楊 銘

(上海市測(cè)繪院，上海 200129)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，基于GNSS的移動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)相對(duì)成熟，其將衛(wèi)星導(dǎo)航定位、慣性導(dǎo)航、激光掃描、近景攝像等多種技術(shù)手段融為一體，可在快速移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取周邊地物的點(diǎn)云及影像信息。然而，此類(lèi)系統(tǒng)雖然速度快、精度高，但其對(duì)GNSS信號(hào)有著較強(qiáng)的依賴(lài)，且價(jià)格不菲、生產(chǎn)成本高，應(yīng)用領(lǐng)域受到諸多限制。

近年來(lái)，隨著同步定位與制圖(SLAM)技術(shù)，以及點(diǎn)云配準(zhǔn)(ICP)算法的發(fā)展，背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其可在沒(méi)有GNSS和復(fù)雜慣導(dǎo)設(shè)備的條件下，快速、便捷、低成本地采集目標(biāo)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。且不同于傳統(tǒng)的車(chē)載移動(dòng)掃描系統(tǒng)，此類(lèi)設(shè)備由人員背載，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以根據(jù)需要隨時(shí)上下移動(dòng)，人員能經(jīng)過(guò)的地方都能進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，對(duì)工作環(huán)境要求低，適應(yīng)性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于歷史風(fēng)貌保護(hù)、地下空間測(cè)繪、竣工測(cè)量、地籍測(cè)量等多個(gè)測(cè)繪領(lǐng)域。

背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)作為一類(lèi)新興的測(cè)繪設(shè)備，其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用還處于起步階段，相關(guān)的應(yīng)用研究相對(duì)較少。對(duì)此，本文首先選取3款當(dāng)前具有代表性的背包設(shè)備，研究其內(nèi)在技術(shù)原理，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)驗(yàn)證此類(lèi)設(shè)備的精度與效率，最后探討今后的發(fā)展方向。

1 技術(shù)研究

目前，背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)定位原理的不同可分為3種類(lèi)型：?jiǎn)渭円揽縎LAM、SLAM+GNSS、IMU+點(diǎn)云配準(zhǔn)。這3種類(lèi)型各有利弊，下面將結(jié)合具體設(shè)備對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1.1 單純依靠SLAM

SLAM技術(shù)起源于機(jī)器人視覺(jué)領(lǐng)域，其可在沒(méi)有GNSS和IMU的情況下，在雜亂無(wú)章的點(diǎn)云中尋找線索，求取其中隱含的高階特征點(diǎn)和特征向量，并連續(xù)跟蹤這些特征點(diǎn)和特征向量，進(jìn)而動(dòng)態(tài)反向解算設(shè)備所處的位置和當(dāng)前的姿態(tài)；然后將所有的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過(guò)閉合環(huán)檢測(cè)和連續(xù)特征匹配等高精度算法，將點(diǎn)云自動(dòng)拼接，并最終得到高精度點(diǎn)云成果。

目前，單純依靠SLAM技術(shù)的背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)相對(duì)較少，其中具有代表性的是歐思徠(北京)智能科技有限公司完全自主研發(fā)的3D SLAM激光影像背包測(cè)繪機(jī)器人。該系統(tǒng)由5部分組成：全景相機(jī)、激光掃描儀、控制器、電源及平板設(shè)備，如圖1所示。

圖1 3D SLAM激光影像背包測(cè)繪機(jī)器人

該設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1) 數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣：配有兩個(gè)激光掃描儀，水平激光掃描儀用于定位，傾斜激光掃描儀用于數(shù)據(jù)獲取，十分適合室內(nèi)及狹窄地區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

(2) 操作簡(jiǎn)單方便：一鍵啟動(dòng)，無(wú)需初始化，開(kāi)機(jī)后便可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(3) 應(yīng)用領(lǐng)域多：既可室外采集也可室內(nèi)采集，既可在平坦區(qū)域采集也可在高程變化區(qū)域采集(斜坡、樓梯等)。

(4) 彩色掃描：配有全景相機(jī)，可獲得具有真彩色信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(5) 智能化的后處理方法：數(shù)據(jù)處理全自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)。

1.2 SLAM+GNSS

單純依靠SLAM技術(shù)的背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其定位精度取決于周邊環(huán)境的特征形態(tài)。如果周邊環(huán)境特征豐富且差異較大，SLAM算法的定位精度會(huì)很高；但是當(dāng)周邊環(huán)境特征較少或十分雷同時(shí)，定位精度會(huì)顯著下降。這種情況一般發(fā)生在室外開(kāi)闊區(qū)域，在此類(lèi)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，往往只能采集到地面數(shù)據(jù)，而周邊立面和天頂方向的數(shù)據(jù)十分稀少。此時(shí)，如果仍然單純依靠SLAM技術(shù)進(jìn)行定位，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法收斂，從而無(wú)法獲得合格的點(diǎn)云成果。

