室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在竣工測(cè)量中的應(yīng)用研究

黃承亮

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在竣工測(cè)量中的應(yīng)用研究

黃承亮*

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

介紹了基于SLAM算法室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)，并以解放碑地下環(huán)道竣工測(cè)量為例，對(duì)數(shù)據(jù)處理效率、質(zhì)量進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，討論了室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在工程應(yīng)用中的可行性、采集方法和數(shù)據(jù)處理方法，并將該技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)繪方法在作業(yè)效率和測(cè)量精度方面進(jìn)行對(duì)比，得到定量的對(duì)比結(jié)果，具有典型的代表意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量；SLAM；點(diǎn)云

1 引 言

隨著人們對(duì)三維場(chǎng)景測(cè)量和精細(xì)展示的需求越來(lái)越大，室內(nèi)三維數(shù)據(jù)的高效采集，迅速發(fā)展成為測(cè)繪領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)一種新型測(cè)量技術(shù)，能快速、精確地獲取物體的表面三維坐標(biāo)。目前地面三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展逐漸從固定式到移動(dòng)式，從室外到室內(nèi)，可以說(shuō)室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量逐漸成為三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展新方向[1]。

與室外開(kāi)闊的場(chǎng)景不同，人們要在無(wú)GNSS信號(hào)的情況下獲取室內(nèi)空間高精度、多細(xì)節(jié)的三維信息非常困難。實(shí)際上，室內(nèi)環(huán)境的高精度三維信息獲取類似于機(jī)器人在未知環(huán)境進(jìn)行定位和制圖，機(jī)器人的位姿是通過(guò)環(huán)境地圖得到的，即機(jī)器人的位姿依賴于環(huán)境地圖[2]。位姿和地圖估計(jì)之間的這種相互依賴的關(guān)系給機(jī)器人在未知環(huán)境下的導(dǎo)航提出了新的研究領(lǐng)域稱之為即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping，SLAM)。因此，室內(nèi)測(cè)量領(lǐng)域完全可以借助SLAM技術(shù)來(lái)獲取室內(nèi)空間數(shù)據(jù)。其中，基于激光的SLAM利用激光掃描儀作為傳感器獲取地圖數(shù)據(jù)是目前穩(wěn)定、可靠、高性能的方式[3]。

2 SLAM算法及儀器介紹

2.1 SLAM算法介紹

SLAM指的是機(jī)器人在自身位置不確定的條件下，在完全未知環(huán)境中創(chuàng)建地圖，同時(shí)利用地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。目前SLAM算法可以分為擴(kuò)展卡爾曼濾波類(Extended Kalman Filter，EKF)SLAM，基于圖像類(Graph)SLAM和基于掃描匹配的SLAM算法[4，5]。

EKF-SLAM是最先被提出SLAM算法，也是迄今最為流行的算法。該算法建立在運(yùn)動(dòng)模型和觀測(cè)模型的高斯噪聲假設(shè)基礎(chǔ)上，從而解決SLAM問(wèn)題。EKF-SLAM作為一種成熟的SLAM算法，其主要優(yōu)點(diǎn)是它能在線對(duì)地圖進(jìn)行全后驗(yàn)概率估計(jì)，另外通過(guò)該算法還能得到最高概率地圖和較為精確的機(jī)器人位姿估計(jì)。EKF還可以基于不同的機(jī)器人初始不確定性和傳感器觀測(cè)的不確定性得到不同精度的機(jī)器人位姿和所創(chuàng)建的環(huán)境地圖依概率收斂值。

Graph-SLAM實(shí)際上是一種基于圖、網(wǎng)絡(luò)的SLAM算法，又稱為基于圖優(yōu)化的SLAM。在Graph-SLAM中，通過(guò)構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的位姿進(jìn)行描述。在Graph上的節(jié)點(diǎn)表示移動(dòng)機(jī)器人在某一時(shí)刻的位姿，節(jié)點(diǎn)之間的邊表示兩個(gè)時(shí)刻位姿的改變，或者是通過(guò)里程計(jì)觀測(cè)得到的信息。通過(guò)對(duì)這些點(diǎn)和邊分別進(jìn)行編碼，最終構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。

