技術(shù)在管廊信息化建設(shè)中的應(yīng)用

文｜本刊記者 陳桂龍

SLAM (simultaneous localization and mapping) , 即實(shí)時定位與制圖，或并發(fā)建圖與定位。 SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出。目前進(jìn)行SLAM研究的機(jī)構(gòu)全球超過上萬家，但真正用于測量領(lǐng)域，同時能將技術(shù)和轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的，全球也僅有少量的幾家。

城市地下綜合管廊三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)中，采用基于激光掃描（LiDAR）和同步定位與制圖（SLAM）進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集的技術(shù)研究與應(yīng)用處于逐漸發(fā)展的階段。

在過去的30多年里，隨著電子元器件和光電技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成功地從上世紀(jì)80年代的實(shí)驗(yàn)階段和90年代的驗(yàn)證階段跨入成熟的應(yīng)用階段。隨著三維激光掃描儀在測繪中的應(yīng)用與推廣，一些測繪中的先進(jìn)技術(shù)逐漸集成到掃描儀上，使其成為繼經(jīng)緯儀系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)及GPS后又一重要的三維信息獲取手段。

基于實(shí)時定位與制圖（SLAM）的城市地下空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)

近年來，移動測量技術(shù)與三維技術(shù)激光掃描技術(shù)不斷應(yīng)用于城市地下管廊數(shù)據(jù)采集過程中。

北京華泰天宇科技有限公司總經(jīng)理鄭勇介紹，實(shí)時定位與制圖（SLAM）的城市地下空間三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)合激光掃描技術(shù)與移動測量技術(shù)的優(yōu)勢，形成一項(xiàng)全新的三維移動測量技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)在沒有GPS和復(fù)雜慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的環(huán)境下，僅依靠技術(shù)設(shè)備自身配置的簡單慣性測量裝置，實(shí)現(xiàn)城市綜合管道數(shù)據(jù)的快速、便捷、低成本的采集。

對比分析國際國內(nèi)普遍使用的城市地下空間測量技術(shù)，綜合考慮數(shù)據(jù)采集的效率、成本、精度及技術(shù)可推廣型等諸多因素，經(jīng)對比分析，基于實(shí)時定位與制圖（SLAM）的移動測量技術(shù)具有領(lǐng)先水平。

基于實(shí)時定位與制圖（SLAM）的移動測量的技術(shù)關(guān)鍵在于，在沒有GPS的支持下，解決室內(nèi)高精度定位的問題。以前最常見的技術(shù)便是高精度慣性測量裝置IMU的使用，但這會使得室內(nèi)移動設(shè)備的成本高居不下，同時沒有GPS的改正，慣性測量裝置IMU基于時間累計(jì)的誤差無法得到校準(zhǔn)，導(dǎo)致測量越久，漂移越大?；诖?，全球越來越多的學(xué)者，將用于機(jī)器人領(lǐng)域的實(shí)時定位與制圖（SLAM），用在移動測量上，這一技術(shù)的核心在于，測量的同時，用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，即無需其他任何輔助設(shè)備，用LiDAR同時進(jìn)行掃描和定位。

全景影像與激光點(diǎn)云同步采集與匹配的關(guān)鍵技術(shù)

鄭勇表示，近年來,三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展,在數(shù)字城市、文物保護(hù)、三維重建等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。三維激光掃描儀作為獲取三維空間數(shù)據(jù)的重要手段,能夠快速、準(zhǔn)確、大量地獲得物體的空間幾何信息,而高分辨率數(shù)碼相機(jī)能夠得到高質(zhì)量的二維紋理數(shù)據(jù),兩者對目標(biāo)的描述具有互補(bǔ)性。這兩者的結(jié)合可生成精確、真實(shí)的三維世界,為虛擬三維環(huán)境的構(gòu)建提供了很好的數(shù)據(jù)支撐。因此,激光掃描點(diǎn)云與光學(xué)影像這兩種數(shù)據(jù)的融合處理在三維建模、地物識別、虛擬場景可視化等方面具有非常重要的意義。

鄭勇分析，基于實(shí)時定位與制圖（SLAM）的移動測量的技術(shù)無需初始化，開機(jī)后即可由操作員推著采集設(shè)備在測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。最關(guān)鍵的技術(shù)是該方式得到的點(diǎn)云是一套完整的點(diǎn)云，不需要進(jìn)行拼接，這樣也就避免了因點(diǎn)云拼接造成的精度損失。所以基于實(shí)時定位與制圖（SLAM）的移動測量技術(shù)具有掃描效率高，數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)，特別適用于城市地下空間數(shù)據(jù)的采集工作。相比傳統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)獲取方式更節(jié)省時間和作業(yè)成本，更符合大體量城市地下綜合管廊數(shù)據(jù)精確采集的實(shí)際需求。

基于激光掃描（LiDAR）和同步定位與制圖（SLAM）技術(shù)能夠精確地采集室內(nèi)外三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而不依賴于GPS或使用復(fù)雜的慣導(dǎo)系統(tǒng)。使用SLAM算法，通過三維激光掃描實(shí)現(xiàn)地圖的建立。在儀器通過時，不間斷的采集精細(xì)的二維地圖數(shù)據(jù)，并記錄光學(xué)數(shù)據(jù)以及LiDAR的時間位置信息，然后根據(jù)光學(xué)數(shù)據(jù)建立彩色的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將二維平面視圖轉(zhuǎn)換為三維立體環(huán)境。且在數(shù)據(jù)采集過程中，可實(shí)時觀察采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并能指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集人員現(xiàn)場采集工作，避免采集過程中出現(xiàn)遺漏、錯誤等情況，確保一次性完成數(shù)據(jù)采集，提高工作效率。

對外業(yè)采集到的點(diǎn)云依次進(jìn)行預(yù)處理、拼接，然后根據(jù)點(diǎn)云在后處理軟件中建立三維可視化模型，最后加上地下綜合管廊中各類地物的屬性信息（如名稱、材質(zhì)、規(guī)格等信息）形成三維可視化系統(tǒng)。

基于激光掃描（LiDAR）和同步定位與制圖（SLAM）協(xié)同使用，以達(dá)到全景影像與激光點(diǎn)云同步采集與匹配的目的，提高城市地下空間三維數(shù)據(jù)制作的效率和精度，并且能大幅降低數(shù)據(jù)采集與處理成本，使得技術(shù)的廣泛應(yīng)用于城市地下綜合管廊測量成為可能。

河北正定——基于SLAM的城市綜合管廊三維數(shù)據(jù)采集