SLAM技術(shù)在辦公用房面積測量中的應(yīng)用

孔維旺，郭 丹

（蘭州市勘察測繪研究院，甘肅 蘭州 730030）

1 S LA M技術(shù)簡介

SLAM是simultaneous localization and mapping的縮寫，譯為“實時同步定位與地圖構(gòu)建”。該技術(shù)可以理解為：測量設(shè)備在一空間內(nèi)任一位置開始移動，移動過程中通過發(fā)射激光，由周圍環(huán)境反射后回歸測量設(shè)備，從而實現(xiàn)對自身及周圍環(huán)境的定位，同時在此基礎(chǔ)上構(gòu)造增量式三維地圖框架，實現(xiàn)測量設(shè)備自主定位和導(dǎo)航的過程，SLAM技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 SLAM技術(shù)原理

GeoSLAM Horizon手持式移動三維激光掃描儀如圖2所示，是目前最輕便的SLAM掃描設(shè)備，一套設(shè)備一個背包就可以全部裝下，其測程相對較遠、點密度較高，最大的特點是無需依賴GNSS定位系統(tǒng)，且搭載平臺模式非常靈活。

圖2 GeoSLAM Horizon掃描儀

現(xiàn)階段常見的三維掃描設(shè)備基本都依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位，只能適用于室外和露天環(huán)境掃描，無法滿足在封閉無衛(wèi)星信號的環(huán)境中連續(xù)作業(yè)。架站式三維激光掃描儀可不依賴GPS輔助定位，但用于復(fù)雜空間掃描時需要大量換站，數(shù)據(jù)處理時按測站進行點云拼接，效率較低。Geo?SLAM Horizon掃描儀可在封閉空間進行移動掃描，完全不依托衛(wèi)星定位系統(tǒng)輔助定位，能夠在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)進行掃描，對工作環(huán)境有極強的適應(yīng)性，可在無光線環(huán)境下正常工作，可以實現(xiàn)24 h不間斷作業(yè)，在復(fù)雜空間、異形構(gòu)造、房屋室內(nèi)測量等工作中具有事半功倍的效果。

2 S LA M技術(shù)應(yīng)用

2.1 作業(yè)區(qū)概述

蘭州市第七中學(xué)始建于1944年，位于城關(guān)區(qū)定西路266號，2000年被市政府命名為“542”工程示范性中學(xué)，占地面積約44畝，建筑面積約10 500 m2，屬市級管理中學(xué)之一。學(xué)校建成年代久遠，建筑圖紙已無從收集，且經(jīng)過多次裝修、分割、合并等改造，內(nèi)部形狀已發(fā)生很大變化，墻體厚度測量難度很大。部分房屋內(nèi)墻裝修為不規(guī)則、不平行、不垂直的異形結(jié)構(gòu)；房屋內(nèi)靠墻多放置有檔案柜，柜頂接近房頂；地下室倉庫多放置廢棄的桌椅，視線多有阻礙，此環(huán)境下使用傳統(tǒng)的鋼尺或測距儀等工具測量時作業(yè)難度極大、效率極低，還容易出現(xiàn)量了尺寸畫不出圖形的情況。GeoSLAM Hori?zon手持式移動三維激光掃描儀，不受上述困難因素影響，能夠高效、高質(zhì)量解決此難題。

2.2 作業(yè)流程

本次辦公用房測繪項目主要工作內(nèi)容為：建筑物平面分布圖測繪、分層平面圖測繪、房屋面積計算等。其中，平面分布圖可采用已有地形圖編繪制圖，無需外業(yè)實測，本項目主要外業(yè)工作為利用三維激光掃描的方式獲取房屋內(nèi)部尺寸，進而計算房屋面積，具體作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 作業(yè)流程

2.2.1 作業(yè)準(zhǔn)備

（1）硬件設(shè)備

本項目采用的硬件設(shè)備主要有Laica GS-14型GNSS接收機、手持式測距儀、GeoSLAM Horizon手持移動掃描儀，掃描儀基本參數(shù)見表1所列。

表1 GeoSLAM Horizon掃描儀基本參數(shù)

