推車SLAM室內(nèi)實景三維測圖及應(yīng)用

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(1. 北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616; 2. 代表性建筑與古建筑數(shù)據(jù)庫教育部工程中心，北京 102616； 3. 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044; 4. 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 102616; 5. 建筑遺產(chǎn)精細(xì)重構(gòu)與健康監(jiān)測北京市重點實驗室，北京 102616； 6. 南京天樞星圖信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210042)

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)境下進(jìn)行定位和制圖，在機(jī)器人領(lǐng)域稱之為SLAM(simultaneous localization and mapping)[1]。室內(nèi)測量可以借助推車SLAM技術(shù)來獲取室內(nèi)空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)室內(nèi)實景三維測圖，為室內(nèi)導(dǎo)航定位提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。人們可以通過推車SLAM掃描獲取三維信息(包括實景影像和點云數(shù)據(jù))，利用一定的技術(shù)手段制作出高精度的室內(nèi)三維實景地圖。而這種類型的地圖，往往是基于三維實景影像與點云數(shù)據(jù)的融合原理制作而成，具有高保真度，能顯示多細(xì)節(jié)信息。相比于傳統(tǒng)的三維激光掃描儀只能單一獲取三維點云數(shù)據(jù)，再通過第三方設(shè)備拍攝若干圖像后進(jìn)行紋理貼圖和建模，推車SLAM系統(tǒng)的一體化數(shù)據(jù)處理過程可明顯減弱人工貼圖誤差的影響，輸出的三維地圖精度更高，應(yīng)用價值和前景更廣。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

中海達(dá)HiScan-SLAM憑借其靈活、機(jī)動的特性，基于LiDAR的SLAM技術(shù)，能夠快速、實時、精準(zhǔn)地獲取室內(nèi)環(huán)境的三維激光點云、全景影像和行駛軌跡，為室內(nèi)定位、室內(nèi)二三維地圖和三維模型生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持[1]；華泰天宇I(lǐng)MS3D室內(nèi)三維移動掃描儀測量速度快，精度高，應(yīng)用范圍廣及完美的專業(yè)適應(yīng)性，為快速實時獲取室內(nèi)高精度三維空間信息提供了新手段[2]；室內(nèi)移動測繪系統(tǒng)(i-MMS)[3]與室內(nèi)多傳感器采集系統(tǒng)(IMAS)[4]的出現(xiàn)緩解了典型移動式激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)(MLS)等對于GPS的依賴，為室內(nèi)空間數(shù)據(jù)的獲取與導(dǎo)航定位提供了技術(shù)支持。但這些新型的推車SLAM系統(tǒng)仍然處于早期發(fā)展階段，對于一些有超高精度要求的應(yīng)用，如需要毫米級精度的測量工程和監(jiān)測等，這類系統(tǒng)目前仍無法充分發(fā)揮作用(見表1)。針對以上各種推車SLAM的特點和不足，本文重點介紹在以上各方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢的SLAM移動測圖系統(tǒng)NavVis，詳細(xì)介紹基于NavVis的從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到地圖應(yīng)用的一整套室內(nèi)實景三維測圖服務(wù)系統(tǒng)解決方案。

表1 推車SLAM系統(tǒng)的對比

2 NavVis室內(nèi)實景三維測圖原理

本文采用NavVis M3室內(nèi)移動測量車作為數(shù)據(jù)獲取手段，該推車為德國NavVis公司自主研發(fā)的以SLAM技術(shù)為基礎(chǔ)的室內(nèi)移動測量系統(tǒng)，可以快速完成對目標(biāo)建筑的室內(nèi)三維結(jié)構(gòu)、720°全景、WiFi、地磁等信息的采集，現(xiàn)場測量完成后通過專業(yè)軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并完成信息模型構(gòu)建，可以制作室內(nèi)三維實景地圖。從模型中可直接獲得目標(biāo)建筑的二維平面圖和反映室內(nèi)三維結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)，該點云數(shù)據(jù)可用于建?；蛳嚓P(guān)性分析[5]。

NavVis M3室內(nèi)移動測量車配有精密的儀器設(shè)備(如圖1所示)，包括6臺高分辨率全景相機(jī)、1臺水平激光掃描儀、2臺垂直激光掃描儀、1臺觸屏控制器和穩(wěn)定輕量的行走平臺等。通過各部件的協(xié)調(diào)工作，可以生成有全沉浸式VR互動的360°全景圖，可支持輸出LAS、PLY格式且兼容CAD系統(tǒng)的5 mm精度三維點云，支持自由添加文字、聲音、視頻等標(biāo)注信息的高精度二維平面圖，功能十分強(qiáng)大。

