基于激光掃描技術(shù)的室內(nèi)空間定位*

2022-04-23 02:27:14梁曉旭

智能建筑電氣技術(shù) 2022年1期

梁曉旭，劉敏，張舉，何為，劉鵬

(建科公共設(shè)施運營管理有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快以及配套基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，建筑中存在大量能源、環(huán)境、狀態(tài)傳感器，分散于空間中的各個位置，并以各種編號規(guī)則存在于各個專用系統(tǒng)中，在BIM數(shù)字孿生過程中，上述專用系統(tǒng)以數(shù)據(jù)接口方式對接平臺，這種對接類似于一個顯示的分屏器，僅能做數(shù)據(jù)的展示或在本系統(tǒng)維度上做分析，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)在時間、空間、業(yè)務(wù)上缺少統(tǒng)一而無法進行協(xié)調(diào)分析和聯(lián)動；同時，相較于傳統(tǒng)物業(yè)的人工運維業(yè)務(wù)有極強的落地性和可操作性，數(shù)字運維僅在信息匯總和展示層級做文章，沒有落實到業(yè)務(wù)中，且運維團隊中圍繞空間位置轉(zhuǎn)達的設(shè)備名稱、工具準(zhǔn)備、人數(shù)需求、工作深度等信息，在現(xiàn)有市場上的任何系統(tǒng)與管理平臺中都沒有體現(xiàn)；此外，現(xiàn)狀運維單位受限于專業(yè)能力，較難做到通過BIM模型的更新及時跟進建筑室內(nèi)空間的變化。因此，如何加快推進公共設(shè)施的智慧化運營管理模式，實現(xiàn)設(shè)備的自動識別定位成為了現(xiàn)代運維公司亟待解決的問題之一，也是公共設(shè)施運維管理突破傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向智慧空間數(shù)字化管理的重要一環(huán)[1-3]。傳統(tǒng)采集手段多采用GPS+IMU作為組合模塊獲取三維信息[4]，然而該方法在地下或室內(nèi)等缺少GPS信號的場景中具有局限性，同時室內(nèi)空間的復(fù)雜性導(dǎo)致傳統(tǒng)作業(yè)方式受到很多局限，掃描時存在死角[5]。因此，在實際運維工作中有必要采取一些手段來獲取室內(nèi)及地下的全部三維信息，目前最有效的方式是采用移動測量系統(tǒng)進行快速掃描與定位。

移動測量系統(tǒng)一般采用LiDAR(激光雷達)、全景相機、IMU(慣性測量單元)來檢測。LiDAR具有實時性迅速、精度高、誤差相對小且恒定、不受GPS信號以及室內(nèi)光線限制等優(yōu)點，在生成地圖、建模等方面具有很高的應(yīng)用[6]；雖然能提供較高精度的結(jié)果，但其容易受到外界環(huán)境特征影響，當(dāng)特征不顯著時，采集頻率低，其精度也大大降低。相較LiDAR來說，IMU技術(shù)不受外界環(huán)境影響，能提供高頻的位置、速度等參數(shù)，但是長時間運行后其定位誤差會積累，因此，IMU只能在短時間內(nèi)提供高精度的定位結(jié)果。LiDAR和IMU結(jié)合了兩種技術(shù)的定位優(yōu)勢，相互補充，因此可在室內(nèi)和地下環(huán)境中實現(xiàn)高精度和高采樣頻率連續(xù)工作。

綜上，本文直接采用基于“LiDAR + IMU”的組合掃描定位技術(shù)來獲取室內(nèi)及地下環(huán)境的三維信息，本方法為建筑環(huán)境中的各種傳感器的空間定位提供了新思路，并在智能化運維速度、精確度以及便捷部署度上給予支持。

1 傳感器原理

1.1 QS輕型室內(nèi)測量

QS輕型室內(nèi)測量系統(tǒng)主要是采用多傳感器融合SLAM算法，以低成本傳感器完成高精度掃描，適用于室內(nèi)場景、室外中小級場景。該系統(tǒng)由兩臺激光掃描儀、RTK、IMU、全景相機等組成(室內(nèi)環(huán)境無需開啟RTK，故此處不贅述)，其中掃描儀采用VLP-16線激光雷達，測量距離100m，每秒可輸出30萬個數(shù)據(jù)點，±15°垂直視野，360°水平視場掃描；系統(tǒng)配備的Novatel 718D RTK支持千尋厘米級定位；MEMS級IMU具有較高的采樣率和運算速度，因此可以實現(xiàn)極短的時延；全景相機采集系統(tǒng)置于系統(tǒng)最上端，能夠俯拍整個畫面。表1所示為QS輕型室內(nèi)測量系統(tǒng)硬件指標(biāo)。

