激光SLAM 技术在地铁监护监测中的应用研究

王晓妍 WANG Xiao-yan

（上海地铁维护保障有限公司工务分公司，上海 200070）

0 引言

目前，在地铁安全保护区监测、地铁确权项目测绘、地铁抢险测绘、多测合一等空间结构复杂的应用场景中，测量测绘任务工作量大、工作时间紧，而且实测作业难度较高，因此使用传统测量方法的时间、人力成本不易控制。此时，基于三维激光移动扫描和惯性导航的即时定位与地图构建技术（Simultaneous Localization and Mapping，简称SLAM）表现出了独有的优势。

1 技术背景

SLAM 技术最早由Smith H 和Cheeseman L P 于1988年提出[1]。通俗来讲，是指搭载特定传感器的主体，在不具备外部环境先验信息的前提下，在运动过程中建立起周围环境的模型，并实现实时定位和增量地图构建的功能，因此在现代测量测绘领域中具有重要的理论与应用价值[2]。技术路线如图1 所示。

图1 SALM 技术路线图

SLAM 技术一般是由提供扫描或拍摄功能的传感器和提供载体位置和姿态信息的惯性测量单元组成，获取空间信息的传感器从类型上可以分为基于相机拍摄技术的视觉SLAM 和基于激光扫描技术的激光SLAM，两者优势各异，功能互补。不过相对而言，目前基于激光SLAM 的理论研究较为完善，能够提供设备搭载主体与周围环境之间更为准确的距离信息，具有误差分析模型简单可靠，实际操作时受使用环境光照条件的影响较小等优点，并且配套产品更加成熟，点云拼接处理等内业操作较为简便，因此给测量人员测绘工作带来了便利。

其中激光SLAM 从工作方式上可以分为固定式和移动式[3]。固定式三维激光扫描仪可用于室内及室外环境扫描，并且测量精度较高。但应用于复杂空间时，需要大量换站，然后进行测站间的点云数据拼接，数据采集及数据后处理效率十分低下。而移动式SLAM 扫描仪技术在封闭空间内既不依托GPS 信号辅助定位，又能够对室内及室外环境进行连续移动扫描，减少了数据后处理的误差。因此，基于SLAM 的移动式激光扫描技术在测量测绘领域中的应用降低了作业复杂性，并且不需要大量标记地物特征点，可以广泛适用于室内室外场景，对于解决现阶段复杂封闭空间的定位及场景重建测绘问题具有极高的应用价值和广阔前景[4-6]。

2 SLAM 技术特点

目前的地铁安全保护区监测项目涉及到地铁结构与周边施工场地的边线复核测量、施工场地标高测量、电缆通道等地下附属结构测量等，测量需求较为复杂。地铁安全保护区监测项目的常规测量方法为全站仪和RTK 相结合的方法，具体来说，利用RTK 设备做控制，通过全站仪引导线测量至地铁结构内部，由此来得到地铁结构与施工场地之间的相对位置关系。但是由于地铁及附属地下结构比较复杂，结构中楼梯较多、通视较差，结构测量面拐角多，甚至存在许多无法架站的位置，因此会导致测量结果出现偏差或缺失。使用传统测量方法存在诸多不便，所以亟需一种可以代替传统测量作业方式，并且结果精度满足要求的新型测量方法。基于SLAM 技术的三维激光扫描仪恰好具备解决此类测量问题的功能[7，8]。

3 SLAM 作业流程

3.1 SLAM 外业流程

其中SLAM 扫描外业[9]主要是指测量人员在布设好控制点的区域内进行移动扫描，实时快速地建立起包含整个空间区域的特征信息三维点云数据，可以分为以下几个关键步骤。

3.1.1 现场踏勘

在进行SLAM 扫描作业之前，通常要对实测场地做到充分了解，一般需组织测量人员现场踏勘周边环境、空间信息，对测量重点和难点区域提出合适的扫描方案。

3.1.2 场地分区

在现场踏勘过程中，如果被测区域的面积较大，要综合考虑测量设备的作业时间，对测量场地进行合理分区，避免由于设备电力供应不足导致的测量数据缺失。同时，各个分区间应保持一定的重合度，降低点云数据解算难度，保证最终合并的整体点云数据的精度。

