基于SLAM的激光雷達(dá)三維測繪儀前景分析

李寶航 孫久翕 富靖松 李語澤 郭麗君

摘 要

文章闡述了基于SLAM的激光雷達(dá)三維測繪的市場前景。首先介紹了此類產(chǎn)品應(yīng)用的背景，其次對所研究產(chǎn)品的技術(shù)性能作了描述，緊接對技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的介紹，最后站在市場需求，市場份額和銷售額的角度上討論產(chǎn)品的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞

基于SLAM的三維測繪儀;激光雷達(dá);市場前景

中圖分類號： TD175 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.065

隨著近幾年來人工智能的高速進(jìn)步，三維曲面重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，而激光雷達(dá)作為三維曲面重構(gòu)技術(shù)的一個環(huán)節(jié)，占據(jù)著舉足輕重的地位，使得該技術(shù)在社會發(fā)展的過程中具有更廣泛的應(yīng)用，基于激光雷達(dá)掃描的三維重構(gòu)技術(shù)也自然而然地嶄露頭角。經(jīng)由調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)在建筑測繪領(lǐng)域應(yīng)用的較少，目前在建筑誤差測量領(lǐng)域，主要仍應(yīng)用傳統(tǒng)電子機(jī)械設(shè)備為測量工具，而這些相對來說難操作，效率低下。本產(chǎn)品則能讓傳統(tǒng)的人力測量以及檢驗(yàn)變得高效，能對地形地貌進(jìn)行準(zhǔn)確的測量[1]，為使用者的后續(xù)提供了技術(shù)保障。機(jī)載激光雷達(dá)在三維重構(gòu)方面的前景即為本文研究重點(diǎn)所在。

1 基于SLAM的激光雷達(dá)三維測繪儀簡介

1.1 技術(shù)性能簡介

產(chǎn)品集以激光雷達(dá)，深度相機(jī)與IMU（慣性測量單元）為一體，搭建的機(jī)載激光雷達(dá)三維空間感知傳感器平臺。激光雷達(dá)應(yīng)用三維點(diǎn)云重建技術(shù)，利用三維點(diǎn)云進(jìn)行場景的空間重建，并取得了方法上的突破。首先，激光雷達(dá)對被測空間進(jìn)行掃描并獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時通過深度相機(jī)以RGB格式完成點(diǎn)云的繪制，隨后利用激光雷達(dá)提供的的網(wǎng)口把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中。之后通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的任務(wù)。我們利用高斯雙邊濾波算法、ICP 實(shí)時配準(zhǔn)算法和貪婪三角形投影算法，分別完成對點(diǎn)云的去除離散點(diǎn)、降噪、濾波、拼接、配準(zhǔn)、三角網(wǎng)格生成等工作后，使用SLAM算法對周邊進(jìn)行實(shí)時的三維重構(gòu)，并通過上位機(jī)的Wi-Fi模塊遠(yuǎn)程回傳實(shí)時視頻與立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。下位機(jī)同步讀取IMU信息。同時，為了能讓消費(fèi)者更清楚的了解三維重構(gòu)信息和測繪數(shù)據(jù)，我團(tuán)隊開發(fā)出了能對激光雷達(dá)重構(gòu)的周圍環(huán)境三維重構(gòu)的立體圖與視頻進(jìn)行實(shí)時查看，還能遠(yuǎn)程對機(jī)載激光雷達(dá)三維空間感知傳感器進(jìn)行控制。我團(tuán)隊的產(chǎn)品高效便捷，使用方法簡單，適用在建筑領(lǐng)域。我們的潛在客戶眾多，市場廣闊，具有工程實(shí)用價值。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢特點(diǎn)

（1） 我產(chǎn)品利用激光雷達(dá)對被測空間進(jìn)行掃描并獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]，使機(jī)載雷達(dá)可以突破未知環(huán)境障礙，擴(kuò)大了可探測的范圍。

（2）我產(chǎn)品平臺搭載深度相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時傳輸三維重構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的RGB格式圖像數(shù)據(jù)，這樣重構(gòu)出的三維圖片更加逼真，色彩更加明顯，細(xì)節(jié)感更強(qiáng)。更容易滿足消費(fèi)者的需要，帶來更好的應(yīng)用體驗(yàn)。

（3）完成了遠(yuǎn)程控制功能。對于機(jī)載激光雷達(dá)三維空間感知傳感器，技術(shù)人員可以在客戶端遠(yuǎn)程接收傳感器數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。不但增加了便捷程度，也避免了惡劣環(huán)境下作業(yè)可能對工程人員帶來的危險。

（4）相比于傳統(tǒng)的激光雷達(dá)三維掃描裝置，本產(chǎn)品功能齊全，集多種自主開發(fā)算法與一身，性價比高，16線激光雷達(dá)與stencil相結(jié)合便可實(shí)時完成三維空間的掃描。

