東英測(cè)繪——激光SLAM 技術(shù)在大比例尺城市地形測(cè)繪中的應(yīng)用

為探索新型測(cè)繪技術(shù)在城市基礎(chǔ)測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用，利用 SLAM 技術(shù)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大比例尺地形圖中建筑物要素的提取與繪制。第一，通過外業(yè)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算與點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換， 獲得滿足生產(chǎn)條件的城市坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù); 然后， 通過矢量提取軟件進(jìn)行建筑物輪廓的矢量提取與編輯成圖， 并通過傳統(tǒng)高精度的測(cè)繪方式對(duì) SLAM 技術(shù)掃描點(diǎn)云提取的建筑物精度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明， 利用 SLAM 技術(shù)激光掃描點(diǎn)云提取的建筑物信息， 能滿足《城市測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定的點(diǎn)位精度與間距精度要求。本文以北京市某小區(qū)為研究對(duì)象， 使用 SLAM 技術(shù)激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集， 利用內(nèi)業(yè)解算軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算與處理。通過在采集路線布設(shè)城市坐標(biāo)標(biāo)靶紙的方式將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到城市坐標(biāo)系下。重點(diǎn)探討利用 SLAM 激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)大比例尺城市建筑物測(cè)繪的方法及流程。

1 大比例尺城市建筑物測(cè)繪

1.1 技術(shù)流程

利用 SLAM 激光掃描技術(shù)進(jìn)行城市建筑物地形測(cè)繪， 主要包括數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理。由于采集數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系為以數(shù)據(jù)采集初始位置為零點(diǎn)的自定義坐標(biāo)系， 因此， 需要在數(shù)據(jù)采集路線上布設(shè)具有城市坐標(biāo)的 A4 標(biāo)靶紙，通過 A4 標(biāo)靶紙將點(diǎn)云整體匹配到地方獨(dú)立坐標(biāo)系中。然后對(duì)采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)解算、 矢量提取與繪制成圖， 最后與全站儀測(cè)量建筑物的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明， 利用 SLAM 技術(shù)采集的點(diǎn)云繪制成圖的精度滿足《城市測(cè)量規(guī)范》中的 1:500地形圖測(cè)圖要求，從而驗(yàn)證了利用 SLAM 激光掃描技術(shù)測(cè)量建筑物的可行性。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

《城市測(cè)量規(guī)范》 中關(guān)于地形測(cè)量精度的要求如表 1 所示。按照《城市測(cè)量規(guī)范》的要求， 在平地、 丘陵區(qū)域，1:500地形圖測(cè)圖規(guī)定間距中誤差不超過± 20 cm，平面點(diǎn)位中誤差不得超過 ± 25 cm。本試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槠皆瓍^(qū)域， 所以， 建筑物平面點(diǎn)位絕對(duì)精度需滿足 ±25 cm， 相對(duì)精度需滿足 ± 20 cm。

1.3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

1.3.1 GeoSlam手持式激光掃描儀

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用GeoSlam手持式激光掃描儀進(jìn)行采集，如下圖所示。GeoSlam手持式激光掃描儀提供了一種快速獲取被掃地物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法， 它無需像傳統(tǒng)掃描儀那樣設(shè)置掃描參數(shù)及后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接， 用戶在測(cè)區(qū)掃描作業(yè)時(shí)， 便可實(shí)時(shí)得到與傳統(tǒng)掃描儀需經(jīng)后處理才能得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。GeoSlam手持式激光掃描儀由 安裝在電機(jī)上的 IMU 系統(tǒng)和靠 TOF(飛行時(shí)間) 傳感器工作的掃描頭構(gòu)成， 它采用一種全新的三維實(shí)時(shí)定位與映射(SLAM) 算法， 結(jié)合二維激光掃描數(shù)據(jù)與 IMU 數(shù)據(jù)， 生成精確的三維點(diǎn)云。GeoSlam手持式激光掃描儀中的系統(tǒng)處理器可將 3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)均勻、實(shí)時(shí)地拼接在一起， 并且可以加載到GeoSLAM HUB 軟件中做進(jìn)一步處理， 同時(shí)輸出各種格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集方式