GeoSLAM Horizon手持移動掃描儀的優(yōu)勢還有：在移動過程中，激光頭360°旋轉(zhuǎn)掃描，沿移動路徑球狀維度發(fā)射激光，實現(xiàn)實時全景掃描，達到目光所見均可測量的目標(biāo)，保證數(shù)據(jù)采集的完整性；電源為可拆卸90 WH的鋰電池，充電快速便捷，通過更換電池可實現(xiàn)24 h不間斷掃描；可搭配魚眼相機，拍攝掃描全程影像，并將點云、掃描軌跡、影像進行疊加，點擊任意軌跡位置可自動調(diào)取該點影像數(shù)據(jù)，達到現(xiàn)場重現(xiàn)效果；結(jié)構(gòu)設(shè)計小巧，可在狹小空間內(nèi)使用自如。

（2）軟件設(shè)備

本項目采用的軟件設(shè)備主要有：CloudCompare和EPS-地理信息工作站。

CloudCompare是三維點云編輯和處理軟件，其主要功能有：配準(zhǔn)、重采樣（過濾）、交互式或自動分割，以及顯示增強等。

EPS-地理信息工作站的三維測圖模塊用于點云測圖，不動產(chǎn)測量模塊可用于房屋分層平面圖的制作，通過編制腳本工具可實現(xiàn)面積計算和房屋功能標(biāo)注工作。

（3）控制點布設(shè)

控制點按圖根級別進行布設(shè)，用于點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)至測量坐標(biāo)系，并與地形圖套合，進行分層平面圖的生產(chǎn)。在校園內(nèi)操場周邊空曠位置布設(shè)4個圖根級別控制點，利用LZCORS系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，按1∶500地形圖測繪標(biāo)準(zhǔn)施測，網(wǎng)絡(luò)RTK測量技術(shù)要求見表2所列。

表2 網(wǎng)絡(luò)RTK測量技術(shù)要求

（4）掃描路線規(guī)劃

因SLAM定位精度會隨掃描時間和移動距離的增加產(chǎn)生微小衰減，故每一測段掃描路線不宜太長，通常應(yīng)控制在25 min之內(nèi)，因此開始掃描之前，依據(jù)建筑物層數(shù)、內(nèi)部布局、樓梯位置等，規(guī)劃掃描路線，最好形成閉合路線或附合路線。

2.2.2 三維掃描

因點云數(shù)據(jù)需配準(zhǔn)至測量坐標(biāo)系，首先需觀測圖根控制點。掃描儀底部安裝有基準(zhǔn)板，將基準(zhǔn)板上標(biāo)志中心對準(zhǔn)圖根點后開機，靜置10S以上，再平穩(wěn)移動至下一圖根點上同樣方式靜置10S以上，圖根點觀測完成后進入建筑物，在樓梯位置設(shè)置一標(biāo)記，安置掃描儀靜置10S以上，然后沿樓道逐個房間進行掃描，行走過程要平穩(wěn)不得有大幅度抖動。

為了提高掃描精度，在每層樓梯位置均設(shè)置了標(biāo)記點，每層掃描完成后均回到標(biāo)記點，對掃描儀重新初始化，再進行下一層的掃描，一幢建筑物掃描完成后再回到圖根點上，按開始掃描前的相同的方式進行觀測。

2.2.3 點云數(shù)據(jù)處理

該掃描儀數(shù)據(jù)下載極其便捷，掃描完成后只需連接USB存儲設(shè)備即可實現(xiàn)自助傳輸。導(dǎo)出的原始數(shù)據(jù)為“日期+掃描完成時間”命名的文件，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)處理軟件Hub里進行解算，該軟件可以查看點云3D效果，也可按2D顯示。多段采集的數(shù)據(jù)需利用相鄰段之間的公共區(qū)域進行拼接，形成完整的測區(qū)三維點云模型，并導(dǎo)入圖根控制點坐標(biāo)信息，將模型配準(zhǔn)至測量坐標(biāo)系。解算完成后可輸出通用.las格式數(shù)據(jù)。

為了方便后續(xù)點云測圖，點云數(shù)據(jù)還需進行剔除無用數(shù)據(jù)、點云二次重采樣（抽稀）等工作，采用Cloud?Compare軟件進行優(yōu)化處理，將導(dǎo)出的.las格式數(shù)據(jù)用CloudCompare軟件打開，選中要處理的點云數(shù)據(jù)，先使用Cross Section工具進行點云分割，用“包圍盒”提取所需數(shù)據(jù)，輸出為一個新的點云數(shù)據(jù)文件，點云分割步驟如圖4所示。

