基于SLAM技術(shù)的手持移動掃描儀在土石方測量中的應(yīng)用研究

王智，吳超，王文娟，夏春初，孫曉麗

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266555；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032； 4.青島市海陸地理信息集成及應(yīng)用重點實驗室，山東 青島 266032)

1 概 述

三維激光掃描儀根據(jù)其工作狀態(tài)分為架站式掃描儀和移動式掃描儀兩大類[1]，架站式掃描儀利用控制點、標靶或特征點將各個測站的三維點云拼接成一個整體[2]，而移動式掃描儀則主要根據(jù)SLAM技術(shù)、慣導(dǎo)、搭載的GNSS接收機等手段進行點云的連續(xù)匹配[3]。根據(jù)工作時載體的不同，移動式掃描儀又分為機載移動掃描儀、移動背包掃描、軌道移動掃描儀和手持式移動掃描儀等幾種類型[4]，其中手持式移動掃描儀是近幾年發(fā)展起來的一種新型便攜式移動掃描儀，與其他類型掃描儀相比，其體積更小、更便攜，通過作業(yè)人員手持的方式即可獲取到行走作業(yè)空間場景的三維點云[5]，即走到即可測到，現(xiàn)場作業(yè)更加靈活，獲取的三維點云也更為均勻，可廣泛應(yīng)用于測繪領(lǐng)域。

土石方測量是工程建設(shè)前期的一個重要工作，其測量結(jié)果準確性直接影響相關(guān)方的經(jīng)濟利益，目前土石方測量主要采用GNSS接收機或者全站儀進行現(xiàn)場點位采集，內(nèi)業(yè)根據(jù)離散點的空間信息繪制土方量格網(wǎng)并計算體積，由于現(xiàn)場采集點位數(shù)量有限，其結(jié)果難以精確反映土方量的真實情況[6]。三維激光掃描儀的應(yīng)用可有效地解決傳統(tǒng)測量手段的弊端，其在短時間內(nèi)即可獲得現(xiàn)場空間海量三維點云，基于點云可建立地形Mesh網(wǎng)格，從而得到精確的土方量[7]。本文探討手持式移動掃描儀在土石方測量中的應(yīng)用，為手持式掃描儀在其他測繪領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益的參考經(jīng)驗。

2 基于SLAM技術(shù)的三維點云數(shù)據(jù)采集

2.1 SLAM技術(shù)

SLAM是simultaneous localization and mapping的縮寫，意為即時定位與地圖構(gòu)建[8]。如圖1所示，手持掃描儀在工作初始時，采集周圍空間三維點云，并識別、提取特征物，即圖1(a)中橢圓所示物體，當手持掃描儀沿著某個空間軌跡往前運動時，SLAM算法會自動地連續(xù)提取特征物，并將提取的特征物與之前提取的特征物進行比較，若兩次提取的特征物在空間相互位置關(guān)系高度相似，儀器則將兩次獲取的空間場景通過相同的特征物進行匹配，如圖1(b)所示。隨著手持掃描儀不斷往前移動，SLAM算法持續(xù)不間斷地進行特征物識別、提取、匹配，從而完成空間的連續(xù)拼接[9]，即圖1(c)所示。

圖1 基于SLAM技術(shù)的點云匹配示意圖

為了控制誤差累積并達到最優(yōu)化的效果，采用手持移動掃描儀行走時軌跡應(yīng)閉合，并盡量使路徑有交叉重疊區(qū)域[10]。若行走路徑空間沒有明顯的特征物，如在裝修相同的寫字樓的走廊連續(xù)行走、穿梭，則SLAM算法在該類場景中難以識別特征物，點云拼接效果差，甚至造成拼接錯誤[11]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