在NavVis M3室內(nèi)移動測量車的結(jié)構(gòu)中，6臺照相機(jī)上裝有魚眼鏡頭，像素達(dá)到1600萬，可以捕捉720°全景照片。在掃描過程中分別生成6張照片，并在后期處理時拼接在一起；1臺水平激光掃描儀為即時定位與地圖構(gòu)建設(shè)備，M3移動掃描系統(tǒng)在創(chuàng)建地圖時，運(yùn)用位置算法對自身進(jìn)行定位，定位所需數(shù)據(jù)來自水平激光掃描儀。該激光掃描儀在1.88 m的高度連續(xù)掃描，并依此獲取定位和地圖構(gòu)建所需數(shù)據(jù)；2臺垂直激光掃描儀安裝在移動測量系統(tǒng)車身前方，垂直激光儀的盲點指向地面，這樣移動掃描系統(tǒng)的任何一部分都不會處于激光儀的掃描范圍之內(nèi)。以上3臺激光掃描儀中每臺都可以捕捉30 m內(nèi)270°范圍內(nèi)的景象。它們的放置方式保證了房間的三維空間均可被覆蓋。在掃描過程中激光數(shù)據(jù)被連續(xù)記錄，并生成三維點云數(shù)據(jù)；1臺觸屏控制器可以完成一鍵測圖與采集工作，操作簡單且實時顯示掃描范圍、測量點位與二維預(yù)覽圖[6]。

3 技術(shù)流程

3.1 數(shù)據(jù)采集

本文試驗測量范圍是北京建筑大學(xué)測繪學(xué)院樓。在掃描工作開始前，首先要對掃描路線作簡單的路線規(guī)劃，應(yīng)根據(jù)測繪學(xué)院樓建筑平面圖，把整個建筑物的室內(nèi)劃分成若干個掃描區(qū)，要充分考慮掃描重疊度、單次掃描時間限制、建筑物尺寸與建筑布局等影響因素，以防止不必要的復(fù)測。

為提高地圖創(chuàng)建的精度，掃描時需建立數(shù)據(jù)集的閉合環(huán)[7]，即在大型地圖中，在一個數(shù)據(jù)集內(nèi)重復(fù)經(jīng)過已掃描區(qū)域而形成的閉合路線。本文在掃描測繪學(xué)院樓每層樓道時，將移動掃描系統(tǒng)使其路徑多次經(jīng)過同一點，與先前走過的路線交叉，確保捕捉到已知環(huán)境，并識別出重要幾何圖像，以此生成精準(zhǔn)正確的地圖。掃描路徑和二維柵格地圖展示在觸屏控制器上，如圖2所示，路徑上的點為圖像拍攝位置點，間隔為1 m，推車行進(jìn)速度不超過6 m/s，推車每行進(jìn)1 m系統(tǒng)發(fā)出響聲，此時等待設(shè)備進(jìn)行拍攝，拍攝完成后再繼續(xù)行進(jìn)，依此方法按規(guī)劃路線進(jìn)行掃描。從圖中可以看出，掃描路徑上有很多交叉點與閉合環(huán)，有效地提高了測圖精度。

3.2 數(shù)據(jù)處理

NavVis M3室內(nèi)移動測量車能夠捕獲大量數(shù)據(jù)，包括激光掃描儀數(shù)據(jù)及高清魚眼影像。為了從獲取的數(shù)據(jù)中生成三維實景地圖，需要在高效無縫運(yùn)行NavVis軟件的計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8]。使用64位Ubuntu 14.04操作系統(tǒng)，在該硬件設(shè)備上處理NavVis數(shù)據(jù)。首先需要對原始數(shù)據(jù)、發(fā)布數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作預(yù)處理，然后在IndoorViewer中對凌亂的原始點云數(shù)據(jù)作配準(zhǔn)，其中包括數(shù)據(jù)單元的相對配準(zhǔn)與全球配準(zhǔn)兩部分，接著在NavVis系統(tǒng)中創(chuàng)建導(dǎo)航圖與云地圖，為后續(xù)室內(nèi)路徑導(dǎo)航作鋪墊，最后將處理好的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)端并發(fā)布。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理過程主要分為3部分：原始數(shù)據(jù)預(yù)處理、發(fā)布數(shù)據(jù)預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)預(yù)處理。該過程所需時間是數(shù)據(jù)采集時間的2～3倍。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是將掃描實景上傳至NavVis IndoorViewer中。IndoorViewer是一個在NavVis系統(tǒng)下基于瀏覽器端擁有直觀用戶界面的應(yīng)用程序。原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理是對所記錄的數(shù)據(jù)集啟動動態(tài)對象刪除的后期處理過程，可以刪除測量過程中移動的對象，即走動的人們。發(fā)布數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的預(yù)處理是針對當(dāng)前項目創(chuàng)建一個實例，并將掃描的數(shù)據(jù)單元加載到實例中。最后，對實例進(jìn)行注冊并登錄后，IndoorViewer界面就會顯示諸多管理圖標(biāo)，點擊管理設(shè)置，就會顯示當(dāng)前實例的實際面積屬性。