3.1.3 控制点布设

同时，为了使后续的点云数据具备绝对坐标属性，通常要在所测区内均匀布设3～5 个控制点，控制点的分散程度较好也能提高点云拼接精度，降低数据运算的算力成本。

3.1.4 线路规划

在扫描路径的提前规划上，要综合考虑作业效率、数据完整性、重点扫描区域结果精度几个因素。一般来说，扫描路径应尽可能短且闭合，降低测量人员作业时间，提高效率。

3.1.5 扫描作业

当上述步骤完成后，对扫描仪进行初始标定工作，等待扫描仪进入正常工作状态，测量人员即可按照既定路线进行扫描作业。一般采取匀速前进的方式，来获取密度均匀的点云数据。

3.2 SLAM 内业流程

SLAM 扫描内业数据处理主要是指对包含有空间特征信息的原始数据进行解算，拼接，赋予绝对坐标信息，去噪抽稀等操作，一般分为以下几个关键步骤。

3.2.1 点云配准

点云配准是指将途经控制点的绝对坐标按照先后顺序依次导入解算软件，使解算后的点云数据带有绝对坐标信息。同时生成本次扫描区域点云数据的精度报告，初步评估本次作业的结果精度。根据相关规范规定[10]，一般来说，当中误差在5cm 以内时，可视为点云精度满足后续处理要求[11]。

3.2.2 数据拼接

该步骤并非常规作业步骤，但如果场地区域过大，扫描作业分次进行，通常需要对多段数据进行数据拼接工作。以本项目为例，由于本次测量区域范围较大，在场地分区时将整个扫描区域分为三个部分。因此需要对三段点云数据进行拼接，具体的方法是通过通用点云处理软件，将三段数据的重合区域进行套叠，通过后处理软件消除误差之后即可得到整个扫描区域的点云数据。

3.2.3 噪点清除

在外业扫描过程中，由于扫描仪的射程较远，通常会有一些并非测量关注主要区域的空间点云的数据信息也被录入原始数据文件中，在点云解算完毕后，可以通过点云切割等方式，可以将树木、行人、建筑外立面等非必要信息剔除，方便后续成图作业过程进行。

3.2.4 数据抽稀

由于激光扫描仪获取的点云数据较为密集，当电脑性能不足或呈现结果形式中不需要密集点云时，可以适当调节点云数据的疏密程度，来达到理想的显示效果，比如进行轮廓线绘制时，稀疏的点云格式能够帮助内业人员粗略剔除无效数据，从而更好地完成各类成果图绘制。因此这一步主要是为了保证内业处理效率。

3.2.5 切片处理

通过通用点云后处理软件，利用旋转、切分等操作从不同角度对点云数据做切片处理，能够从不同视角切入整体点云，得到用于平面图、立面图、剖面图等的部分点云数据图，方便后续的绘图工作进行。

3.2.6 成果绘制

将扫描和处理得到的点云数据导入工程制图软件中，可以进行整个项目平面图的绘制工作，有了三维点云数据的参照，制图工作的效率将大大增加，除此之外，配合鱼眼相机拍摄到的现场扫描画面，可以辅助进行项目内重要结构的平面图绘制工作。另外，经过了引入绝对坐标的点云处理和精度分析，作图精度可以得到充分保证。

4 测量结果分析

4.1 上海体育馆SLAM 成果汇总

下面以上海体育馆测绘项目为例，本次测量项目中，其中重点测量区域为地铁附属结构中的地铁进出口楼梯和地下电缆通道。由于本次测量重点工作区域属于地下复杂结构室内空间，存在较多上下楼梯，因此存在通视困难的问题；另外，地下结构GPS 信号弱易丢失，惯导RTK 设备也不具备使用条件。