采用掃描匹配的方法，我們能構(gòu)建準(zhǔn)確的二維環(huán)境地圖。通過(guò)對(duì)兩個(gè)連續(xù)的掃描信息進(jìn)行匹配，在全局范圍內(nèi)得到準(zhǔn)確的結(jié)果。該方法解決了大多存在機(jī)器人被“綁架”時(shí)失效的問(wèn)題。通過(guò)機(jī)器人的激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合ICP等匹配算法將機(jī)器人在每個(gè)位置對(duì)周圍環(huán)境的觀測(cè)來(lái)得到局部地圖與全局地圖建立幾何關(guān)系，最終拼接成全局地圖并且實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位。

將激光掃描與SLAM技術(shù)相結(jié)合解決了室內(nèi)環(huán)境中無(wú)GNSS信號(hào)無(wú)法定位的問(wèn)題，為室內(nèi)三維激光掃描提供了新的定位定姿方法。

2.2儀器介紹

本文所述案例采用的是IMS3D室內(nèi)三維移動(dòng)掃描儀，如圖1所示。

圖1 IMS3D室內(nèi)三維移動(dòng)掃描儀

IMS3D是基于SLAM技術(shù)、無(wú)須GNSS、無(wú)須測(cè)站的室內(nèi)移動(dòng)掃描儀器，該儀器可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的測(cè)量精度。IMS3D可以進(jìn)行大規(guī)模的連續(xù)測(cè)量，它在技術(shù)上不使用GNSS定位，可以很好地處理主要的專業(yè)問(wèn)題，在工作區(qū)域無(wú)須特別設(shè)置，就可以開(kāi)始掃描。

IMS3D室內(nèi)三維移動(dòng)掃描儀主要由3個(gè)激光解析儀、一個(gè)全景照相機(jī)、掃描控制和管理觸摸屏和可拆卸的移動(dòng)推車構(gòu)成。

IMS3D主要的優(yōu)勢(shì)：

(1)每小時(shí)可以掃描5 000 m2的區(qū)域；

(2)采用球面圖像控制數(shù)據(jù)采集；

(3)測(cè)量精度達(dá)到厘米級(jí)；

(4)所有操作均無(wú)須設(shè)置；

(5)連續(xù)掃描，無(wú)須測(cè)站。

3 解放碑地下環(huán)道竣工測(cè)量應(yīng)用

重慶市解放碑地下環(huán)道工程總投資15億元。工程由“一環(huán)、七聯(lián)絡(luò)”組成。“一環(huán)”長(zhǎng) 2.8 km，為單向循環(huán)雙車道，路寬為 7 m～9 m，層高 5.5 m，處于地下 20 m處，連接整個(gè)解放碑核心區(qū)域；“七聯(lián)絡(luò)”則是出入解放碑的7條地下連接道與“一環(huán)”直接接軌。該地下環(huán)道竣工后已采用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行地形圖測(cè)繪，為了更好地展示解放碑地下環(huán)道的三維形態(tài)，建立其三維模型，本文采用室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)對(duì)其進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

3.1數(shù)據(jù)采集

在解放碑地下環(huán)道竣工測(cè)量過(guò)程中，采用了室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)整個(gè)地下環(huán)道進(jìn)行了三維數(shù)據(jù)采集，獲取了地下環(huán)道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于地下環(huán)道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為了保證數(shù)據(jù)采集的效率，將地下環(huán)道分段進(jìn)行采集，再通過(guò)隧道特征點(diǎn)和設(shè)置標(biāo)靶的方法將各段數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，如圖2～圖3所示。

