激光SLAM 技術(shù)在地鐵監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

王曉妍 WANG Xiao-yan

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司工務(wù)分公司，上海 200070）

0 引言

目前，在地鐵安全保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)、地鐵確權(quán)項(xiàng)目測(cè)繪、地鐵搶險(xiǎn)測(cè)繪、多測(cè)合一等空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景中，測(cè)量測(cè)繪任務(wù)工作量大、工作時(shí)間緊，而且實(shí)測(cè)作業(yè)難度較高，因此使用傳統(tǒng)測(cè)量方法的時(shí)間、人力成本不易控制。此時(shí)，基于三維激光移動(dòng)掃描和慣性導(dǎo)航的即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（Simultaneous Localization and Mapping，簡(jiǎn)稱SLAM）表現(xiàn)出了獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。

1 技術(shù)背景

SLAM 技術(shù)最早由Smith H 和Cheeseman L P 于1988年提出[1]。通俗來(lái)講，是指搭載特定傳感器的主體，在不具備外部環(huán)境先驗(yàn)信息的前提下，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中建立起周圍環(huán)境的模型，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和增量地圖構(gòu)建的功能，因此在現(xiàn)代測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域中具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值[2]。技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 SALM 技術(shù)路線圖

SLAM 技術(shù)一般是由提供掃描或拍攝功能的傳感器和提供載體位置和姿態(tài)信息的慣性測(cè)量單元組成，獲取空間信息的傳感器從類型上可以分為基于相機(jī)拍攝技術(shù)的視覺(jué)SLAM 和基于激光掃描技術(shù)的激光SLAM，兩者優(yōu)勢(shì)各異，功能互補(bǔ)。不過(guò)相對(duì)而言，目前基于激光SLAM 的理論研究較為完善，能夠提供設(shè)備搭載主體與周圍環(huán)境之間更為準(zhǔn)確的距離信息，具有誤差分析模型簡(jiǎn)單可靠，實(shí)際操作時(shí)受使用環(huán)境光照條件的影響較小等優(yōu)點(diǎn)，并且配套產(chǎn)品更加成熟，點(diǎn)云拼接處理等內(nèi)業(yè)操作較為簡(jiǎn)便，因此給測(cè)量人員測(cè)繪工作帶來(lái)了便利。

其中激光SLAM 從工作方式上可以分為固定式和移動(dòng)式[3]。固定式三維激光掃描儀可用于室內(nèi)及室外環(huán)境掃描，并且測(cè)量精度較高。但應(yīng)用于復(fù)雜空間時(shí)，需要大量換站，然后進(jìn)行測(cè)站間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)后處理效率十分低下。而移動(dòng)式SLAM 掃描儀技術(shù)在封閉空間內(nèi)既不依托GPS 信號(hào)輔助定位，又能夠?qū)κ覂?nèi)及室外環(huán)境進(jìn)行連續(xù)移動(dòng)掃描，減少了數(shù)據(jù)后處理的誤差。因此，基于SLAM 的移動(dòng)式激光掃描技術(shù)在測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了作業(yè)復(fù)雜性，并且不需要大量標(biāo)記地物特征點(diǎn)，可以廣泛適用于室內(nèi)室外場(chǎng)景，對(duì)于解決現(xiàn)階段復(fù)雜封閉空間的定位及場(chǎng)景重建測(cè)繪問(wèn)題具有極高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊前景[4-6]。

2 SLAM 技術(shù)特點(diǎn)

目前的地鐵安全保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涉及到地鐵結(jié)構(gòu)與周邊施工場(chǎng)地的邊線復(fù)核測(cè)量、施工場(chǎng)地標(biāo)高測(cè)量、電纜通道等地下附屬結(jié)構(gòu)測(cè)量等，測(cè)量需求較為復(fù)雜。地鐵安全保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的常規(guī)測(cè)量方法為全站儀和RTK 相結(jié)合的方法，具體來(lái)說(shuō)，利用RTK 設(shè)備做控制，通過(guò)全站儀引導(dǎo)線測(cè)量至地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由此來(lái)得到地鐵結(jié)構(gòu)與施工場(chǎng)地之間的相對(duì)位置關(guān)系。但是由于地鐵及附屬地下結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)中樓梯較多、通視較差，結(jié)構(gòu)測(cè)量面拐角多，甚至存在許多無(wú)法架站的位置，因此會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差或缺失。使用傳統(tǒng)測(cè)量方法存在諸多不便，所以亟需一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量作業(yè)方式，并且結(jié)果精度滿足要求的新型測(cè)量方法。基于SLAM 技術(shù)的三維激光掃描儀恰好具備解決此類測(cè)量問(wèn)題的功能[7，8]。