采用手持掃描儀對某工地進行土石方測量，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，測量之前對現(xiàn)場進行仔細探勘，現(xiàn)場近一半?yún)^(qū)域是平地，另一半是高低起伏的土坡，土坡上長滿了雜草，踏勘后選定行走路線。在平地上對設(shè)備開機、進行初始化，獲取初始三維點云，初始化結(jié)束后沿著選定的行走路線前進，行走過程中做到現(xiàn)場全覆蓋，為控制誤差累積，行走路線實現(xiàn)多次重復(fù)交叉，并控制作業(yè)時間，測量區(qū)域數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，回到初始化位置，結(jié)束測量并關(guān)機。

手持掃描儀主要技術(shù)參數(shù) 表1

由于手持掃描儀獲取的三維點云坐標系為相對坐標系，為便于后續(xù)處理分析、需要將其轉(zhuǎn)換到城市絕對坐標系下，現(xiàn)場作業(yè)時，采用GNSS接收機同步利用CORS同步采集現(xiàn)場若干個點位的空間坐標，并采用手持掃描儀對GNSS測量時的狀態(tài)進行重點掃描，手持掃描儀獲取的三維點云如圖2中(a)所示，GNSS測量狀態(tài)時的三維點云如圖2中(b)所示。

圖2 手持掃描儀獲取的三維點云效果圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 特征點提取及坐標轉(zhuǎn)換

在對原始三維點云進行土石方量計算之前，需要對點云做預(yù)處理，主要包括點云格式轉(zhuǎn)換、噪音去除以及坐標轉(zhuǎn)換等操作。坐標轉(zhuǎn)換是通過現(xiàn)場采用GNSS控制點來進行實現(xiàn)，因此，首先需要從三維點云中提取GNSS控制點，即提取GNSS接收機對中桿底部與地面相交的空間點位，由于受手持式三維激光掃描儀精度限制及其不規(guī)則的運動狀態(tài)，GNSS接收機對中桿的點云為空間離散狀態(tài)，底部特征點難以捕捉，如圖2中(b)所示。

為較為精確地提取出GNSS控制點，采用先擬合、后提取的方式，首先分離出對中桿下半部分的三維點云，擬合圓柱，如圖3所示，由于GNSS測量時對中桿為垂直狀態(tài)，因此將擬合圓柱中軸線法向量進行固定，再調(diào)整圓柱的空間位置和半徑，使其與點云最為貼合。圓柱確定后，提取圓柱底部圓心點，該點即為GNSS控制點。采用同樣的方法將現(xiàn)場GNSS控制點逐個提取出來。

圖3 GNSS控制點擬合、提取示意圖

提取特征點后，采用爾沙七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型將三維點云從相對坐標轉(zhuǎn)換為城市絕對坐標系下，轉(zhuǎn)換公式如下[12]：

(1)

上式中，(X，Y，Z)是轉(zhuǎn)換前三維坐標，(XS，YS，ZS)是轉(zhuǎn)換后三維坐標，(TX，TY，TZ)是三個平移參數(shù)，D是比例參數(shù)，(RX，RY，RZ)是3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

3.2 Mesh網(wǎng)格構(gòu)建及土方量計算

點云經(jīng)過裁切、去噪、坐標轉(zhuǎn)換等預(yù)處理后，即可得到城市絕對坐標系下工程所需區(qū)域的三維點云，由于現(xiàn)場土坡區(qū)域密布雜草，需要首先將雜草剔除，提取地表模型，根據(jù)提取的地面三維點云建立Mesh網(wǎng)格，并依據(jù)現(xiàn)場情況對Mesh網(wǎng)格進行優(yōu)化，根據(jù)工程土石方量計算需求，建立參考平面，最后利用Mesh網(wǎng)格和參考平面計算土方量，計算流程如圖4所示。

圖4 土石方計算流程圖

目前，對于三維點云自動提取地表有多種算法，如延伸頂點連續(xù)識別算法[13]，該算法首先將三維點云進行網(wǎng)格化細分，并提取每個網(wǎng)格的高程信息，基于地表高程平滑一致性對每個網(wǎng)格高程信息進行判別，如符合平滑一致性的準則，則提取該網(wǎng)格，否則剔除，從而完成所有網(wǎng)格的識別、取舍。再如基于法向量球的識別算法，該算法首先構(gòu)建三維點云在空間的鄰域關(guān)系，計算其法向量和協(xié)方差矩陣，再根據(jù)鄰域形狀的拓撲關(guān)系對三維點云進行分類，提取地面點云。本文利用3D Reshaper軟件自動提取地表并生成Mesh網(wǎng)格模型，效果如圖5所示。

