特征获取

特征获取是通过捕捉或提取点云数据，以获得需要目标体的三维坐标、边长及面状数据。对于软件自动提取的特征点，需要进行检查，避免位置提取偏移。通过获取的点云数据构建目标体的位置、形状及走向。在特征点获取过程中，对点云数据进行合理的剖面切割，有助于提高特征点获取的精度和效率。

3.3.3 数据精度检验

为了检验SLAM三维扫描的数据精度，对基于点云数据获取的特征点北坐标X、东坐标Y和边长进行现场测绘检验。对于特征点北坐标X、东坐标Y使用全站仪架设在控制点上进行极坐标测绘，对于边长使用测距仪进行量算。为了保证精度统计的可靠性，检验的点位选择分布均匀、位置明显且具有代表性的。坐标精度统计结果见表3，边长精度统计表见表4。

表3 坐标精度统计表单位：m

表4 边长精度统计表 单位：m

通过对整个测区随机选取的50 个明显地物点进行实测检验，再经过数据验证对比，得出点位坐标差值的最大值为0.036 m。按照高精度检测中误差计算，点位中误差为±0.022 m，优于设计的中误差±0.050 m，满足规范及项目要求。

通过对整个测区随机选取的30 条边长进行实测检验，再经过数据验证对比，得出边长差值最大值为-0.041 m。按照高精度检测中误差计算，边长中误差为±0.021 m，优于设计的中误差±0.150 m，满足规范及项目要求。

3.4 成果输出

使用欧思徕OmniSLAM Works 实景点云测图软件或南方CASS11 绘图软件，基于处理后的真彩色点云进行成果图绘制输出。从点云中提取地物的特征线，地物提取严格按照地形图规范要求，将项目需要的地物点、线、面特征提取出来，并对提取后的地物进行修整［17］。对点云进行不同方位的切割，基于切割后的点云数据进行建筑物图纸的绘制。建筑点云及南立面图见图2。

图2 建筑点云及南立面图

三维建模是对物体建立适合计算机处理和表示的数学模型，主要是基于物体的特征线、特征面来建立。本项目使用SketchUp 和AutoCAD软件进行三维模型的建立，主要的建模思路是基于二维图形对建模主体按照特征共性进行拆分，形成独立的目标体，并保证相邻目标体完全衔接，基于建模目标体的高度基准，按照不同的高度对目标体进行赋高升维，形成三维模型；对处理后的纹理照片进行模型贴图，以反映三维目标体的空间位置、几何形态和纹理等信息［18-20］。

4 SLAM与其他技术方法的对比

应用案例表明，SLAM 三维激光扫描技术从数据要素和数据精度上均能够满足违法建筑管理工作中对测绘数据的要求。在保证数据精度的同时，能够提高作业效率和降低生产成本，相对于其他技术方法具有明显的优势，在违法建筑测绘工作中能够得到很好的应用，发挥先进的技术价值。SLAM 三维激光扫描技术与其他技术方法的主要对比见表5。

表5 SLAM 与其他技术方法的对比

5 结束语

本文以违法建筑测绘项目为背景，对SLAM三维扫描系统的作业流程、工作特点和精度进行应用研究。使用SLAM 三维扫描系统对违法建筑项目现场进行数据采集和处理，可以输出满足违法建筑项目管理和治理需求的相关数据报告；利用扫描系统获取的照片和点云融合数据，有利于相关管理部门对违法建筑现场情况进行了解，对违法事件进行判定；通过三维模型数据可计算违法建筑的体量，对违法建筑的拆除整治提供数据支撑；为城市的违法建筑精准治理及创无违建工作提供数据依据。

SLAM三维扫描在违法建筑测绘中的应用

周芳玲1 杜朋卫2 张卫东2 田文静2

（1. 同创数字空间（北京）有限公司天津分公司， 天津， 300392；2. 同创数字空间（北京）有限公司， 北京， 100048）

引文格式：周芳玲，杜朋卫，张卫东，等. SLAM 三维扫描在违法建筑测绘中的应用［J］. 北京测绘，2024，38（11）：1627-1632.

［作者简介］ 周芳玲（1986—），女，河南郑州人，大学本科，工程师，从事测绘地理信息工作。E-mail: 214837409@qq.com

［通信作者］ 杜朋卫， 18600771471@126.com