基于SLAM的移動測量系統(tǒng)在室內(nèi)空間數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用研究

劉剛

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.001

摘 要：該文初步討論了室內(nèi)移動測量系統(tǒng)IMS3D的特點，對室內(nèi)環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集測試，分析了測試數(shù)據(jù)的精度，總結(jié)了外業(yè)和內(nèi)業(yè)處理的方法與流程，并提出了該系統(tǒng)的質(zhì)量控制與檢核的初步方案。

關(guān)鍵詞：SLAM 移動測量 精度 室內(nèi)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（a）-0001-03

地下空間在改善城市環(huán)境、擴大城市容量方面有著獨特的優(yōu)勢和潛力，如何采用最新的設(shè)備和技術(shù)高效準確的采集地下空間數(shù)據(jù)，為地下空間后續(xù)開發(fā)利用和管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是當前急需解決的問題。隨著BIM的研究和應(yīng)用，室內(nèi)移動測量的需求大幅增長，傳統(tǒng)的測量方法無法滿足新興的需求，因此出現(xiàn)了動態(tài)掃描系統(tǒng)的解決方案。該文介紹了利用華泰天宇基于SLAM的室內(nèi)移動測量系統(tǒng)IMS3D進行泛室內(nèi)空間數(shù)據(jù)采集的情況，通過大尺度場景試生產(chǎn)，分析其數(shù)據(jù)采集的精度，研究其數(shù)據(jù)采集的作業(yè)流程及質(zhì)量控制，總結(jié)了該系統(tǒng)用于生產(chǎn)的初步方案。該文的研究內(nèi)容對解決當前室內(nèi)空間數(shù)據(jù)采集效率低的瓶頸，開拓新的測繪市場和業(yè)務(wù)具有重要意義。

1 SLAM概述

近年來，實時定位和建圖SLAM系統(tǒng)（Simultaneous Localization And Mapping）在人工智能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著谷歌的Mango、微軟的Hololens，以及MagicLeap等現(xiàn)象級產(chǎn)品以及開源算法庫的推出，SLAM技術(shù)發(fā)展越來越快，掀起了一陣熱潮。SLAM源自于計算機視覺CV（Computer View），最早由Hugh Durrant-Whyte和John J.Leonard提出。

定位和構(gòu)圖是人工智能的核心問題之一，SLAM問題可以表述為：機器人在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)機器人的自主定位和導(dǎo)航。

在測繪領(lǐng)域中，一般先通過GNSS方法獲得精確的位置即定位，然后根據(jù)定位準確的采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)即建圖；也可以利用周圍環(huán)境中的已知數(shù)據(jù)后方交會獲得位置數(shù)據(jù)，無論是哪種情況，要么是需要精確的位置；要么是需要精確的地圖。SLAM目標就在于在誤差最小化的約束條件下，同時（實時）定位并建圖，使用多傳感器集成的SLAM系統(tǒng)解決因室內(nèi)GNSS信號衰弱無法準確定位問題。

2 i-MMS系統(tǒng)介紹

i-MMS系統(tǒng)是法國Viametris（國內(nèi)由華泰天宇做應(yīng)用推廣）推出的室內(nèi)移動測量系統(tǒng)，IMS3D為該公司推出的三維掃描產(chǎn)品，這款系統(tǒng)的掃描端是由1個橫置和2個豎置的Hokuyo激光雷達組成，橫置激光雷達掃描平面數(shù)據(jù)，左邊豎置的掃描上方數(shù)據(jù)，右邊豎置的掃描下方數(shù)據(jù)，它們的掃描視角為270°，全景相機使用LayBug三組鏡頭。IMS3D添加了IMU，可以提高匹配效率，解決高差或是臺階問題，該SLAM系統(tǒng)小型化，整機質(zhì)量下降，使用便捷。