3 SLAM 作業(yè)流程

3.1 SLAM 外業(yè)流程

其中SLAM 掃描外業(yè)[9]主要是指測(cè)量人員在布設(shè)好控制點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)掃描，實(shí)時(shí)快速地建立起包含整個(gè)空間區(qū)域的特征信息三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

在進(jìn)行SLAM 掃描作業(yè)之前，通常要對(duì)實(shí)測(cè)場(chǎng)地做到充分了解，一般需組織測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘周邊環(huán)境、空間信息，對(duì)測(cè)量重點(diǎn)和難點(diǎn)區(qū)域提出合適的掃描方案。

3.1.2 場(chǎng)地分區(qū)

在現(xiàn)場(chǎng)踏勘過(guò)程中，如果被測(cè)區(qū)域的面積較大，要綜合考慮測(cè)量設(shè)備的作業(yè)時(shí)間，對(duì)測(cè)量場(chǎng)地進(jìn)行合理分區(qū)，避免由于設(shè)備電力供應(yīng)不足導(dǎo)致的測(cè)量數(shù)據(jù)缺失。同時(shí)，各個(gè)分區(qū)間應(yīng)保持一定的重合度，降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算難度，保證最終合并的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

3.1.3 控制點(diǎn)布設(shè)

同時(shí)，為了使后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具備絕對(duì)坐標(biāo)屬性，通常要在所測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)3～5 個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的分散程度較好也能提高點(diǎn)云拼接精度，降低數(shù)據(jù)運(yùn)算的算力成本。

3.1.4 線路規(guī)劃

在掃描路徑的提前規(guī)劃上，要綜合考慮作業(yè)效率、數(shù)據(jù)完整性、重點(diǎn)掃描區(qū)域結(jié)果精度幾個(gè)因素。一般來(lái)說(shuō)，掃描路徑應(yīng)盡可能短且閉合，降低測(cè)量人員作業(yè)時(shí)間，提高效率。

3.1.5 掃描作業(yè)

當(dāng)上述步驟完成后，對(duì)掃描儀進(jìn)行初始標(biāo)定工作，等待掃描儀進(jìn)入正常工作狀態(tài)，測(cè)量人員即可按照既定路線進(jìn)行掃描作業(yè)。一般采取勻速前進(jìn)的方式，來(lái)獲取密度均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 SLAM 內(nèi)業(yè)流程

SLAM 掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要是指對(duì)包含有空間特征信息的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，拼接，賦予絕對(duì)坐標(biāo)信息，去噪抽稀等操作，一般分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

3.2.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)是指將途經(jīng)控制點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)按照先后順序依次導(dǎo)入解算軟件，使解算后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶有絕對(duì)坐標(biāo)信息。同時(shí)生成本次掃描區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度報(bào)告，初步評(píng)估本次作業(yè)的結(jié)果精度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[10]，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)中誤差在5cm 以內(nèi)時(shí)，可視為點(diǎn)云精度滿足后續(xù)處理要求[11]。

3.2.2 數(shù)據(jù)拼接

該步驟并非常規(guī)作業(yè)步驟，但如果場(chǎng)地區(qū)域過(guò)大，掃描作業(yè)分次進(jìn)行，通常需要對(duì)多段數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接工作。以本項(xiàng)目為例，由于本次測(cè)量區(qū)域范圍較大，在場(chǎng)地分區(qū)時(shí)將整個(gè)掃描區(qū)域分為三個(gè)部分。因此需要對(duì)三段點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，具體的方法是通過(guò)通用點(diǎn)云處理軟件，將三段數(shù)據(jù)的重合區(qū)域進(jìn)行套疊，通過(guò)后處理軟件消除誤差之后即可得到整個(gè)掃描區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2.3 噪點(diǎn)清除