由于地下環(huán)道內(nèi)部明顯特征較少，而SLAM算法而言，需要有較多的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云匹配，為了保證整個(gè)地下環(huán)道數(shù)據(jù)采集的正確性和工作效率，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采用了自制標(biāo)靶來(lái)增加特征點(diǎn)。通過(guò)在特定位置增設(shè)標(biāo)靶，保證了室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量?jī)xSLAM算法的穩(wěn)定性，避免了在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中點(diǎn)云匹配的錯(cuò)誤，如圖4所示。

圖2 地下環(huán)道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

圖3 地下環(huán)道實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)

圖4 自制標(biāo)靶

3.2數(shù)據(jù)處理

將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。主要包括慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算、二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算和點(diǎn)云數(shù)據(jù)平差，最終得到地下環(huán)道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5～圖6所示。

圖5 地下環(huán)道局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖6 地下環(huán)道內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將解放碑地下環(huán)道點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，通過(guò)軟件對(duì)隧道的邊線、隧道內(nèi)部道路邊線、隧道頂高和底高和相關(guān)附屬設(shè)施進(jìn)行提取[6]，通過(guò)建模軟件建立地下環(huán)道的三維模型數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)入開(kāi)發(fā)的管理平臺(tái)進(jìn)行三維顯示和管理，如圖7所示。

圖7 地下環(huán)道三維模型數(shù)據(jù)

3.3效率及精度分析

本次對(duì)解放碑地下環(huán)道采用室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，作業(yè)效率如表1所示。

作業(yè)效率比較表 表1

由于地下環(huán)道線路長(zhǎng)、支路多，控制測(cè)量采用的是圖根導(dǎo)線測(cè)量的方式，較為耗時(shí)。而采用室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)，就省去了圖根導(dǎo)線的環(huán)節(jié)。從上表可以看出，該方法作業(yè)效率在外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面其效率高于傳統(tǒng)測(cè)繪方法，既提高了作業(yè)效率又減少了人力的投入。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)點(diǎn)云特征提取到形成地形圖的時(shí)間也較長(zhǎng)，但是正是由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的海量性，使從點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的數(shù)據(jù)信息更加豐富，保證了地下環(huán)道數(shù)據(jù)要素的完整性。

在測(cè)量精度方面，本文將傳統(tǒng)測(cè)量方式采集的地下環(huán)道數(shù)據(jù)與點(diǎn)云提取的環(huán)道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出隧道平面數(shù)據(jù)平均誤差為 4.3 cm，高程平均誤差為 5.2 cm，基本滿足 1∶500地形圖測(cè)繪要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于解放碑地下環(huán)道竣工測(cè)量中，通過(guò)應(yīng)用得出該技術(shù)可以提供外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，能得到大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)成圖提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其測(cè)量精度基本滿足 1∶500地形圖測(cè)繪的要求，可以在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)正處于研究和發(fā)展階段，與其相關(guān)的SLAM算法的優(yōu)化、特征提取的自動(dòng)化等都需要進(jìn)一步的研究，但隨著該技術(shù)不斷發(fā)展，必將有更好的應(yīng)用前景。

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TheApplicationandResearchofIndoorMobileMeasurementTechnologyinCompletionofMeasurement

Huang Chengliang

(Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China)

This paper introduces indoor mobile measurement technology based on SLAM，and take completion measurement of the underground ring of Jiefangbei as an example，data processing efficiency and data quality are analyzed statistically，and the feasibility、measurement methods and data processing are discussed in the application of indoor mobile measurement technology in engineering application field. The quantitative analysis results of the efficiency and measurement accuracy are obtained by comparing indoor mobile measurement technology with conventional measurement method，with a typical representative of the meaning and socio-economic value.

indoor mobile measurement technology；pint cloud；SLAM

1672-8262(2017)05-133-03

P235

B

2017—07—19

黃承亮(1984—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事大地測(cè)量及工程測(cè)量，三維激光掃描方面的研究。