3 數(shù)據(jù)試生產(chǎn)及分析

3.1 試生產(chǎn)基本情況

某民防工程的地下空間位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)江月路（近浦申路），地下共有兩層，地下一層為停車庫，建筑面積約30 000 m2，地下二層為停車庫與民防工程相結(jié)合，建筑面積約35 000 m2，整個車庫南北長約160 m，東西長約180 m，如圖1所示。

利用IMS3D系統(tǒng)對該項目地下二層進行掃描，同時通過全站儀自由設(shè)站方法采集一定數(shù)量的散點（143點），作為質(zhì)量檢核及控制；另外使用鋼尺采集了大量的邊長尺寸作為檢核數(shù)據(jù)。

IMS3D系統(tǒng)掃描的二維點云圖如圖2所示，簡單的看幾乎所有的基本輪廓都很好的掃描出來，數(shù)據(jù)細節(jié)還需要進一步分析；為了制作矢量圖需要對圖2進行進一步的人工跟蹤，得到點云跟蹤數(shù)據(jù)，它可以作為該項目的基礎(chǔ)作業(yè)圖紙，所有的編輯作業(yè)、精度對比等工作都可以圍繞點云跟蹤數(shù)據(jù)展開；圖3將平面數(shù)據(jù)疊加至點云數(shù)據(jù)上，簡單直觀的比較平面圖和二維點云圖。由圖3可知，點云和平面圖基本一致，但是在局部區(qū)域仍然存在區(qū)別，這是因為平面圖設(shè)計和現(xiàn)場實際情況不吻合的緣故。

使用全站儀和鋼尺采集了現(xiàn)場一定數(shù)量的點以及邊長，這些點主要用來核對邊長以及點位精度。這些點位按照一定的原則進行選取，諸如點位均勻分布在整個輪廓內(nèi)、用來檢核的邊長既有長邊也有短邊，此外為了控制誤差，盡量控制全站儀的設(shè)站數(shù)量，并且使用鋼尺量測了相應(yīng)的邊長。

3.2 試生產(chǎn)效率分析

IMS3D方法和傳統(tǒng)方法效率比對如表1所示。使用IMS3D系統(tǒng)相對效率更高，尤其是外業(yè)采集數(shù)據(jù)速度快，對于大尺度環(huán)境，點云解算時間和跟蹤矢量化時間較長。盡管如此，IMS3D系統(tǒng)的效率明顯更高。

3.3 試生產(chǎn)精度分析

點位精度的檢核首先需要將點云數(shù)據(jù)和全站儀實測數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)框架之下，首先在全站儀實測數(shù)據(jù)和點云跟蹤數(shù)據(jù)中合理選取相對應(yīng)的一條長邊，然后通過旋轉(zhuǎn)、平移將兩份數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一框架下。該方法的前提是假設(shè)全站儀采集數(shù)據(jù)方法不會引入較大誤差，在試生產(chǎn)中盡管通過簡單的限制設(shè)站數(shù)來減小誤差傳播，但是由于地下空間的條件限制以及儀器的對中整平等都會影響該假設(shè)的成立。另外無論是將兩組數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一框架下還是點云跟蹤都會引入較大的系統(tǒng)性偏差，因此關(guān)于點位精度的對比僅僅作為參考。

3.3.1 坐標比對

此次共統(tǒng)計了84個對應(yīng)的點坐標，坐標差最大值為12.9 cm，平均值為5.47 cm。點位較差統(tǒng)計結(jié)果見表2。點位較差主要來源于點云跟蹤矢量化誤差，IMS3D采集數(shù)據(jù)誤差、全站儀采集數(shù)據(jù)誤差以及將數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一框架下引入的偏差。點云的切片寬度約為3 cm，因此理論上點云跟蹤引入的誤差大約為4.2 cm。單以該次試生產(chǎn)數(shù)據(jù)為參考，點位偏差的樣本均方差大概為6 cm左右，而偏差超過10 cm的點位很難確認是由于那種誤差來源引起，需要進一步分析。endprint