SLAM 算法可以通過先前已知的位置來確定其當(dāng)前位置， 但是這種算法的缺點(diǎn)在于如果存在其他誤差， 會(huì)導(dǎo)致測(cè)量點(diǎn)的漂移。通過走“閉合回路”，重新測(cè)量已知位置， 可以有效減少誤差的引入。激光數(shù)據(jù)采集時(shí)， 最基本的原則是必須在相同的位置開始測(cè)量和結(jié)束測(cè)量， 以確保至少有一個(gè)環(huán)路閉合。在可能的情況下， 應(yīng)盡可能地頻繁走閉合路線， 使誤差最小化， 提高點(diǎn)云的精度。測(cè)量路線最好是圓環(huán)而不是“往復(fù)”地循環(huán)， 對(duì)閉環(huán)區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)掃描，以確保從多角度掃描關(guān)鍵特征位置。

1.3.3 數(shù)據(jù)采集中注意事項(xiàng)

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中， 應(yīng)注意以下 4 點(diǎn):

1) 在光滑通道中掃描特征點(diǎn)較少， SLAM 算法沒有足夠的特征點(diǎn)來確定運(yùn)動(dòng)軌跡， 因此， 在特征點(diǎn)較少的環(huán)境中， 可使用附加特性來增強(qiáng)環(huán)境。例如，行進(jìn)路線中 的箱子或露天停車場(chǎng)的車輛， 通過將GeoSlam 指向特定的方向， 確保在移動(dòng)環(huán)境時(shí)重復(fù)掃描任何可用的有限特征。這樣做可對(duì)特征物增加更多的測(cè)量點(diǎn)， 也就增加了 SLAM 算法使用該特征的可能性， 尤其是那些特征位于較遠(yuǎn)距離( ＞10 m) 時(shí)。例如， 當(dāng)掃描具有光滑壁的通道時(shí)，唯一的特征就是通道盡頭的墻壁或門。

2) 掃描過程中避免掃描移動(dòng)對(duì)象(如經(jīng)過的行人或車輛) ， 因?yàn)?SLAM 算法能鎖定這些對(duì)象并作為靜態(tài)特征。對(duì)于彎曲環(huán)境， 可緩緩地繞彎過渡， 確保有一段時(shí)間， 掃描儀能掃描到彎曲兩側(cè)的特征， 尤其從封閉的、特征豐富的環(huán)境過渡到開放性的、特征較少環(huán)境時(shí)要特別注意， 例如離開建筑物， 如果沒有其他特征在范圍之內(nèi)， 需要轉(zhuǎn)身面對(duì)出口 和建筑物的外部。

3) GeoSlam激光掃描儀的最大掃描范圍是100m， 只有在最佳條件下才能實(shí)現(xiàn)。在大多數(shù)情況下， 有效掃描范圍是40m。在實(shí)際掃描中應(yīng)盡可能地將掃描范圍控制在40m 以下， 可確保良好的點(diǎn)密度和輔助 SLAM 算法。

4) 對(duì)于第一次數(shù)據(jù)采集中沒有采集到數(shù)據(jù)的區(qū)域， 在第二次采集線路規(guī)劃中要將此區(qū)域規(guī)劃到行進(jìn)路線的閉合環(huán)中， 避免漏測(cè)， 最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)整

體匹配到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。

1.4 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

GeoSlam三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云后期不需要人工手動(dòng)拼接， 系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)拼接，自動(dòng)生成掃描環(huán)境中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。但是， 掃描得到的原始點(diǎn)云質(zhì)量較低， 還要進(jìn)行濾波與平滑等操作才可以得到滿足生產(chǎn)條件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖 1為利用激光掃描儀外業(yè)掃描、 內(nèi)業(yè)解算后得到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.4.2 點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

首先， 通過連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行控制測(cè)量， 采用該市獨(dú)立坐標(biāo)系。在激光掃描線路上布設(shè)粘貼 A4 幅面的黑白相間的標(biāo)靶紙， 其中,標(biāo)靶紙中心位置的城市坐標(biāo)通過 COＲS(ＲTK) 測(cè)量得到。掃描儀進(jìn)行激光掃描時(shí)， 應(yīng)完整覆蓋 A4 標(biāo)靶紙。采用掃描行進(jìn)路線的 16 個(gè) A4 標(biāo)靶紙的中心位置城市坐標(biāo)， 將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體轉(zhuǎn)換到獨(dú)立坐標(biāo)系中， 轉(zhuǎn)換后的內(nèi)符合精度見表 2。