圖5 地表Mesh模型

由于現(xiàn)場作業(yè)受某些障礙物遮擋，導(dǎo)致三維點云不連續(xù)，從而在構(gòu)建的Mesh網(wǎng)格中出現(xiàn)明顯的凹凸部位，如圖6左圖中圓圈部分所示，若不進行處理，則后續(xù)計算的土石方量與實際情況不符，優(yōu)化方法主要是對凹凸部分進行平滑處理，Mesh網(wǎng)格平滑算法主要有拉普拉斯平滑算法和基于曲率的平滑算法，拉普拉斯平滑算法的基本原理是將點云中每個頂點都移動到相鄰頂點的平均位置，從而實現(xiàn)點云在空間形態(tài)的連續(xù)過渡，基于曲率的平滑算法主要原理是沿著點云中頂點的法向量所在直線去移動頂點，以減小空間形態(tài)的突然變化，與拉普拉斯平滑算法相比，基于曲率的平滑算法能夠更好地維持Mesh模型的原狀。經(jīng)平滑優(yōu)化后，點云如圖6中右圖所示。

圖6 Mesh模型優(yōu)化前后對比示意圖

Mesh網(wǎng)格經(jīng)優(yōu)化后，根據(jù)工程土方量計算要求，建立參考平面，如圖7所示，即挖方和填方的空間分界面，然后即可在點云處理軟件里計算位于參考平面以上的Mesh網(wǎng)格體積，即挖方量，以及位于參考平面以下的Mesh網(wǎng)格體積，即填方量。

圖7 建立參考平面示意圖

3.3 精度分析

在相同的測區(qū)采用架站式掃描儀進行土石方測試作業(yè)，以與手持掃描儀結(jié)果進行對比分析，在架站式掃描儀獲取的三維點云和手持掃描儀獲取的三維點云中對測區(qū)外圍邊線主要角點的尺寸進行對比，結(jié)果如表2所示：

與架站式掃描儀獲取的點云空間尺寸對比 表2

從表2可以看出，架站式掃描儀獲取的三維點云和手持掃描儀獲取的三維點云中同名空間尺寸的差值在 2 cm～7 cm，且該差值與尺寸并沒有明顯的線性關(guān)系，其主要由現(xiàn)場環(huán)境、行走路徑及SLAM算法等因素有關(guān)，該差值直接影響了土石方計算的差異。另外，計算土方量所采用的參考面與現(xiàn)場地表的豎向差值也是影響土石方量計算精度的重要因素。

4 結(jié) 語

手持式移動掃描儀基于SLAM原理進行空間定位及點云拼接，與其他類型掃描儀相比，具有更加靈活的作業(yè)方式，作業(yè)過程中采用不同的行進路線對點云自動拼接有著不同的影響效果，豐富、易識別的空間特征信息以及閉合、重復(fù)繞行等行進軌跡會更優(yōu)的點云解算結(jié)果。將其應(yīng)用于土石方等測繪工作，極大地提高了工作效率，作業(yè)過程中若需絕對定位，在采用傳統(tǒng)手段測量現(xiàn)場控制點的同時，應(yīng)使用手持掃描儀對控制點測量狀態(tài)進行重點掃描，以便于后續(xù)處理。

由于手持掃描儀的工作狀態(tài)特點，其精度相對于架站式掃描儀要明顯低，點云在空間的離散狀態(tài)分布明顯，對于空間特征點、線、面的提取，應(yīng)采用擬合的方式提取以提高精度，也正由于其精度所限，手持式掃描儀不適合應(yīng)用于高精度的測繪場景或建模。