室内移动测量技术在竣工测量中的应用研究

黄承亮

(重庆市勘测院，重庆 401121)

室内移动测量技术在竣工测量中的应用研究

黄承亮*

(重庆市勘测院，重庆 401121)

介绍了基于SLAM算法室内移动测量技术，并以解放碑地下环道竣工测量为例，对数据处理效率、质量进行分析和统计，讨论了室内移动测量技术在工程应用中的可行性、采集方法和数据处理方法，并将该技术与传统测绘方法在作业效率和测量精度方面进行对比，得到定量的对比结果，具有典型的代表意义和社会经济价值。

室内移动测量；SLAM；点云

1 引 言

随着人们对三维场景测量和精细展示的需求越来越大，室内三维数据的高效采集，迅速发展成为测绘领域的研究热点。三维激光扫描技术是近些年发展起来一种新型测量技术，能快速、精确地获取物体的表面三维坐标。目前地面三维激光扫描技术的发展逐渐从固定式到移动式，从室外到室内，可以说室内移动测量逐渐成为三维激光扫描技术的发展新方向[1]。

与室外开阔的场景不同，人们要在无GNSS信号的情况下获取室内空间高精度、多细节的三维信息非常困难。实际上，室内环境的高精度三维信息获取类似于机器人在未知环境进行定位和制图，机器人的位姿是通过环境地图得到的，即机器人的位姿依赖于环境地图[2]。位姿和地图估计之间的这种相互依赖的关系给机器人在未知环境下的导航提出了新的研究领域称之为即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping，SLAM)。因此，室内测量领域完全可以借助SLAM技术来获取室内空间数据。其中，基于激光的SLAM利用激光扫描仪作为传感器获取地图数据是目前稳定、可靠、高性能的方式[3]。

2 SLAM算法及仪器介绍

2.1 SLAM算法介绍

SLAM指的是机器人在自身位置不确定的条件下，在完全未知环境中创建地图，同时利用地图进行自主定位和导航。目前SLAM算法可以分为扩展卡尔曼滤波类(Extended Kalman Filter，EKF)SLAM，基于图像类(Graph)SLAM和基于扫描匹配的SLAM算法[4，5]。

EKF-SLAM是最先被提出SLAM算法，也是迄今最为流行的算法。该算法建立在运动模型和观测模型的高斯噪声假设基础上，从而解决SLAM问题。EKF-SLAM作为一种成熟的SLAM算法，其主要优点是它能在线对地图进行全后验概率估计，另外通过该算法还能得到最高概率地图和较为精确的机器人位姿估计。EKF还可以基于不同的机器人初始不确定性和传感器观测的不确定性得到不同精度的机器人位姿和所创建的环境地图依概率收敛值。

Graph-SLAM实际上是一种基于图、网络的SLAM算法，又称为基于图优化的SLAM。在Graph-SLAM中，通过构建完整的网络图来对移动机器人的位姿进行描述。在Graph上的节点表示移动机器人在某一时刻的位姿，节点之间的边表示两个时刻位姿的改变，或者是通过里程计观测得到的信息。通过对这些点和边分别进行编码，最终构建网络。

采用扫描匹配的方法，我们能构建准确的二维环境地图。通过对两个连续的扫描信息进行匹配，在全局范围内得到准确的结果。该方法解决了大多存在机器人被“绑架”时失效的问题。通过机器人的激光雷达扫描得到的数据，结合ICP等匹配算法将机器人在每个位置对周围环境的观测来得到局部地图与全局地图建立几何关系，最终拼接成全局地图并且实现机器人的定位。

将激光扫描与SLAM技术相结合解决了室内环境中无GNSS信号无法定位的问题，为室内三维激光扫描提供了新的定位定姿方法。

2.2仪器介绍

本文所述案例采用的是IMS3D室内三维移动扫描仪，如图1所示。

图1 IMS3D室内三维移动扫描仪

IMS3D是基于SLAM技术、无须GNSS、无须测站的室内移动扫描仪器，该仪器可以实现厘米级的测量精度。IMS3D可以进行大规模的连续测量，它在技术上不使用GNSS定位，可以很好地处理主要的专业问题，在工作区域无须特别设置，就可以开始扫描。

IMS3D室内三维移动扫描仪主要由3个激光解析仪、一个全景照相机、扫描控制和管理触摸屏和可拆卸的移动推车构成。

IMS3D主要的优势：

(1)每小时可以扫描5 000 m2的区域；

(2)采用球面图像控制数据采集；

(3)测量精度达到厘米级；

(4)所有操作均无须设置；

(5)连续扫描，无须测站。

3 解放碑地下环道竣工测量应用

重庆市解放碑地下环道工程总投资15亿元。工程由“一环、七联络”组成。“一环”长 2.8 km，为单向循环双车道，路宽为 7 m～9 m，层高 5.5 m，处于地下 20 m处，连接整个解放碑核心区域；“七联络”则是出入解放碑的7条地下连接道与“一环”直接接轨。该地下环道竣工后已采用常规测量方法进行地形图测绘，为了更好地展示解放碑地下环道的三维形态，建立其三维模型，本文采用室内移动测量技术对其进行三维点云数据采集。