1.5 建筑物矢量提取

將點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換為通用的 LAS 數(shù)據(jù)格式， 在矢量提取與繪制軟件 EPS 中進(jìn)一步處理。通過點(diǎn)云切片的方式獲取建筑物墻面地面位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 根據(jù)建筑物的輪廓信息判斷建筑物邊界， 提取地面位置點(diǎn)的坐標(biāo)。首先確定建筑物的有效長邊， 再利用線相交功能連接相鄰長邊， 得到相應(yīng)建筑物角點(diǎn)信息。短邊的獲取， 依據(jù)有效點(diǎn)云， 根據(jù)建筑物短邊特征連接到建筑物長邊。某一建筑物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其矢量化成果如圖 2 所示。

圖片

2 精度評(píng)定

通過 COＲS 測(cè)量和全站儀測(cè)量， 結(jié)合測(cè)距儀、鋼尺對(duì)利用激光點(diǎn)云提取得到的建筑物矢量成果進(jìn)行精度驗(yàn)證。利用 COＲS 測(cè)量獲取圖根點(diǎn)， 再通過全站儀在圖根點(diǎn)上加站， 后視定向后采集建筑物角點(diǎn)坐標(biāo)。利用測(cè)距儀、 鋼尺量取建筑物的長邊與短邊邊長。本文抽樣選取利用全站儀采集的 30 個(gè)建筑物角點(diǎn)坐標(biāo)和鋼尺、 測(cè)距儀量測(cè)的 20 條建筑物邊長， 驗(yàn)證利用 SLAM 激光掃描點(diǎn)云繪制的建筑物的精度。

利用 激光掃描點(diǎn)云繪制建筑物的點(diǎn)位中 誤差為 ± 3. 8 cm， 建筑物邊長中 誤差為 ± 2.1 cm， 滿足《城市測(cè) 量規(guī)范》中規(guī)定平面中 誤差不得超過 ± 25 cm， 間距中誤差不超過 ± 20 cm 的要求， 因 此， 利用 SLAM 技術(shù)進(jìn)行城市大比例尺地形測(cè)繪的數(shù)學(xué)精度可以達(dá)到規(guī)范的要求。

3 總結(jié)

對(duì)于城市區(qū)域的大比例尺地形圖生產(chǎn)， 由于建筑物相對(duì)密集， 通視條件很差， 利用傳統(tǒng)全站儀地形測(cè)繪雖精度較高， 但是耗時(shí)耗力，外業(yè)工作量大。 利用 SLAM 技術(shù)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大比例尺地形測(cè)繪的案例并不多見， 本文通過激光掃描儀外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取基于城市坐標(biāo)系的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 并以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物矢量提取與繪制， 通過外業(yè)檢驗(yàn)點(diǎn)驗(yàn)證了成圖精度滿足《城市測(cè)量規(guī)范》 的要求。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 利用激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑物矢量數(shù)據(jù)的方式可有效節(jié)省工期， 節(jié)約成本。本試驗(yàn)建筑物若采用 傳統(tǒng)測(cè)量方式， 作業(yè)時(shí)間 大概需要1 d， 并且需要多人作業(yè)， 而利用 SLAM 技術(shù)數(shù)據(jù)采集只需要 30 min， 數(shù)據(jù)采集過程中只需 1 人， 但內(nèi)業(yè)工作量比傳統(tǒng)作業(yè)方式工作量大。總 體上， 通過SLAM 技術(shù)繪制建筑物較傳統(tǒng)測(cè)繪方式的效率提高約 50% 。

雖然通過 SLAM 技術(shù)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行城市大比例尺測(cè)圖的方式切實(shí)可行， 但是 SLAM 技術(shù)沒有傳統(tǒng)測(cè)繪方式成熟， 例如由于外業(yè)采集方式的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致內(nèi)業(yè)無法解算等。但隨著激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用， 類似 SLAM 技術(shù)的便攜式激光掃描儀將會(huì)在大比例尺地形測(cè)繪中發(fā)揮更大的作用。

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