基于SLAM移動(dòng)測量技術(shù)的逆向建筑模型獲取

謝孔振

(1.北京市測繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

近年來,隨著北京市老城保護(hù)、歷史文化保護(hù)區(qū)房屋修繕、背街小巷整治、城市環(huán)境景觀提升的推進(jìn),尤其是不久前《首都功能核心區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃(街區(qū)層面)(2018—2035年)》的發(fā)布,在首都對(duì)于保護(hù)老城整體格局、加大文物與歷史建筑保護(hù)力度,且鼓勵(lì)開放與適度利用相結(jié)合的規(guī)劃理念指導(dǎo)下,需要對(duì)一些歷史建筑進(jìn)行保護(hù)性修繕、加固、外立面美化改造。但由于建成年代久遠(yuǎn)等歷史原因,這些建筑原設(shè)計(jì)圖紙往往早已滅失,設(shè)計(jì)單位亟須對(duì)建筑的現(xiàn)狀進(jìn)行精準(zhǔn)測繪,恢復(fù)建筑平面圖、立面圖、剖面圖、結(jié)構(gòu)圖紙,這種測繪實(shí)現(xiàn)方式稱為逆向工程(Reverse Engineering,RE)測繪。測繪目的是在所恢復(fù)的建筑平立剖面圖基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固、內(nèi)部裝修、外立面改造等設(shè)計(jì),甚至可以為設(shè)計(jì)、施工過程提供全景影像視圖、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、建筑信息建模(Building Information Modeling，BIM)模型等。傳統(tǒng)的古建筑測繪大都采用人工作業(yè)的方法,一般通過全站儀和普通鋼尺來測繪建筑物的平面、立面和剖面圖[1],這種方法獲取數(shù)據(jù)單一,對(duì)實(shí)體的反映形式簡單單調(diào),且傳統(tǒng)方法投入人員多、工作量大、作業(yè)效率低,在遇到復(fù)雜建筑物時(shí)難以滿足測繪要求[2]。因此,這種對(duì)建筑物室內(nèi)外的精細(xì)化、可視化的測繪需求給傳統(tǒng)測繪方式帶來了不小的挑戰(zhàn)。

1 三維數(shù)據(jù)采集與SLAM技術(shù)的結(jié)合

1.1 批量化三維數(shù)據(jù)采集手段

測繪地理信息行業(yè)作為當(dāng)前新興的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè),可以為大量上下游行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的空間大數(shù)據(jù)支撐。隨著光學(xué)、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展,基于激光掃描的三維技術(shù)成為當(dāng)前空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段。三維激光掃描是數(shù)字化、信息化測繪階段的代表技術(shù),不同于常規(guī)的測繪數(shù)據(jù)獲取方法,常規(guī)測量獲取到的往往是單一的、二維的信息,很難大規(guī)模獲取三維空間信息。而三維激光掃描技術(shù)以其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以快速、直觀、有效地將所在環(huán)境的三維信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化、仿真化。它克服了傳統(tǒng)測量手段效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采集速度慢的局限性,具有采樣率高、精度高、受外界影響小、非接觸測量等特點(diǎn)[3],能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描,且不受天氣影響,可以不分晝夜地完成各類測量任務(wù)[4],其信息量豐富、可視化強(qiáng)、便于使用。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息化程度及大數(shù)據(jù)需求的提高,特別是很多城市提出了數(shù)字城市、智慧城市等概念后,市場對(duì)空間三維信息的需求更加迫切。

20世紀(jì)90年代中期,以三維激光掃描為代表的激光雷達(dá)測量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,它是當(dāng)前三維空間數(shù)據(jù)采集應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的測量系統(tǒng),三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)通過非接觸式高速激光掃描測量,以陣列式點(diǎn)云的形式獲取物體表面三維空間數(shù)據(jù)的新技術(shù)[5]。隨著三維激光掃描測量系統(tǒng)在測量速度、測繪精度、抗干擾能力等各方面性能的提升,它逐漸成了測繪地理信息行業(yè)研究的熱點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,逐步成為快速獲取空間實(shí)體三維數(shù)據(jù)的重要方式之一。