對(duì)此，可將SLAM與GNSS結(jié)合，在室內(nèi)或狹窄道路等無(wú)GNSS信號(hào)的區(qū)域使用SLAM技術(shù)進(jìn)行定位解算，而在室外開(kāi)闊區(qū)域使用GNSS結(jié)合IMU慣導(dǎo)進(jìn)行定位解算，從而進(jìn)一步增強(qiáng)適用性，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

Leica公司推出的Pegasus Backpack移動(dòng)測(cè)量背包系統(tǒng)便是此種類(lèi)型的設(shè)備。它是當(dāng)前市場(chǎng)上集高性能、高精度、便攜性于一體的高端移動(dòng)測(cè)量背包系統(tǒng)，贏得了2016年紅點(diǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)、2015年德國(guó)威克曼創(chuàng)新大獎(jiǎng)。其配備5個(gè)相機(jī)和2個(gè)激光掃描儀，操作簡(jiǎn)單，佩戴舒適，使用靈活，適用于多種測(cè)繪領(lǐng)域(如圖2所示)。

圖2 Pegasus Backpack移動(dòng)測(cè)量背包系統(tǒng)

通過(guò)搭載三頻GNSS系統(tǒng)，采用最新的支持多光束的SLAM算法，以及高精度IMU，Pegasus Backpack可進(jìn)行室內(nèi)外一體化點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，精度達(dá)到厘米級(jí)。

1.3 IMU+點(diǎn)云配準(zhǔn)

除了使用SLAM算法進(jìn)行定位，目前還出現(xiàn)了一種基于IMU結(jié)合點(diǎn)云配準(zhǔn)算法的定位方式，其中具有代表性的是意大利GEXCEL公司生產(chǎn)的HERON系列背包式三維激光掃描系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 HERON系列移動(dòng)測(cè)量背包系統(tǒng)

該設(shè)備通過(guò)兩個(gè)階段進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接，首先是在較短的距離內(nèi)(5 m)利用IMU進(jìn)行位置解算，獲得一段點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后在數(shù)據(jù)采集完成后，利用點(diǎn)云配準(zhǔn)算法(ICP)對(duì)各分段點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差，從而得到高精度的點(diǎn)云成果，如圖4所示。

圖4 分段解算+整體平差

相比于SLAM算法，IMU結(jié)合點(diǎn)云配準(zhǔn)的定位方式具有以下兩方面的優(yōu)勢(shì)：

(1) 數(shù)據(jù)處理效率更高：SLAM算法需要反向解算每個(gè)時(shí)刻的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算量大；而上述方法將分段點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為一個(gè)剛體參與整體平差，數(shù)據(jù)計(jì)算量顯著下降。

(2) 整體精度更高：SLAM算法主要是通過(guò)閉合環(huán)檢測(cè)和連續(xù)特征匹配來(lái)提高最終的點(diǎn)云成果精度，當(dāng)閉合環(huán)過(guò)長(zhǎng)或沒(méi)有閉合時(shí)，誤差積累會(huì)十分大，且無(wú)法得到很好的分配；而上述方法通過(guò)分段點(diǎn)云之間的公共部分，利用ICP算法進(jìn)行全局整體配準(zhǔn)，可以有效提升拼接精度。

然而，IMU結(jié)合點(diǎn)云配準(zhǔn)的定位方式也存在一定的不足，其定位精度與SLAM算法類(lèi)似，同樣取決于周邊環(huán)境的特征形態(tài)，當(dāng)周邊環(huán)境特征較少或十分雷同時(shí)，其最終的點(diǎn)云拼接質(zhì)量會(huì)受到較大的影響。

2 精度驗(yàn)證與效率分析

為驗(yàn)證上述3類(lèi)設(shè)備的精度與效率，本文進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，地點(diǎn)為上海某一辦公樓(室內(nèi)外)。試驗(yàn)時(shí)首先使用背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后利用常規(guī)測(cè)量手段對(duì)點(diǎn)位精度、間距精度及高程精度進(jìn)行檢核，最后對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理的效率進(jìn)行綜合分析。

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 測(cè)試場(chǎng)景

(1) 室外部分：辦公樓3個(gè)外立面，正門(mén)門(mén)口外推約100 m的路面。

(2) 室內(nèi)部分：辦公樓一層大廳及左右過(guò)道，二層過(guò)道及217辦公室，三層過(guò)道及303辦公室，左右兩側(cè)的樓梯(一層到三層)。

