基于手持激光Slam 的廠房改造應(yīng)用

周騰飛 趙丹琴 高梓成

（1、北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京100044 2、中國(guó)友發(fā)國(guó)際工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京100018）

1 概述

隨著我國(guó)工業(yè)建設(shè)的自動(dòng)化水平逐漸提升，各大廠商都在已有廠房基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)化改造，現(xiàn)有廠房基礎(chǔ)上改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)現(xiàn)有狀況的了解，現(xiàn)有圖紙只是對(duì)當(dāng)時(shí)建設(shè)環(huán)境的直觀呈現(xiàn)，不具有實(shí)時(shí)效應(yīng)，實(shí)際環(huán)境可能與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)具有加大的出入，無(wú)法直接作為參考設(shè)計(jì)的依據(jù)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，增加設(shè)計(jì)的難度，對(duì)此需要獲取準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)資料。

對(duì)于廠房數(shù)據(jù)獲取常規(guī)手段是利用全站儀、水準(zhǔn)儀等觀測(cè)儀器進(jìn)行手工測(cè)量，該方法對(duì)于廠房只能獲取整體輪廓數(shù)據(jù)，無(wú)法獲取全面的細(xì)節(jié)，無(wú)法構(gòu)建精密的整體模型，同時(shí)對(duì)于形狀不規(guī)則的物體，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的精度，對(duì)此我們利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集獲取。

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域技術(shù)的革新，在不接觸被測(cè)物的條件下獲取其全面的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，精度達(dá)到毫米級(jí)[1]，在土方量估算[2]、工程測(cè)量[3]、隧道測(cè)量[4]等方面應(yīng)用廣泛。手持Slam 觀測(cè)作為三維量測(cè)中的最新技術(shù)在保證數(shù)據(jù)精度和全面性基礎(chǔ)上大大提升工作效率和靈活性，在規(guī)劃好行進(jìn)路線的前提下，只需要單人手持掃描儀就可完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，避免多站點(diǎn)架設(shè)掃描站載掃描儀，大大節(jié)省外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，避免后期多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接產(chǎn)生的誤差，避免誤差累計(jì)，提升工作效率，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2 手持Slam 工作原理

手持激光Slam 工作實(shí)質(zhì)是距離和角度測(cè)量。在測(cè)距上，掃描儀激光發(fā)射器周期性進(jìn)行激光發(fā)射，利用激光回波探測(cè)技術(shù)獲取激光發(fā)射到反射接收的時(shí)間差或相位差，從而計(jì)算出被測(cè)物體某點(diǎn)到激光掃描儀中心的距離；在角度測(cè)量上利用高精度時(shí)鐘控制編碼器紀(jì)律測(cè)量每個(gè)激光發(fā)射瞬間的橫向和縱向角度偏差，從而利用記錄的一個(gè)線元素和兩個(gè)角元素計(jì)算得到被測(cè)物體的空間三維坐標(biāo)，具體工作原理和計(jì)算公式見(jiàn)圖1：

圖1 坐標(biāo)測(cè)量原理

3 數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京某車(chē)廠生產(chǎn)車(chē)間，在數(shù)據(jù)采集前根據(jù)已有圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際踏勘結(jié)果進(jìn)行行進(jìn)路線制定，在數(shù)據(jù)采集時(shí)手持激光Slam 行進(jìn)路線盡量為閉合環(huán)或八字形狀，有利于消除實(shí)時(shí)采集的累計(jì)誤差?？紤]到車(chē)間環(huán)境復(fù)雜，障礙物比較多，根據(jù)實(shí)際情況將車(chē)間分成四塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每次行走八字路線，最后將得到的數(shù)據(jù)拼接到一起，如圖2 為廠房采集的部分結(jié)果。

圖2 Slam 采集部分結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云去噪、精簡(jiǎn)、平滑三部分，手持激光Slam 會(huì)將觀測(cè)的地物全部記錄下來(lái)，在短時(shí)間內(nèi)獲取海量車(chē)間數(shù)據(jù)，但由于工作環(huán)境干擾、儀器自身誤差、物體不同反射特性造成誤差等多種因素影響會(huì)產(chǎn)生一定噪聲，對(duì)后期模型建立影響嚴(yán)重，對(duì)此要進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪處理。對(duì)于存在明顯的孤立噪聲我們可以采用手動(dòng)的方式進(jìn)行剔除，對(duì)于體外孤點(diǎn)或者非連接項(xiàng)利用可變局部擬合的方式進(jìn)行剔除，從而排除噪聲點(diǎn)干擾。