QS輕型室內(nèi)測量系統(tǒng)硬件指標(biāo) 表1

激光雷達工作原理類似聲吶，將激光束作為其探測信號，測量傳感器和被測物體之間的距離和角度[7]。LiDAR工作時，發(fā)射器發(fā)出激光束，激光被發(fā)射后，一部分激光被反射回來并被接收設(shè)備接收[8]，根據(jù)激光發(fā)射與接收的時間差計算傳感器與目標(biāo)物體之間的距離[9-10]；根據(jù)激光束頻率變化、方向等可確定目標(biāo)物體的方位以及速度[11-12]。

1.2 手持式傳感器采集設(shè)備

QS輕型室內(nèi)測量系統(tǒng)在使用上不便于普通運維操作人員學(xué)習(xí)，因此為了實現(xiàn)對室內(nèi)建筑中所安裝的新型傳感器的空間信息等進行智能化采集，普通運維人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)就能進行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的標(biāo)定與連接，設(shè)計采用手持式傳感器采集設(shè)備，從而為后續(xù)的各類型智能應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。手持式傳感器采集設(shè)備為新型傳感器智能監(jiān)控設(shè)備，其硬件系統(tǒng)見表2。

手持式傳感器采集設(shè)備的硬件系統(tǒng) 表2

傳統(tǒng)的室內(nèi)掃描方案大多基于單線/多線激光SLAM的技術(shù)方案，單線SLAM在非平面地形下無法使用，多線SLAM雖能適應(yīng)復(fù)雜地形，但在幾何特征少、重復(fù)度較大的場景下容易失效；在場景較單調(diào)等紋理和語義信息都不夠豐富的情況下，視覺SLAM的應(yīng)用同樣會受限。綜上，多線激光SLAM技術(shù)利用環(huán)境的幾何信息，視覺語義SLAM利用環(huán)境的紋理和語義信息，二者形成有效的信息互補，同時IMU在短時內(nèi)作為運動預(yù)測的有效補充，可有效解決瞬時快速旋轉(zhuǎn)等問題。綜上，本技術(shù)為一種混合SLAM方案，通過對IMU、激光、相機的圖像處理，綜合利用環(huán)境的幾何、紋理及語義等信息，提高在不同場景下的精度。

2 項目實施方案

在項目的實施過程中，主要分為建筑物三維實景地圖采集、三維實景地圖與BIM模型融合、新型傳感器數(shù)據(jù)采集和智能化數(shù)據(jù)后處理四部分。

(1)建筑物三維實景地圖采集

掃描前首先要檢查設(shè)備以及可能用的輔助設(shè)備的完整性，并了解采集區(qū)域的環(huán)境狀況等從而進行路線規(guī)劃和控制點的布設(shè)，本項目要求達到20cm的精度要求，用全站儀將控制點坐標(biāo)測出備用。采集時依次開啟傳感器開關(guān)、Camera，等待10s左右(聽到相機曝光兩聲)開始按規(guī)劃路線進行采集，對于不需要采集或重復(fù)的路段，點擊暫停記錄，隨后行駛至待采集路段點擊恢復(fù)記錄，這樣能夠減少數(shù)據(jù)量，但同時要注意暫停記錄和恢復(fù)記錄的位置數(shù)據(jù)可多但不能少，避免數(shù)據(jù)丟失；對于閉合路線采集結(jié)束時，閉合路線要有一小段的重復(fù)軌跡，采集完成時，停止記錄、查看數(shù)據(jù)并關(guān)機。

將獲取的原始點云數(shù)據(jù)等拷貝到服務(wù)器上，基于多傳感器融合SLAM算法進行成果點云解算，形成高精度軌跡數(shù)據(jù)；利用已測控制點和點云中同名點比對，統(tǒng)計點云精度，如果不滿足要求則進行控制點糾正；糾正后進一步點云優(yōu)化，包括去噪、去除動態(tài)物體、壓薄處理等；將全景RGB映射到優(yōu)化后的點云上，形成彩色點云；點云數(shù)據(jù)打包后，將分塊的彩色點云文件合并成LAS格式文件作為最終點云成果。

(2)三維實景地圖與BIM模型融合

在三維實景地圖中，選取一些特征明顯的標(biāo)志點作為控制點，對其進行編號，并采集其空間位置信息；在BIM模型中，根據(jù)選取的控制點信息，對應(yīng)的選取其在BIM模型中的空間位置信息，作為同名點數(shù)據(jù)；根據(jù)多組同名點數(shù)據(jù)，得到變換矩陣，將矩陣作用于源數(shù)據(jù)(實景地圖/BIM模型)，即可實現(xiàn)二者的相互變換，從而完成兩種數(shù)據(jù)在空間上的融合統(tǒng)一。