3.1数据采集

在解放碑地下环道竣工测量过程中，采用了室内移动测量系统对整个地下环道进行了三维数据采集，获取了地下环道的三维点云数据。由于地下环道长度较长，为了保证数据采集的效率，将地下环道分段进行采集，再通过隧道特征点和设置标靶的方法将各段数据进行拼接，如图2～图3所示。

由于地下环道内部明显特征较少，而SLAM算法而言，需要有较多的特征点数据进行点云匹配，为了保证整个地下环道数据采集的正确性和工作效率，在数据采集过程中，采用了自制标靶来增加特征点。通过在特定位置增设标靶，保证了室内移动测量仪SLAM算法的稳定性，避免了在数据采集过程中点云匹配的错误，如图4所示。

图2 地下环道现场数据采集

图3 地下环道实时采集数据

图4 自制标靶

3.2数据处理

将采集的点云数据导入到数据处理软件中，进行数据解算。主要包括惯导数据解算、二维点云数据解算、三维点云数据解算和点云数据平差，最终得到地下环道的三维点云数据，如图5～图6所示。

图5 地下环道局部点云数据

图6 地下环道内部点云数据

将解放碑地下环道点云数据导入地形数据处理平台，通过软件对隧道的边线、隧道内部道路边线、隧道顶高和底高和相关附属设施进行提取[6]，通过建模软件建立地下环道的三维模型数据，并可导入开发的管理平台进行三维显示和管理，如图7所示。

图7 地下环道三维模型数据

3.3效率及精度分析

本次对解放碑地下环道采用室内移动测量方法进行数据采集和处理，作业效率如表1所示。

作业效率比较表 表1

由于地下环道线路长、支路多，控制测量采用的是图根导线测量的方式，较为耗时。而采用室内移动测量技术，就省去了图根导线的环节。从上表可以看出，该方法作业效率在外业数据采集方面其效率高于传统测绘方法，既提高了作业效率又减少了人力的投入。在内业数据处理方法，由于点云数据量大，导致点云数据处理时间较长，同时点云特征提取到形成地形图的时间也较长，但是正是由于点云数据的海量性，使从点云数据提取的数据信息更加丰富，保证了地下环道数据要素的完整性。

在测量精度方面，本文将传统测量方式采集的地下环道数据与点云提取的环道数据进行比较，得出隧道平面数据平均误差为 4.3 cm，高程平均误差为 5.2 cm，基本满足 1∶500地形图测绘要求。

4 结 语

本文将室内移动测量技术应用于解放碑地下环道竣工测量中，通过应用得出该技术可以提供外业数据采集效率，能得到大量的点云数据，为后续成图提供丰富的基础数据，其测量精度基本满足 1∶500地形图测绘的要求，可以在实际工程中进行应用。室内移动测量技术正处于研究和发展阶段，与其相关的SLAM算法的优化、特征提取的自动化等都需要进一步的研究，但随着该技术不断发展，必将有更好的应用前景。

[1] 陈萍. 基于SLAM的移动室内三维激光扫描研究[D]. 武汉：中国地质大学，2016.

[2] 郑德华，雷伟刚. 地面三维激光影像扫描测量技术[J]. 铁路航测，2003(2)：26～28.

[3] 陈文栋. 移动机器人 SLAM方法研究[D]. 南昌：华东交通大学，2014.

[4] 丁帅华，陈雄，韩建达. 基于局部子图匹配的SLAM方法[J]. 机器人，2009， 31(4)：296～303.

[5] 顾文华，周波，戴先中. 基于 ICP 匹配算法的室内移动机器人定位[J]. 华中科技大学学报·自然科学版， 2013， 41： 262～266.

[6] 尤红建，苏林. 基于机载激光扫描数据提取建筑物的研究现状[J]. 测绘科学，2005，10(5)：114～118.

TheApplicationandResearchofIndoorMobileMeasurementTechnologyinCompletionofMeasurement

Huang Chengliang

(Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China)

This paper introduces indoor mobile measurement technology based on SLAM，and take completion measurement of the underground ring of Jiefangbei as an example，data processing efficiency and data quality are analyzed statistically，and the feasibility、measurement methods and data processing are discussed in the application of indoor mobile measurement technology in engineering application field. The quantitative analysis results of the efficiency and measurement accuracy are obtained by comparing indoor mobile measurement technology with conventional measurement method，with a typical representative of the meaning and socio-economic value.

indoor mobile measurement technology；pint cloud；SLAM

1672-8262(2017)05-133-03

P235

B

2017—07—19

黄承亮(1984—)，男，硕士，高级工程师，主要从事大地测量及工程测量，三维激光扫描方面的研究。