技術在管廊信息化建設中的應用

文｜本刊記者 陳桂龍

SLAM (simultaneous localization and mapping) , 即實時定位與制圖，或并發建圖與定位。 SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出。目前進行SLAM研究的機構全球超過上萬家，但真正用于測量領域，同時能將技術和轉化成產品的，全球也僅有少量的幾家。

城市地下綜合管廊三維數據采集技術中，采用基于激光掃描（LiDAR）和同步定位與制圖（SLAM）進行三維數據采集的技術研究與應用處于逐漸發展的階段。

在過去的30多年里，隨著電子元器件和光電技術的發展，三維激光掃描技術已經成功地從上世紀80年代的實驗階段和90年代的驗證階段跨入成熟的應用階段。隨著三維激光掃描儀在測繪中的應用與推廣，一些測繪中的先進技術逐漸集成到掃描儀上，使其成為繼經緯儀系統、攝影測量系統及GPS后又一重要的三維信息獲取手段。

基于實時定位與制圖（SLAM）的城市地下空間數據采集技術

近年來，移動測量技術與三維技術激光掃描技術不斷應用于城市地下管廊數據采集過程中。

北京華泰天宇科技有限公司總經理鄭勇介紹，實時定位與制圖（SLAM）的城市地下空間三維數據采集技術結合激光掃描技術與移動測量技術的優勢，形成一項全新的三維移動測量技術。該技術實現在沒有GPS和復雜慣性導航系統的環境下，僅依靠技術設備自身配置的簡單慣性測量裝置，實現城市綜合管道數據的快速、便捷、低成本的采集。

對比分析國際國內普遍使用的城市地下空間測量技術，綜合考慮數據采集的效率、成本、精度及技術可推廣型等諸多因素，經對比分析，基于實時定位與制圖（SLAM）的移動測量技術具有領先水平。

基于實時定位與制圖（SLAM）的移動測量的技術關鍵在于，在沒有GPS的支持下，解決室內高精度定位的問題。以前最常見的技術便是高精度慣性測量裝置IMU的使用，但這會使得室內移動設備的成本高居不下，同時沒有GPS的改正，慣性測量裝置IMU基于時間累計的誤差無法得到校準，導致測量越久，漂移越大。基于此，全球越來越多的學者，將用于機器人領域的實時定位與制圖（SLAM），用在移動測量上，這一技術的核心在于，測量的同時，用測量數據進行定位，即無需其他任何輔助設備，用LiDAR同時進行掃描和定位。

全景影像與激光點云同步采集與匹配的關鍵技術

鄭勇表示，近年來,三維激光掃描技術不斷發展,在數字城市、文物保護、三維重建等領域有著越來越廣泛的應用。三維激光掃描儀作為獲取三維空間數據的重要手段,能夠快速、準確、大量地獲得物體的空間幾何信息,而高分辨率數碼相機能夠得到高質量的二維紋理數據,兩者對目標的描述具有互補性。這兩者的結合可生成精確、真實的三維世界,為虛擬三維環境的構建提供了很好的數據支撐。因此,激光掃描點云與光學影像這兩種數據的融合處理在三維建模、地物識別、虛擬場景可視化等方面具有非常重要的意義。

鄭勇分析，基于實時定位與制圖（SLAM）的移動測量的技術無需初始化，開機后即可由操作員推著采集設備在測區范圍內進行掃描。最關鍵的技術是該方式得到的點云是一套完整的點云，不需要進行拼接，這樣也就避免了因點云拼接造成的精度損失。所以基于實時定位與制圖（SLAM）的移動測量技術具有掃描效率高，數據精度高的特點，特別適用于城市地下空間數據的采集工作。相比傳統的靜態數據獲取方式更節省時間和作業成本，更符合大體量城市地下綜合管廊數據精確采集的實際需求。

基于激光掃描（LiDAR）和同步定位與制圖（SLAM）技術能夠精確地采集室內外三維激光點云數據，而不依賴于GPS或使用復雜的慣導系統。使用SLAM算法，通過三維激光掃描實現地圖的建立。在儀器通過時，不間斷的采集精細的二維地圖數據，并記錄光學數據以及LiDAR的時間位置信息，然后根據光學數據建立彩色的三維點云數據，將二維平面視圖轉換為三維立體環境。且在數據采集過程中，可實時觀察采集數據的質量，并能指導數據采集人員現場采集工作，避免采集過程中出現遺漏、錯誤等情況，確保一次性完成數據采集，提高工作效率。

對外業采集到的點云依次進行預處理、拼接，然后根據點云在后處理軟件中建立三維可視化模型，最后加上地下綜合管廊中各類地物的屬性信息（如名稱、材質、規格等信息）形成三維可視化系統。

基于激光掃描（LiDAR）和同步定位與制圖（SLAM）協同使用，以達到全景影像與激光點云同步采集與匹配的目的，提高城市地下空間三維數據制作的效率和精度，并且能大幅降低數據采集與處理成本，使得技術的廣泛應用于城市地下綜合管廊測量成為可能。

河北正定——基于SLAM的城市綜合管廊三維數據采集