3.2.2 點云配準(zhǔn)

點云配準(zhǔn)過程需在IndoorViewer中完成，目的是使點云數(shù)據(jù)集進(jìn)行相互匹配和關(guān)聯(lián)，以形成樓層與樓層之間、室內(nèi)與室外之間、自身地理位置與全球地圖之間正確的位置關(guān)聯(lián)關(guān)系。點云配準(zhǔn)包含兩部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)單元的相對配準(zhǔn)和全球配準(zhǔn)[9]。

3.2.2.1 數(shù)據(jù)單元的相對配準(zhǔn)

在數(shù)據(jù)單元的相對配準(zhǔn)過程中，利用Transform菜單中的角度旋轉(zhuǎn)與軸向平移選項，結(jié)合左側(cè)4幅視圖影像進(jìn)行精確點云配準(zhǔn)。為了方便識別特征，提高配準(zhǔn)精度，本文以測繪學(xué)院每層樓的電梯井和樓梯作為參考進(jìn)行配準(zhǔn)拼接，不同的數(shù)據(jù)單元用不同的顏色加以區(qū)分，并仔細(xì)核對頂視圖中每層的投影重疊度，通過認(rèn)真檢校與對比，完成測繪學(xué)院樓各數(shù)據(jù)單元的相對配準(zhǔn)工作(如圖4所示)。由于不同操作者的局限性，該點云配準(zhǔn)的相對精度會有差異，但總體絕對精度可以保證。

3.2.2.2 全球配準(zhǔn)

與數(shù)據(jù)單元的相對配準(zhǔn)類似，全球配準(zhǔn)是基于OSM(open street map)的一種地理位置配準(zhǔn)，主要目的是將數(shù)據(jù)集所在位置定位到全球坐標(biāo)系，為后續(xù)生成導(dǎo)航圖與云地圖作鋪墊，但由于OSM的精細(xì)化程度不高，需要借助谷歌地圖等第三方平臺進(jìn)行輔助定位[10]。配準(zhǔn)過程中，需要依據(jù)谷歌地圖進(jìn)行對比參照，將之前已完成相對配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)單元集拖拽至OSM的相應(yīng)地理位置即可(如圖5所示)。由于不同操作者的局限性，全球配準(zhǔn)的精度會有很大差異，這也是NavVis系統(tǒng)需要優(yōu)化的一個重要問題。

3.2.3 創(chuàng)建導(dǎo)航圖與云地圖

導(dǎo)航圖顯示了到達(dá)一個位置可能的路徑網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)的導(dǎo)航路徑規(guī)劃提供基礎(chǔ)；云地圖是掃描區(qū)域的2D小地圖，展示在網(wǎng)頁端的右下角。二者的創(chuàng)建是整個數(shù)據(jù)處理過程中必不可少的一部分，需要利用點云配準(zhǔn)已保存的配準(zhǔn)參數(shù)文件來創(chuàng)建導(dǎo)航圖與云地圖[11]。首先，調(diào)用之前已保存的配準(zhǔn)參數(shù)文件創(chuàng)建導(dǎo)航云地圖，此時會生成一個記錄了導(dǎo)航圖與云地圖信息的文件夾。然后，重新加載導(dǎo)航圖與云地圖的數(shù)據(jù)單元，并清空實例中原有數(shù)據(jù)，用之前最新生成的配準(zhǔn)參數(shù)文件重新加載。導(dǎo)航圖與云地圖的創(chuàng)建結(jié)果如圖6、圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)布

在完成導(dǎo)航圖與云地圖創(chuàng)建后，需上傳數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并創(chuàng)建IndoorViewer實例來發(fā)布數(shù)據(jù)，室內(nèi)三維實景地圖的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布成果如圖8所示。通過點擊地面位置點移動視角，動態(tài)瀏覽室內(nèi)實景影像[12]。

4 應(yīng) 用

4.1 興趣點(POI)添加查詢

POI在地理信息系統(tǒng)中起著極為重要的作用，它包含了名稱、類別、坐標(biāo)、分類等豐富的信息，三維實景地圖中POI的多少直接影響導(dǎo)航的準(zhǔn)確程度。