（5）目前，三維點(diǎn)云重建技術(shù)鉆研大多在在靜態(tài)點(diǎn)云處理領(lǐng)域，重點(diǎn)鉆研優(yōu)化三維點(diǎn)云模型的方法，而針對點(diǎn)云進(jìn)行實(shí)時重建技術(shù)的研究相對較少。然而，在某些領(lǐng)域，如無人駕駛技術(shù)中，點(diǎn)云的實(shí)時處理尤為重要。為了使三維點(diǎn)云重建技術(shù)得到更好的應(yīng)用，所以在研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法的基礎(chǔ)上，我產(chǎn)品重點(diǎn)研究了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸、處理以及實(shí)時顯示，并據(jù)此搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。

2 基于SLAM的激光雷達(dá)三維測繪儀應(yīng)用現(xiàn)狀

在曲面重構(gòu)方面，數(shù)據(jù)處理技術(shù)已然成熟，在歐美的國家開始較早，在國內(nèi)的發(fā)展也相當(dāng)快，主要應(yīng)用于地形數(shù)據(jù)的采集，文物的保護(hù)及工程的安全檢測等方面，Leica和Lindenbergh（2005）公司對蓄水期大壩的不同時段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，能夠計算出大壩的水平位移，從而起到安全檢測的作用。2008年鳥巢奧運(yùn)圣火的燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)工程以及鳥巢的安全監(jiān)測中，三維激光掃描技術(shù)成功應(yīng)用，恰好展現(xiàn)了該技術(shù)相較其余技術(shù)的優(yōu)越性。美國軍方使用三維激光掃描系統(tǒng)，針對魚雷回收船（TWR）和三叉戟戰(zhàn)略核潛艇建立了三維模型，進(jìn)而研發(fā)了用于對相干數(shù)據(jù)處理的軟件，船舶建造范疇的自動化程度因此大大進(jìn)步。在三維激光掃描技術(shù)的混合應(yīng)用方面，將地面和機(jī)載三維激光掃描技術(shù)結(jié)合使用，己經(jīng)成功應(yīng)用于山海關(guān)長城的維護(hù)與修復(fù)工程、Nuria峽谷鐵路沿線山脈的模型重建工程、Chasmer也結(jié)合了這兩種系統(tǒng)完成了某森林的考察任務(wù)[3]。

3 市場分析

3.1 市場優(yōu)勢

本產(chǎn)品基于實(shí)用性和廣泛性，讓該機(jī)載激光雷達(dá)三維空間感知傳感器成為科技測繪領(lǐng)域的必需品。準(zhǔn)確的產(chǎn)品定位致力于要重點(diǎn)突出購買者的需求、需要及市場。我們發(fā)現(xiàn)：由于激光雷達(dá)的可實(shí)現(xiàn)功能相對較為單一，并且性價比較低，專業(yè)性較強(qiáng)，所以目前激光雷達(dá)并不適合普通消費(fèi)者群體，故我們將目標(biāo)客戶定位為某一特定應(yīng)用領(lǐng)域的群體。

本團(tuán)隊研發(fā)了可實(shí)現(xiàn)針對不同建筑結(jié)構(gòu)、不同環(huán)境的進(jìn)行三維精準(zhǔn)重構(gòu)并進(jìn)行地形地貌測繪的機(jī)載激光雷達(dá)三維空間感知傳感器，該產(chǎn)品適用于室內(nèi)和室外、建筑和監(jiān)測等多領(lǐng)域，能夠使使用者方便快捷地獲取相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)信息及地形地貌數(shù)據(jù)的誤差指標(biāo)，通過對客戶端的簡單操控即可完成對空間的掃描并自動獲取環(huán)境信息，對于操控人員的技術(shù)性水平要求并不高，多數(shù)工作者均可以靈活使用。

3.2 市場份額和銷售額

雖然基于激光雷達(dá)的三維重構(gòu)測試儀的設(shè)計早有產(chǎn)品且應(yīng)用于市場，不過應(yīng)用不多見且價格昂貴，而基于SLAM的三維測繪儀，不僅集stencil、16線激光雷達(dá)、深度相機(jī)于一體而且集成了大量自主開發(fā)算法，價格便宜，實(shí)用性強(qiáng)。但由于產(chǎn)品還處于初期階段，它主要的目標(biāo)客戶為致力于研究古建筑與文物保護(hù)的工作人員、設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)外形的工作者、建筑的所有權(quán)人、按設(shè)計圖進(jìn)行建筑的建筑師及工人等。產(chǎn)品的售價為3萬元，并且還可以出售測繪數(shù)據(jù)，定價為1000元/GB，也可以選擇租賃的方式，價格為2000元/天。基于三維測繪儀的售賣方式的多樣化，以及人們越來越重視建筑的構(gòu)造以及古建筑的修繕，此三維測繪儀將具有一定的市場份額，并能迅速實(shí)現(xiàn)銷售額的增長。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，本產(chǎn)品必然會廣泛應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域，同時，在市場中的需求量一定會不斷增加并占取相當(dāng)大的市場份額。其前景巨大值得我們?yōu)橹冻觥?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]張?zhí)K.《基于遙感紋理的黃土地貌景觀圖譜研究——以陜北黃土高原為例》[D].2017.

[2]Fredric18的博客SLAM流程之視覺前端[EB/OL].https：//blog.csdn.net/Fredric18/article/details/95.

[3]王艋.《基于地面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)研究》[D].2016.