1.2 SLAM在激光掃描技術(shù)中的應(yīng)用

SLAM技術(shù)無須全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)信號(hào),在封閉空間能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確定位,在地下空間與建模中應(yīng)用廣泛[6]。在運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)器人通過激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging, LiDAR)傳感器或相機(jī)測定自身的姿態(tài)、位置以及運(yùn)動(dòng)軌跡,并且可以在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行增量式的地圖構(gòu)建,從而達(dá)到實(shí)時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目的。因此，SLAM技術(shù)解決了機(jī)器人“我在哪里”(在陌生的空間環(huán)境中如何準(zhǔn)確判定自身位置)與“我周圍的環(huán)境是什么”(Mapping即地圖構(gòu)建)的問題。它可以利用機(jī)器人自身搭載的傳感器觀測到的空間數(shù)據(jù)來增量式地構(gòu)建建筑物的 3D 模型,同時(shí)利用構(gòu)建出來的環(huán)境模型來計(jì)算出機(jī)器人的位置與姿態(tài)。

近年來,地面三維激光掃描儀已較多地應(yīng)用于測繪領(lǐng)域。2007—2010年,法國Julien Travelletti 等[7]利用遠(yuǎn)距離地面式激光掃描儀連續(xù)3年對(duì)Super-Sauze滑坡體進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集,并從點(diǎn)云時(shí)間序列中提取相關(guān)有用信息;Rongjun Qin等[8]研究了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于街面變化監(jiān)測;2011年,俄羅斯測繪工作者開始對(duì)莫斯科城市標(biāo)志性建筑 Shukhov 無線電塔進(jìn)行了三維激光掃描及3D建模。所用到的這些設(shè)備均為地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng),但基于SLAM移動(dòng)測量技術(shù)的掃描系統(tǒng)應(yīng)用尚少。推車式SLAM移動(dòng)測量技術(shù)則是將SLAM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合,使用推車式移動(dòng)測量設(shè)備上搭載的LiDAR傳感器,實(shí)現(xiàn)三維空間數(shù)據(jù)的高效與全方位采集。它能夠應(yīng)用于室內(nèi)及地下沒有被GPS信號(hào)覆蓋的環(huán)境中,進(jìn)行點(diǎn)云掃描,從而實(shí)現(xiàn)三維建模。在推車式SLAM移動(dòng)測量技術(shù)克服了地形環(huán)境的限制后,被廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)空間數(shù)字化、房產(chǎn)測繪、室內(nèi)地圖、工廠改造、場館改造、街區(qū)改造、地理信息系統(tǒng)融合建筑信息建模(Geographic Information System+Building Information Modeling,GIS+BIM)、會(huì)展等領(lǐng)域。這種基于SLAM的空間三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù),同時(shí)擁有激光掃描和移動(dòng)測量兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[9],作為目前測繪界最先進(jìn)的三維空間數(shù)據(jù)采集手段之一,它的成熟應(yīng)用將會(huì)極大地減少測繪工作者的外業(yè)工作量,也代表著今后測繪地理信息行業(yè)在數(shù)據(jù)采集方面的一個(gè)應(yīng)用發(fā)展方向。

本文通過案例,對(duì)推車式SLAM移動(dòng)測量技術(shù)在建筑逆向測繪中進(jìn)行應(yīng)用嘗試,對(duì)其數(shù)據(jù)采集精度進(jìn)行分析,并提出提高數(shù)據(jù)采集及后處理精度的方法。

2 應(yīng)用案例

什剎海環(huán)湖地區(qū)景觀提升項(xiàng)目測繪項(xiàng)目為西城區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目,旨在對(duì)環(huán)什剎海歷史文化保護(hù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)性修繕。除測繪環(huán)湖周邊地形圖外,重點(diǎn)對(duì)荷花市場、什剎海會(huì)館以及小王府(圖1)等所有古建及仿古建筑進(jìn)行平面、立面、剖面測繪,為設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的建筑圖紙,并提供全景影像視圖、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),供設(shè)計(jì)使用以便于今后對(duì)建筑進(jìn)行保護(hù)改造。