首先，将去噪、抽稀过的正射点云数据导入工程制图软件如CAD 中，如图2 所示。

图2 正射点云数据导入CAD

将清除过噪点的正射点云影像数据导入CAD 等工程制图软件后，通过轮廓线绘制等常规工程图制图操作，即可方便快捷的完成内业的制图流程。相比于传统方法的内业制图作业时间，该方法的内业数据解算和制图能够节约三分之二的作业时间，最终能提高3～5 倍左右的制图效率。在点云数据基础上进行绘图操作，能够有效减少人为因素导致的制图错误，使得工程图的制作均有物理遵循。

最后，从正射影像图中可以提取，也可以得到矢量图，可用于管线确定等特殊需求。

同时，在本次需要测量的重点区域，如电缆通道等位置，上下楼梯时全站仪所需控制点的转点较多、容易出现控制点偏差或丢失的情况、部分地铁电缆通道的区域甚至无法架设全站仪，给本次测量作业造成了诸多困难，存在难以用传统方法测量等问题。因此，需要采用SLAM 技术完成本次测量任务。

综合考虑本次测量环境，在本次测量中，测量人员采用手持三维激光扫描仪的方式对整个测量空间进行扫描。点云切分后得到的地铁出入口的点云剖面图如图3 所示。

图3 地铁出入口楼梯点云剖面图

最后，通过对点云数据的旋转、切分和截取，可以得到自上而下项目剖面图，可以清晰的观察到地面到地下的站厅、站台、轨行区、上下楼梯、地铁电缆等结构及相对位置。并且结构之间的相对高度能够方便地确定，地铁各层结构立面图如图4 所示。为后续的地铁安全保护区监测及土方卸载施工工作提供了数据支持。

图4 地铁各层结构立面图

4.2 淮海社区某地块SLAM 成果汇总

淮海社区某地块外边线复合采用现有测量方法GPS与同样的移动式SLAM 作业方法进行了整体结构的扫描做对比。日常边线复核测量使用仪器为GPS，华策X10，坐标测量方法为RTK 平面碎部测量。根据GPS 测量指导书建议，需要现场负责人，GPS 主测工，线路协调员工3 人。SLAM 只需一名作业人员[12]，比使用GPS 节省人力。本次地块边线复核放样位置因上行线地铁结构隧道中心线、外边线均处于建筑物正下方，因此对上行线地铁隧道结构外边线再外放3.6m 进行地面放样，现将点位成果资料整理如表1 所示。

表1 上海淮海社区某地块GPS 点位成果资料

该项目其余位置均处于建筑物下方无法放样。但该项目的地下空间环境复杂，并且开挖基坑靠近轨道交通1 号线运营区间隧道侧为地下一层。从边线复核平面图看无法了解地下与开挖项目的位置关系，影响地铁隧道结构安全预警预控，GPS 扫描边线复核平面图。用SLAM 激光扫描技术对地下空间进行扫描，可得到地下空间与地面环境SLAM 扫描结果，如图5 所示。SLAM 激光扫描技术解决了地下地上一体化三维空间测绘问题测绘成果[13]。

图5 上海淮海社区某地块地下地上环境SLAM 扫描结果

5 结论

本文以上海市地铁安全保护区测绘项目为背景，综合考虑了现场测量条件、测量规范规定及实际作业要求，在实际场地测绘中引进了GeoSLAM zeb-horizon 型手持式三维激光扫描仪。根据对作业过程的总结和结果的精度分析，得到了以下主要结论：

①复杂环境测量适用性好。该项技术尤其适用于地铁保护区监测等相关项目的测量工作，可以搭配深度相机、激光雷达、惯导装置等完成多传感器融合测量，可以推广到更加复杂地下空间场景的测量测绘中，具有较高的应用前景和使用价值。

②测量精度满足规范要求。根据测量结果的点云拼接精度的分析，结合地下空间测量有关的规范规定，可以认为本方法的测量精度可以满足一般工程的测量要求。

③提高作业效率，节约人力成本。在相关应用场景测量作业时，可以考虑本技术的优势，可以将本技术用于测绘项目的数字化升级、智慧城市改造的重要组成部分，节省测量人员的作业难度，推动自动化检测技术的进步。