手持激光Slam 獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量隨時(shí)間不斷累積，數(shù)據(jù)量龐大，同時(shí)其中也包括重復(fù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)此對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，消除數(shù)據(jù)的冗余，保留特征數(shù)據(jù)，用盡可能少的點(diǎn)建立達(dá)到觀測(cè)精度的模型，提升計(jì)算機(jī)性能，加快數(shù)據(jù)處理進(jìn)度。點(diǎn)云精簡(jiǎn)額算法眾多，主要包括包圍盒算法、特征保留法、保留邊界法、聚類法、混合精簡(jiǎn)法等，在保證數(shù)據(jù)的精度前提下，利用混合采樣的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀簡(jiǎn)化處理，該方法兼顧曲率和柵格采樣方法約束特性，并以曲率為優(yōu)先約束條件，首先對(duì)特征和非特征點(diǎn)的識(shí)別分類，保留特征點(diǎn)不變性，對(duì)非特征點(diǎn)進(jìn)行聚類精簡(jiǎn)。通過(guò)精簡(jiǎn)使點(diǎn)云的數(shù)量在原來(lái)基礎(chǔ)上減少15%，大大提升工作效率。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)可能產(chǎn)生少量的隨機(jī)誤差，對(duì)此可以采用平滑的方式消除這些誤差。本文采用基于平均曲率流的方式進(jìn)行平滑優(yōu)化，沿著表面法向量以平均曲率速度進(jìn)行平滑，具體表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

其中H（P）為P 點(diǎn)的平均曲率，n（P）為P 點(diǎn)法向量，為防止過(guò)度平滑產(chǎn)生，增加一個(gè)判斷條件，即

max|F（P（j））|＜ε

其中ε 為指定的閾值，如果第j 次平滑后最大權(quán)張量小于絕對(duì)值小于閾值ε 停止平滑，否則繼續(xù)進(jìn)行下次平滑。

3.3 逆向建模

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的逆向建立，點(diǎn)云逆向建模主要借助Geomagic 軟件，將點(diǎn)云導(dǎo)入軟件中經(jīng)過(guò)去噪、平滑等處理后，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)重構(gòu)，選取合適的三角網(wǎng)數(shù)量，由于各種物理原因會(huì)造成模型的局部缺失，對(duì)此進(jìn)行空洞修補(bǔ)，填充內(nèi)部孔和邊界孔，模型修補(bǔ)完成后進(jìn)行模型銳化修復(fù)處理，增強(qiáng)模型平滑性，從而建立符合實(shí)際的整體模型。

4 基于模型的可量測(cè)分析

基于生成的等比例點(diǎn)云或模型數(shù)據(jù)進(jìn)行量測(cè)分析，本文主要進(jìn)行距離、面積、體積等設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和多視圖生成，對(duì)于距離等設(shè)計(jì)參數(shù)現(xiàn)有很多點(diǎn)云處理軟件都可進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于多視圖繪制主要借助CAD 軟件進(jìn)行制作，主要包括建筑物本身和附屬物兩部分，建筑物本身是對(duì)廠房建筑自身描述，包括廠房繪制，窗戶、立柱等物體的位置、尺寸和厚度等參數(shù)。附屬物是對(duì)管道、照明燈等附屬物進(jìn)行量測(cè)，包括管道的長(zhǎng)度，直徑等參數(shù)。通過(guò)量測(cè)分析數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)需求提供準(zhǔn)確計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了一種基于手持激光Slam 的廠房改造數(shù)據(jù)獲取的方法，利用手持激光Slam 快速獲取廠房整體三維空間信息，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)、平滑、去噪等預(yù)處理，構(gòu)建三維立體可量測(cè)模型，并以北京某汽車(chē)廠房改造為廠房擴(kuò)建改造為實(shí)例驗(yàn)證該方法的可行性，為廠房擴(kuò)建改造提供數(shù)據(jù)獲取提供新的途徑。