在外業(yè)掃描過(guò)程中，由于掃描儀的射程較遠(yuǎn)，通常會(huì)有一些并非測(cè)量關(guān)注主要區(qū)域的空間點(diǎn)云的數(shù)據(jù)信息也被錄入原始數(shù)據(jù)文件中，在點(diǎn)云解算完畢后，可以通過(guò)點(diǎn)云切割等方式，可以將樹(shù)木、行人、建筑外立面等非必要信息剔除，方便后續(xù)成圖作業(yè)過(guò)程進(jìn)行。

3.2.4 數(shù)據(jù)抽稀

由于激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為密集，當(dāng)電腦性能不足或呈現(xiàn)結(jié)果形式中不需要密集點(diǎn)云時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的疏密程度，來(lái)達(dá)到理想的顯示效果，比如進(jìn)行輪廓線繪制時(shí)，稀疏的點(diǎn)云格式能夠幫助內(nèi)業(yè)人員粗略剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，從而更好地完成各類成果圖繪制。因此這一步主要是為了保證內(nèi)業(yè)處理效率。

3.2.5 切片處理

通過(guò)通用點(diǎn)云后處理軟件，利用旋轉(zhuǎn)、切分等操作從不同角度對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)做切片處理，能夠從不同視角切入整體點(diǎn)云，得到用于平面圖、立面圖、剖面圖等的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖，方便后續(xù)的繪圖工作進(jìn)行。

3.2.6 成果繪制

將掃描和處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程制圖軟件中，可以進(jìn)行整個(gè)項(xiàng)目平面圖的繪制工作，有了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的參照，制圖工作的效率將大大增加，除此之外，配合魚(yú)眼相機(jī)拍攝到的現(xiàn)場(chǎng)掃描畫(huà)面，可以輔助進(jìn)行項(xiàng)目?jī)?nèi)重要結(jié)構(gòu)的平面圖繪制工作。另外，經(jīng)過(guò)了引入絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云處理和精度分析，作圖精度可以得到充分保證。

4 測(cè)量結(jié)果分析

4.1 上海體育館SLAM 成果匯總

下面以上海體育館測(cè)繪項(xiàng)目為例，本次測(cè)量項(xiàng)目中，其中重點(diǎn)測(cè)量區(qū)域?yàn)榈罔F附屬結(jié)構(gòu)中的地鐵進(jìn)出口樓梯和地下電纜通道。由于本次測(cè)量重點(diǎn)工作區(qū)域?qū)儆诘叵聫?fù)雜結(jié)構(gòu)室內(nèi)空間，存在較多上下樓梯，因此存在通視困難的問(wèn)題；另外，地下結(jié)構(gòu)GPS 信號(hào)弱易丟失，慣導(dǎo)RTK 設(shè)備也不具備使用條件。

首先，將去噪、抽稀過(guò)的正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程制圖軟件如CAD 中，如圖2 所示。

圖2 正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD

將清除過(guò)噪點(diǎn)的正射點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD 等工程制圖軟件后，通過(guò)輪廓線繪制等常規(guī)工程圖制圖操作，即可方便快捷的完成內(nèi)業(yè)的制圖流程。相比于傳統(tǒng)方法的內(nèi)業(yè)制圖作業(yè)時(shí)間，該方法的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算和制圖能夠節(jié)約三分之二的作業(yè)時(shí)間，最終能提高3～5 倍左右的制圖效率。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行繪圖操作，能夠有效減少人為因素導(dǎo)致的制圖錯(cuò)誤，使得工程圖的制作均有物理遵循。

最后，從正射影像圖中可以提取，也可以得到矢量圖，可用于管線確定等特殊需求。

同時(shí)，在本次需要測(cè)量的重點(diǎn)區(qū)域，如電纜通道等位置，上下樓梯時(shí)全站儀所需控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)點(diǎn)較多、容易出現(xiàn)控制點(diǎn)偏差或丟失的情況、部分地鐵電纜通道的區(qū)域甚至無(wú)法架設(shè)全站儀，給本次測(cè)量作業(yè)造成了諸多困難，存在難以用傳統(tǒng)方法測(cè)量等問(wèn)題。因此，需要采用SLAM 技術(shù)完成本次測(cè)量任務(wù)。

綜合考慮本次測(cè)量環(huán)境，在本次測(cè)量中，測(cè)量人員采用手持三維激光掃描儀的方式對(duì)整個(gè)測(cè)量空間進(jìn)行掃描。點(diǎn)云切分后得到的地鐵出入口的點(diǎn)云剖面圖如圖3 所示。