圖1 項(xiàng)目范圍

2.1 使用設(shè)備介紹

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集所使用的設(shè)備是德國NavVis公司生產(chǎn)的S365推車式SLAM移動(dòng)測量系統(tǒng)(圖2),它擁有6臺(tái)1 600萬像素的相機(jī)、3臺(tái)LiDAR掃描頭,最大測距30 m,標(biāo)稱掃描精度0～30 mm。具體指標(biāo)如表1所示。

圖2 S365測量系統(tǒng)

表1 S365精度指標(biāo)

2.2 作業(yè)流程

作業(yè)流程如圖3所示。首先按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì),并于第一時(shí)間組織了現(xiàn)場踏勘,通過了解現(xiàn)場標(biāo)的詳細(xì)情況,以便確定推掃方案及錨點(diǎn)位置選設(shè)。

圖3 作業(yè)流程圖

2.3 路徑規(guī)劃

根據(jù)踏勘情況,分別對(duì)荷花市場、小王府、什剎海會(huì)館的外部及室內(nèi)進(jìn)行推掃路徑規(guī)劃,具備條件的區(qū)域盡量設(shè)置成閉環(huán)路徑,不能形成閉環(huán)路徑的,注意在局部區(qū)域設(shè)置重疊或交叉路徑。

2.4 錨點(diǎn)測設(shè)

現(xiàn)場沿規(guī)劃路徑每隔30 m左右布設(shè)錨點(diǎn),室外用鋼釘及紅色油漆標(biāo)記,室內(nèi)采用錨點(diǎn)貼紙。利用北京市連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng),采用RTK 方式配合全站儀進(jìn)行測設(shè)。

當(dāng)然,并非所有錨點(diǎn)必需測定絕對(duì)坐標(biāo),部分測定坐標(biāo)的錨點(diǎn)在后處理階段參與數(shù)據(jù)重建,可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)定位至絕對(duì)位置;沒有測定坐標(biāo)的錨點(diǎn)作用也很重要,當(dāng)SLAM移動(dòng)測量系統(tǒng)重復(fù)經(jīng)過該錨點(diǎn)時(shí),2次或多次采集到的數(shù)據(jù)將用于重算整合并用以提高點(diǎn)云精度。至于按照多大的密度測設(shè)錨點(diǎn)坐標(biāo),這需要在目標(biāo)測繪精度與布設(shè)并測量錨點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間成本之間進(jìn)行權(quán)衡。

2.4.1實(shí)時(shí)差分定位(GPS-RTK)測量

錨點(diǎn)宜選擇在掃描路線上觀測條件良好的地方,觀測時(shí)應(yīng)滿足下列要求:位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)小于6;衛(wèi)星高度截止角大于15°;有效的觀測衛(wèi)星數(shù)不少于5顆;實(shí)時(shí)差分定位(Global Positioning System-Real Time Kinematic,GPS-RTK)測量,應(yīng)進(jìn)行不少于2個(gè)測回獨(dú)立觀測;記錄的觀測數(shù)據(jù)應(yīng)是GPS-RTK觀測值的固定解,固定解應(yīng)是穩(wěn)定收斂至毫米級(jí)精度后開始定位觀測、記錄并存儲(chǔ);測回間的平面坐標(biāo)分量較差不應(yīng)超過2 cm,應(yīng)取各測回結(jié)果的平均值作為最終觀測成果。

2.4.2導(dǎo)線測量

根據(jù)現(xiàn)場的情況,對(duì)于不利于開展GPS-RTK測量的地方,在場區(qū)內(nèi)采用三級(jí)導(dǎo)線測量方法測定錨點(diǎn)坐標(biāo),觀測時(shí),宜采用2″級(jí)的儀器一測回測定水平角。三級(jí)導(dǎo)線測量的主要技術(shù)要求如表2所示。

表2 三級(jí)導(dǎo)線或?qū)Ь€網(wǎng)的技術(shù)要求

導(dǎo)線測量時(shí)應(yīng)滿足如下要求:導(dǎo)線宜布設(shè)成直伸等邊形狀。導(dǎo)線網(wǎng)中結(jié)點(diǎn)與高級(jí)點(diǎn)間或結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)間的導(dǎo)線長度不應(yīng)大于附合導(dǎo)線規(guī)定長度的0.7倍。