2.1.2 測(cè)試要求

(1) 室內(nèi)外數(shù)據(jù)一次性全部采集。

(2) 室內(nèi)外都布設(shè)有全局控制點(diǎn)，處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系統(tǒng)中。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 數(shù)據(jù)采集情況

數(shù)據(jù)采集情況如圖5所示。

圖5 辦公樓室外、室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集成果

2.2.2 精度檢核結(jié)果

精度檢核結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

由表1可得，3種類(lèi)型的背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)在平面點(diǎn)位精度和間距精度上均優(yōu)于5 cm，基本處在同一量級(jí)。然而在高程精度上，3類(lèi)設(shè)備雖然中誤差都優(yōu)于10 cm，但在高程最大較差上差異明顯，其中SLAM+GNSS的設(shè)備高程最大較差為-9.6 cm，IMU+點(diǎn)云配準(zhǔn)的設(shè)備為-14.4 cm，而單純依靠SLAM的設(shè)備達(dá)到了27.3 cm。

高程檢測(cè)點(diǎn)主要分布在室外道路部分，而高程較差較大的檢測(cè)點(diǎn)都與辦公樓有一定距離，且距離越遠(yuǎn)較差越大。造成該結(jié)果的原因主要為：?jiǎn)渭円揽縎LAM和IMU+點(diǎn)云配準(zhǔn)的定位方式需要依賴(lài)周邊環(huán)境的特征形態(tài)，當(dāng)處于較開(kāi)闊的室外區(qū)域(如本試驗(yàn)中的道路部分)，由于缺少足夠的立面數(shù)據(jù)用于匹配，其高程定位精度會(huì)受到很大影響。此外，單純依靠SLAM的定位方式主要通過(guò)閉合環(huán)檢測(cè)來(lái)分配誤差，在本試驗(yàn)中，道路部分有100余米，導(dǎo)致閉合環(huán)較長(zhǎng)，從而進(jìn)一步影響定位精度。

表1 精度檢核結(jié)果匯總 cm

(1) 平面點(diǎn)位精度：3種類(lèi)型設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)(2″級(jí)全站儀)的對(duì)比情況如圖6所示。

圖6 平面點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)

(2) 間距精度：3種類(lèi)型設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)(2″級(jí)全站儀+鋼卷尺)的對(duì)比情況如圖7所示。

圖7 間距精度統(tǒng)計(jì)

(3) 高程精度：3種類(lèi)型設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)(三角高程)的對(duì)比情況如圖8所示。

圖8 高程精度統(tǒng)計(jì)

2.2.3 作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)

作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)

從表2可得，3款設(shè)備在作業(yè)效率上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量手段。其中，單純依靠SLAM和IMU+點(diǎn)云配準(zhǔn)的設(shè)備外業(yè)采集速度較快，其原因?yàn)檫@兩類(lèi)設(shè)備的初始化過(guò)程短，而SLAM+GNSS的設(shè)備由于數(shù)據(jù)采集前和結(jié)束后需要進(jìn)行一段時(shí)間的初始化及收斂計(jì)算，其外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

在內(nèi)業(yè)方面，IMU+點(diǎn)云配準(zhǔn)的設(shè)備使用分段數(shù)據(jù)整體平差策略，數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)間最短；單純依靠SLAM的設(shè)備需要解算高密度的軌跡數(shù)據(jù)，計(jì)算量較大，數(shù)據(jù)預(yù)處理效率相對(duì)較低；而SLAM+GNSS的設(shè)備在SLAM的基礎(chǔ)上還引入的GNSS定位算法，計(jì)算量更大，外業(yè)與內(nèi)業(yè)時(shí)間比達(dá)到了1∶4.5。

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐表明，背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)在平面精度上能滿(mǎn)足一般測(cè)繪項(xiàng)目(如大比例尺地形圖測(cè)繪)的要求，但在高程精度上仍存在一定的差距。為進(jìn)一步提高精度，可作兩方面改進(jìn)：一是修改算法，引入更多的限制條件，如控制點(diǎn)、固定長(zhǎng)度等；二是進(jìn)行多傳感器、多算法的融合，將GNSS、IMU、SLAM、ICP等多種定位方式結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合解算，滿(mǎn)足室內(nèi)外不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。相比于傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)具有速度快、信息量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。如果能在不降低現(xiàn)有作業(yè)效率的前提下進(jìn)一步提升測(cè)量精度，背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)在測(cè)繪領(lǐng)域必將取得更廣闊的應(yīng)用。