基于SLAM的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在室內(nèi)空間數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用研究

劉剛

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.001

摘 要：該文初步討論了室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)IMS3D的特點(diǎn)，對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，分析了測(cè)試數(shù)據(jù)的精度，總結(jié)了外業(yè)和內(nèi)業(yè)處理的方法與流程，并提出了該系統(tǒng)的質(zhì)量控制與檢核的初步方案。

關(guān)鍵詞：SLAM 移動(dòng)測(cè)量 精度 室內(nèi)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（a）-0001-03

地下空間在改善城市環(huán)境、擴(kuò)大城市容量方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力，如何采用最新的設(shè)備和技術(shù)高效準(zhǔn)確的采集地下空間數(shù)據(jù)，為地下空間后續(xù)開(kāi)發(fā)利用和管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。隨著B(niǎo)IM的研究和應(yīng)用，室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量的需求大幅增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法無(wú)法滿足新興的需求，因此出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)掃描系統(tǒng)的解決方案。該文介紹了利用華泰天宇基于SLAM的室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)IMS3D進(jìn)行泛室內(nèi)空間數(shù)據(jù)采集的情況，通過(guò)大尺度場(chǎng)景試生產(chǎn)，分析其數(shù)據(jù)采集的精度，研究其數(shù)據(jù)采集的作業(yè)流程及質(zhì)量控制，總結(jié)了該系統(tǒng)用于生產(chǎn)的初步方案。該文的研究?jī)?nèi)容對(duì)解決當(dāng)前室內(nèi)空間數(shù)據(jù)采集效率低的瓶頸，開(kāi)拓新的測(cè)繪市場(chǎng)和業(yè)務(wù)具有重要意義。

1 SLAM概述

近年來(lái)，實(shí)時(shí)定位和建圖SLAM系統(tǒng)（Simultaneous Localization And Mapping）在人工智能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著谷歌的Mango、微軟的Hololens，以及MagicLeap等現(xiàn)象級(jí)產(chǎn)品以及開(kāi)源算法庫(kù)的推出，SLAM技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，掀起了一陣熱潮。SLAM源自于計(jì)算機(jī)視覺(jué)CV（Computer View），最早由Hugh Durrant-Whyte和John J.Leonard提出。

定位和構(gòu)圖是人工智能的核心問(wèn)題之一，SLAM問(wèn)題可以表述為：機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航。

在測(cè)繪領(lǐng)域中，一般先通過(guò)GNSS方法獲得精確的位置即定位，然后根據(jù)定位準(zhǔn)確的采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)即建圖；也可以利用周圍環(huán)境中的已知數(shù)據(jù)后方交會(huì)獲得位置數(shù)據(jù)，無(wú)論是哪種情況，要么是需要精確的位置；要么是需要精確的地圖。SLAM目標(biāo)就在于在誤差最小化的約束條件下，同時(shí)（實(shí)時(shí)）定位并建圖，使用多傳感器集成的SLAM系統(tǒng)解決因室內(nèi)GNSS信號(hào)衰弱無(wú)法準(zhǔn)確定位問(wèn)題。

2 i-MMS系統(tǒng)介紹

i-MMS系統(tǒng)是法國(guó)Viametris（國(guó)內(nèi)由華泰天宇做應(yīng)用推廣）推出的室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，IMS3D為該公司推出的三維掃描產(chǎn)品，這款系統(tǒng)的掃描端是由1個(gè)橫置和2個(gè)豎置的Hokuyo激光雷達(dá)組成，橫置激光雷達(dá)掃描平面數(shù)據(jù)，左邊豎置的掃描上方數(shù)據(jù)，右邊豎置的掃描下方數(shù)據(jù)，它們的掃描視角為270°，全景相機(jī)使用LayBug三組鏡頭。IMS3D添加了IMU，可以提高匹配效率，解決高差或是臺(tái)階問(wèn)題，該SLAM系統(tǒng)小型化，整機(jī)質(zhì)量下降，使用便捷。

3 數(shù)據(jù)試生產(chǎn)及分析

3.1 試生產(chǎn)基本情況

某民防工程的地下空間位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)江月路（近浦申路），地下共有兩層，地下一層為停車庫(kù)，建筑面積約30 000 m2，地下二層為停車庫(kù)與民防工程相結(jié)合，建筑面積約35 000 m2，整個(gè)車庫(kù)南北長(zhǎng)約160 m，東西長(zhǎng)約180 m，如圖1所示。