附合導(dǎo)線長度短于上表規(guī)定長度的1/3時(shí),導(dǎo)線全長的絕對(duì)閉合差不應(yīng)大于130 mm。

2.5 數(shù)據(jù)采集及需要注意的問題

按照預(yù)先規(guī)劃的路徑對(duì)荷花市場、小王府、什剎海會(huì)館分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,室內(nèi)空間掃描時(shí)注意與室外路徑的錨點(diǎn)相結(jié)合,對(duì)于大型(較長)數(shù)據(jù)集采集時(shí)段,注意定期重新掃描已經(jīng)掃描過的區(qū)域,這樣可以減少漂移誤差并創(chuàng)建更準(zhǔn)確的掃描數(shù)據(jù)。其原理是當(dāng)移動(dòng)推車掃描系統(tǒng)經(jīng)過其先前的路徑時(shí),該軟件將會(huì)自動(dòng)“識(shí)別”先前采集到的地圖環(huán)境,并調(diào)整采集數(shù)據(jù),減少推車掃描系統(tǒng)自首次通過該區(qū)域以來發(fā)生的漂移誤差。

推掃過程中,相機(jī)每隔一段時(shí)間在即將觸發(fā)拍照前會(huì)發(fā)出提示音,這時(shí)需要將推車式SLAM移動(dòng)測量系統(tǒng)暫時(shí)停止推進(jìn),使得采集到的照片保持較高的清晰度,便于后期生成高質(zhì)量的全景影像視圖。

經(jīng)過錨點(diǎn)時(shí),按動(dòng)錨定位按鈕,儀器發(fā)出十字紅外線,移動(dòng)掃描設(shè)備,使得十字紅外線對(duì)準(zhǔn)錨點(diǎn),按動(dòng)設(shè)置錨點(diǎn)按鈕,輸入錨點(diǎn)編號(hào),點(diǎn)擊確認(rèn),這樣則形成錨點(diǎn)文件,用于后期數(shù)據(jù)處理。

每個(gè)掃描時(shí)段結(jié)束即形成一個(gè)數(shù)據(jù)集(Dataset),需要注意的是,為了每個(gè)數(shù)據(jù)集的拼接精度,相鄰數(shù)據(jù)集之間至少要共用2個(gè)錨點(diǎn)。

掃描完成后,通過掃描設(shè)備的IndoorViewer軟件可以查看數(shù)據(jù)集中的圖像信息及掃描質(zhì)量。

2.6 數(shù)據(jù)處理

2.6.1數(shù)據(jù)導(dǎo)出

將設(shè)備的ssd磁盤驅(qū)動(dòng)器或?qū)⒃O(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到計(jì)算機(jī),即可導(dǎo)出掃描數(shù)據(jù)。

2.6.2數(shù)據(jù)處理

利用SiteMaker軟件將所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云、地圖、全景影像。因?yàn)閽呙柙O(shè)備在數(shù)據(jù)采集階段采樣率為5 mm,數(shù)據(jù)量很大,巨大的數(shù)據(jù)量在處理時(shí)需要大量的時(shí)間成本。因此,需要統(tǒng)籌考慮項(xiàng)目所需精度及數(shù)據(jù)量,對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽隙處理。本項(xiàng)目設(shè)置10 mm的分辨率,是考慮到較快處理速度與高點(diǎn)云分辨率。

處理點(diǎn)云時(shí)有三種模式:銳利邊緣(Sharp_Edges)模式、平衡(Balanced)模式、平滑表面(Smooth Surfaces)模式。因本項(xiàng)目需要提取建筑平立剖面圖,為保證邊緣清晰,所以選擇Sharp_Edges模式,使得處理后的點(diǎn)云有比較清晰的邊緣,便于后續(xù)平立剖面圖繪制。

選擇使用SLAM錨文件,處理過程中,軟件通過算法對(duì)點(diǎn)云著色、全景拼接,并使用錨文件坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)重建。

值得注意的是,數(shù)據(jù)采集過程中,有可能因操作員身高對(duì)部分目標(biāo)對(duì)象產(chǎn)生遮擋,那么在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行消除操作員遮蔽操作。反之,如果確定操作員沒有產(chǎn)生任何遮蔽,則可以取消“使用操作員遮罩”設(shè)置。