圖4 點云分割步驟

因原始點云數(shù)據(jù)量非常多，點云并非越多質(zhì)量越高，而是越集中可靠性越強，且數(shù)量太多會影響測圖軟件中的顯示，造成卡頓現(xiàn)象，一般需對點云數(shù)據(jù)進行抽稀等優(yōu)化處理。CloudCompare軟件的二次采樣功能下按需求設(shè)置參數(shù)即可實現(xiàn)點云抽稀，以初中部一幢5層建筑物為例，原始點云數(shù)據(jù)有2.66億個之多，經(jīng)過分割和優(yōu)化處理后只有1億個，測圖軟件中顯示非常流暢，明顯提高了測圖效率。點云二次采樣工具如圖5所示。

圖5 點云二次采樣工具

經(jīng)過以上優(yōu)化處理后的點云數(shù)據(jù)，可導(dǎo)入點云測圖軟件進行繪圖，點云優(yōu)化處理前后效果如圖6所示。

圖6 點云優(yōu)化處理前后效果

2.2.4 點云測圖

點云測圖采用清華山維EPS-地理信息工作站的三維測圖模塊進行，利用軟件自帶工具將.las格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.pcd格式后加載該數(shù)據(jù)進行測圖作業(yè)。

本項目需逐層繪制，點云模型正視為多層疊加顯示，因此需要使用“剖面與投影”功能，打開工具后將投影設(shè)置為透視，勾選啟用剖面，視點坐標(biāo)中輸入需要采集的樓層高度，前半、后半厚度之和為點云可視厚度，經(jīng)測試厚度為10 cm時測圖效果最佳。測圖過程中可通過“Ctrl+鼠標(biāo)滾輪”隨時調(diào)整視點高度，調(diào)整至點云軌跡最清晰時沿軌跡繪制房屋分層草圖如圖7所示，同一房間內(nèi)視點高度變化不宜過大。

圖7 房屋分層草圖繪制

2.2.5 房屋分層平面圖繪制

利用EPS不動產(chǎn)生產(chǎn)模塊，在地形圖基礎(chǔ)上創(chuàng)建分層平鋪圖，再將點云采集的房屋分層草圖導(dǎo)入、構(gòu)面。再利用“面積塊信息錄入”工具依次錄入房間功能、房間號、門牌名稱等信息，信息錄入如圖8所示。

圖8 信息錄入

信息錄入完成后即可輸出分層成果圖，再利用“面積計算及屬性提取”腳本計算、標(biāo)注各類面積和屬性注記，經(jīng)圖面整飾后打印為PDF格式成果圖，并輸出面積統(tǒng)計表格。“面積計算及屬性提取”腳本如圖9所示，分層平面圖如圖10所示。

圖9“面積計算及屬性提取”腳本

圖10 分層平面圖

2.3 精度檢測

本項目規(guī)定邊長測量誤差應(yīng)不大于3 cm，點云測圖完成后，利用手持測距儀隨機量取了23條邊長對點云模型進行了邊長精度檢測，見表3所列。由表3中數(shù)據(jù)可見，檢測邊長較差最小值為0 cm，最大值為3 cm，均未超限，且較差達到3 cm的只有4條邊，由此可以看出點云模型數(shù)學(xué)精度良好，成果可靠。

表3 邊長精度檢測

3 結(jié)束語

辦公用房測繪項目同批次共涉及26所學(xué)校，經(jīng)與其余使用手持測距儀施測的學(xué)校對比，使用GeoSLAM Horizon手持移動掃描儀進行測量工作效率至少提高4倍以上，尤其在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境、弧形及其他不規(guī)則異形結(jié)構(gòu)的建筑物測量上優(yōu)勢非常明顯，既節(jié)約了時間，成果精度也得到了保障。本論述通過SLAM技術(shù)在辦公用房面積測量中的應(yīng)用以及與主流測繪軟件之間流暢的銜接配合，驗證了該技術(shù)在測繪項目中的可行性，進而推斷SLAM技術(shù)在測繪領(lǐng)域的發(fā)展前景非常廣闊。