利用IMS3D系統(tǒng)對(duì)該項(xiàng)目地下二層進(jìn)行掃描，同時(shí)通過(guò)全站儀自由設(shè)站方法采集一定數(shù)量的散點(diǎn)（143點(diǎn)），作為質(zhì)量檢核及控制；另外使用鋼尺采集了大量的邊長(zhǎng)尺寸作為檢核數(shù)據(jù)。

IMS3D系統(tǒng)掃描的二維點(diǎn)云圖如圖2所示，簡(jiǎn)單的看幾乎所有的基本輪廓都很好的掃描出來(lái)，數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)還需要進(jìn)一步分析；為了制作矢量圖需要對(duì)圖2進(jìn)行進(jìn)一步的人工跟蹤，得到點(diǎn)云跟蹤數(shù)據(jù)，它可以作為該項(xiàng)目的基礎(chǔ)作業(yè)圖紙，所有的編輯作業(yè)、精度對(duì)比等工作都可以圍繞點(diǎn)云跟蹤數(shù)據(jù)展開(kāi)；圖3將平面數(shù)據(jù)疊加至點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，簡(jiǎn)單直觀的比較平面圖和二維點(diǎn)云圖。由圖3可知，點(diǎn)云和平面圖基本一致，但是在局部區(qū)域仍然存在區(qū)別，這是因?yàn)槠矫鎴D設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不吻合的緣故。

使用全站儀和鋼尺采集了現(xiàn)場(chǎng)一定數(shù)量的點(diǎn)以及邊長(zhǎng)，這些點(diǎn)主要用來(lái)核對(duì)邊長(zhǎng)以及點(diǎn)位精度。這些點(diǎn)位按照一定的原則進(jìn)行選取，諸如點(diǎn)位均勻分布在整個(gè)輪廓內(nèi)、用來(lái)檢核的邊長(zhǎng)既有長(zhǎng)邊也有短邊，此外為了控制誤差，盡量控制全站儀的設(shè)站數(shù)量，并且使用鋼尺量測(cè)了相應(yīng)的邊長(zhǎng)。

3.2 試生產(chǎn)效率分析

IMS3D方法和傳統(tǒng)方法效率比對(duì)如表1所示。使用IMS3D系統(tǒng)相對(duì)效率更高，尤其是外業(yè)采集數(shù)據(jù)速度快，對(duì)于大尺度環(huán)境，點(diǎn)云解算時(shí)間和跟蹤矢量化時(shí)間較長(zhǎng)。盡管如此，IMS3D系統(tǒng)的效率明顯更高。

3.3 試生產(chǎn)精度分析

點(diǎn)位精度的檢核首先需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全站儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)框架之下，首先在全站儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和點(diǎn)云跟蹤數(shù)據(jù)中合理選取相對(duì)應(yīng)的一條長(zhǎng)邊，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移將兩份數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一框架下。該方法的前提是假設(shè)全站儀采集數(shù)據(jù)方法不會(huì)引入較大誤差，在試生產(chǎn)中盡管通過(guò)簡(jiǎn)單的限制設(shè)站數(shù)來(lái)減小誤差傳播，但是由于地下空間的條件限制以及儀器的對(duì)中整平等都會(huì)影響該假設(shè)的成立。另外無(wú)論是將兩組數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一框架下還是點(diǎn)云跟蹤都會(huì)引入較大的系統(tǒng)性偏差，因此關(guān)于點(diǎn)位精度的對(duì)比僅僅作為參考。

3.3.1 坐標(biāo)比對(duì)

此次共統(tǒng)計(jì)了84個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)，坐標(biāo)差最大值為12.9 cm，平均值為5.47 cm。點(diǎn)位較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。點(diǎn)位較差主要來(lái)源于點(diǎn)云跟蹤矢量化誤差，IMS3D采集數(shù)據(jù)誤差、全站儀采集數(shù)據(jù)誤差以及將數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一框架下引入的偏差。點(diǎn)云的切片寬度約為3 cm，因此理論上點(diǎn)云跟蹤引入的誤差大約為4.2 cm。單以該次試生產(chǎn)數(shù)據(jù)為參考，點(diǎn)位偏差的樣本均方差大概為6 cm左右，而偏差超過(guò)10 cm的點(diǎn)位很難確認(rèn)是由于那種誤差來(lái)源引起，需要進(jìn)一步分析。endprint