動(dòng)態(tài)對(duì)象濾除功能:掃描過程中,附近經(jīng)過的人或其他物體也會(huì)在采集到的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生偽像,通過動(dòng)態(tài)對(duì)象濾除可以消除這些偽像,以便獲得更加清晰的點(diǎn)云。濾除前后對(duì)比圖見圖4。

圖4 動(dòng)態(tài)對(duì)象濾除對(duì)比圖

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)處理后,生成了2D平面圖、質(zhì)量圖、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景影像等,供后續(xù)使用。

2.6.3繪制平立剖面圖

利用所生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)景影像,很容易判斷建筑物輪廓,在CAD軟件環(huán)境下即可以繪制任意需要的平面圖、立面圖、剖面圖及細(xì)部結(jié)構(gòu)圖(圖5)。

圖5 點(diǎn)云(a)及圖件(b)

2.6.4精度分析

在繪制完成的建筑平面圖中,任意選取8條邊長進(jìn)行誤差分析(表2),量取邊長di,通過全站儀雙極坐標(biāo)法串測所選取邊長的房角坐標(biāo),量取邊長Di,

表2 誤差分析表 單位:m

邊長真誤差⊿i=di-Di

3 提高數(shù)據(jù)獲取精度方法分析

3.1 保持正確的推行姿態(tài)

數(shù)據(jù)采集時(shí),使得SLAM移動(dòng)測量系統(tǒng)運(yùn)行姿態(tài)平穩(wěn),在轉(zhuǎn)彎時(shí)應(yīng)緩慢,不能猛拐。當(dāng)相機(jī)拍照提示音響起時(shí),應(yīng)使SLAM移動(dòng)測量系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)。這樣,可以獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)。

3.2 需要適當(dāng)?shù)墓饬炼?/h3>

雖然激光雷達(dá)對(duì)光照度沒有要求,但是為了后期處理時(shí)生成的全景影像的清晰度,仍然要求在數(shù)據(jù)采集時(shí)有適當(dāng)?shù)墓庹斩?以保證六臺(tái)相機(jī)能獲得清晰的照片。

3.3 規(guī)劃閉環(huán)路線使得數(shù)據(jù)自我糾正

當(dāng)移動(dòng)掃描系統(tǒng)經(jīng)過其先前的路徑時(shí),系統(tǒng)將“識(shí)別”已掃描過的地圖環(huán)境,它將對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正,以減少漂移誤差。因此,推掃過程中的路線規(guī)劃應(yīng)該盡可能選擇閉環(huán)路線。

3.4 利用錨點(diǎn)提高相對(duì)精度及絕對(duì)精度

另一個(gè)提高地圖準(zhǔn)確性的有效方法是SLAM錨點(diǎn)的利用。通過錨點(diǎn)坐標(biāo)文件參與結(jié)算,在后處理時(shí)可以對(duì)漂移的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正,以便提高掃描對(duì)象的絕對(duì)精度。

方法是每25 m左右、在路線拐點(diǎn)、室內(nèi)通道盡頭盡量均勻布設(shè)錨點(diǎn)。

4 結(jié)束語

推車式三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SLAM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)的融合,利用它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的連續(xù)性、批量式點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)景影像獲取,為逆向工程設(shè)計(jì)所需要的各種、各部位平立剖面、結(jié)構(gòu)圖、實(shí)景影像、三維模型的實(shí)現(xiàn)提供了解決方案。本文結(jié)合具體案例對(duì)這種數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了闡述,分析了提高數(shù)據(jù)精度的方法,并與傳統(tǒng)測量模式結(jié)果進(jìn)行比對(duì)及精度分析,證明這種基于SLAM移動(dòng)測量技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方式是逆向建筑模型獲取的可靠手段,將其應(yīng)用于復(fù)雜、不規(guī)則的古建筑中具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)[10]。然而,相對(duì)于地面型三維激光掃描系統(tǒng)而言,推車式三維激光掃描系統(tǒng)也有一定的局限性,其掃描距離較短,對(duì)于高層建筑立面測繪難以實(shí)現(xiàn),為了保證精度需要提前布設(shè)較多的錨點(diǎn)。但是瑕不掩瑜,相信隨著激光掃描頭性能的提升以及后處理軟件功能的不斷完善,其必將具有廣闊的應(yīng)用前景[11]。