室內(nèi)三維實景地圖可以實現(xiàn)興趣點的添加查詢功能。在IndoorViewer實景地圖中的目標(biāo)位置單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“創(chuàng)建興趣點”，在信息面板上即可編輯興趣點信息，為室內(nèi)某處電梯的興趣點編輯面板，用戶可以上傳任何媒體形式的信息到興趣點中。在文本窗口中，通過“添加文件”按鈕，可以從電腦資源中選擇上傳圖片、PDF文件或音頻等文件。同時，在選擇條中選擇相應(yīng)圖標(biāo)即可嵌入圖片鏈接、音頻或視頻數(shù)據(jù)等資源。另外，點擊“源代碼”按鈕，即可將HTML代碼直接嵌入興趣點中。在興趣點高級功能部分，根據(jù)經(jīng)緯度信息的可見和可編輯行，全球定位被劃分為低、中、高3個重要級別。這個級別決定了在地圖縮放或興趣點過多時，哪些興趣點最先消失。另外，興趣點的圖標(biāo)也可以進(jìn)行定制。

圖9所示為中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院的興趣點添加查詢結(jié)果，本文添加查詢的興趣點是一個消防箱，左上角顯示了該消防箱的屬性信息：位于中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院的一層。右下角的云地圖中也顯示了該消防箱所在的平面位置，其中該興趣點的圖標(biāo)為特別定制。

4.2 室內(nèi)導(dǎo)航路徑規(guī)劃

添加興趣點之后，可以利用IndoorViewer軟件在各興趣點之間實現(xiàn)虛擬路徑規(guī)劃。該功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)是由NavVis軟件數(shù)據(jù)處理而自動生成的導(dǎo)航圖[13]。

首先需要在IndoorViewer中完善自動生成的導(dǎo)航圖。通過編輯及連接相關(guān)的導(dǎo)航結(jié)點，如樓梯或電梯等，可以關(guān)聯(lián)不同的樓層，錯誤的導(dǎo)航結(jié)點和關(guān)聯(lián)會導(dǎo)致不正確的路徑規(guī)劃(如圖10所示)，需要手動刪除。經(jīng)過多次測試不同的路徑規(guī)劃以確認(rèn)路徑計算及導(dǎo)航邏輯的正確性。

在使用NavVis門戶端口建立實例時，直接激活I(lǐng)ndoorViewer的附加模塊，其中會有路徑規(guī)劃功能。在中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院的實例中，路線規(guī)劃功能激活后，每一個興趣點面板都有“路徑規(guī)劃”選項。調(diào)出相應(yīng)的興趣點面板，保持路徑規(guī)劃面板打開，點擊“路徑規(guī)劃”選項，選擇相應(yīng)的“起點”或“終點”。系統(tǒng)會根據(jù)導(dǎo)航結(jié)點網(wǎng)絡(luò)自動計算并生成規(guī)劃路徑和相關(guān)導(dǎo)航信息。

圖11所示為中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院的一條室內(nèi)導(dǎo)航路徑規(guī)劃，本文把導(dǎo)航的起點和終點分別設(shè)置為C107教室和消火栓，這兩個地點都為事先添加并編輯完成的興趣點。系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航結(jié)點網(wǎng)絡(luò)自動計算并生成規(guī)劃路徑和相關(guān)導(dǎo)航信息，可以看到三維實景影像地圖中用依次關(guān)聯(lián)的方向箭頭來表示導(dǎo)航路徑，左上角的路徑規(guī)劃面板上清晰展現(xiàn)了兩個興趣點之間的距離及步行所需時間。同時，右下角的二維平面圖中也顯示了導(dǎo)航路徑，給用戶以更加直觀的二三維聯(lián)動式交互體驗。

5 結(jié) 語

隨著測繪科技的不斷進(jìn)步，室內(nèi)外測量技術(shù)的發(fā)展日新月異，以推車作為搭載平臺，以SLAM作為核心技術(shù)的移動測量系統(tǒng)層出不窮，它們的共同點基本都是不依賴GPS和IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)，集SLAM、激光掃描儀、高分辨率相機(jī)為一體，完成自主定位與三維實景測圖工作[14]。相比傳統(tǒng)三維激光掃描儀，其數(shù)據(jù)采集精度高，速度快。NavVis推車SLAM作為典型代表之一，其室內(nèi)實景三維測圖技術(shù)正日趨成熟，其最大的特點是提供了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到地圖應(yīng)用的一整套解決方案。其技術(shù)若推廣到汽車輔助駕駛或自動駕駛領(lǐng)域，服務(wù)于高精度地圖數(shù)據(jù)獲取與制作，應(yīng)會有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價值。