圖3 地鐵出入口樓梯點(diǎn)云剖面圖

最后，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)、切分和截取，可以得到自上而下項(xiàng)目剖面圖，可以清晰的觀察到地面到地下的站廳、站臺(tái)、軌行區(qū)、上下樓梯、地鐵電纜等結(jié)構(gòu)及相對(duì)位置。并且結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)高度能夠方便地確定，地鐵各層結(jié)構(gòu)立面圖如圖4 所示。為后續(xù)的地鐵安全保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)及土方卸載施工工作提供了數(shù)據(jù)支持。

圖4 地鐵各層結(jié)構(gòu)立面圖

4.2 淮海社區(qū)某地塊SLAM 成果匯總

淮海社區(qū)某地塊外邊線復(fù)合采用現(xiàn)有測(cè)量方法GPS與同樣的移動(dòng)式SLAM 作業(yè)方法進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的掃描做對(duì)比。日常邊線復(fù)核測(cè)量使用儀器為GPS，華策X10，坐標(biāo)測(cè)量方法為RTK 平面碎部測(cè)量。根據(jù)GPS 測(cè)量指導(dǎo)書(shū)建議，需要現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人，GPS 主測(cè)工，線路協(xié)調(diào)員工3 人。SLAM 只需一名作業(yè)人員[12]，比使用GPS 節(jié)省人力。本次地塊邊線復(fù)核放樣位置因上行線地鐵結(jié)構(gòu)隧道中心線、外邊線均處于建筑物正下方，因此對(duì)上行線地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線再外放3.6m 進(jìn)行地面放樣，現(xiàn)將點(diǎn)位成果資料整理如表1 所示。

表1 上?；春Ｉ鐓^(qū)某地塊GPS 點(diǎn)位成果資料

該項(xiàng)目其余位置均處于建筑物下方無(wú)法放樣。但該項(xiàng)目的地下空間環(huán)境復(fù)雜，并且開(kāi)挖基坑靠近軌道交通1 號(hào)線運(yùn)營(yíng)區(qū)間隧道側(cè)為地下一層。從邊線復(fù)核平面圖看無(wú)法了解地下與開(kāi)挖項(xiàng)目的位置關(guān)系，影響地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警預(yù)控，GPS 掃描邊線復(fù)核平面圖。用SLAM 激光掃描技術(shù)對(duì)地下空間進(jìn)行掃描，可得到地下空間與地面環(huán)境SLAM 掃描結(jié)果，如圖5 所示。SLAM 激光掃描技術(shù)解決了地下地上一體化三維空間測(cè)繪問(wèn)題測(cè)繪成果[13]。

圖5 上?；春Ｉ鐓^(qū)某地塊地下地上環(huán)境SLAM 掃描結(jié)果

5 結(jié)論

本文以上海市地鐵安全保護(hù)區(qū)測(cè)繪項(xiàng)目為背景，綜合考慮了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件、測(cè)量規(guī)范規(guī)定及實(shí)際作業(yè)要求，在實(shí)際場(chǎng)地測(cè)繪中引進(jìn)了GeoSLAM zeb-horizon 型手持式三維激光掃描儀。根據(jù)對(duì)作業(yè)過(guò)程的總結(jié)和結(jié)果的精度分析，得到了以下主要結(jié)論：

①?gòu)?fù)雜環(huán)境測(cè)量適用性好。該項(xiàng)技術(shù)尤其適用于地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)等相關(guān)項(xiàng)目的測(cè)量工作，可以搭配深度相機(jī)、激光雷達(dá)、慣導(dǎo)裝置等完成多傳感器融合測(cè)量，可以推廣到更加復(fù)雜地下空間場(chǎng)景的測(cè)量測(cè)繪中，具有較高的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

②測(cè)量精度滿足規(guī)范要求。根據(jù)測(cè)量結(jié)果的點(diǎn)云拼接精度的分析，結(jié)合地下空間測(cè)量有關(guān)的規(guī)范規(guī)定，可以認(rèn)為本方法的測(cè)量精度可以滿足一般工程的測(cè)量要求。

③提高作業(yè)效率，節(jié)約人力成本。在相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)量作業(yè)時(shí)，可以考慮本技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以將本技術(shù)用于測(cè)繪項(xiàng)目的數(shù)字化升級(jí)、智慧城市改造的重要組成部分，節(jié)省測(cè)量人員的作業(yè)難度，推動(dòng)自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。