吳獻(xiàn)文，史合印

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

0 引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展及智慧城市的建設(shè)，城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)達(dá)到了空前規(guī)模[1]。城市地鐵建設(shè)帶動地下空間的大規(guī)模開發(fā)，高層建筑推進(jìn)地下空間立體開發(fā)，綜合減災(zāi)防災(zāi)的需求帶動地下空間建設(shè)[2]。為了加強地下空間的開發(fā)利用及管理，國家與地方陸續(xù)制訂了管理辦法，將地下空間的開發(fā)利用與管理納入法制化軌道[3]。主管部門也結(jié)合地下空間測繪制訂了專門的技術(shù)規(guī)范，使得獲取地下空間的二、三維數(shù)據(jù)有一定的技術(shù)依據(jù)。然而，目前地下空間測繪技術(shù)方法主要有：控制點導(dǎo)入采用聯(lián)系測量，空間三維信息獲取采用數(shù)字化測圖等方法。這些傳統(tǒng)測量方法效率低，總體精度較差。

對于地下空間三維位置信息獲取困難，研究人員開發(fā)了集成GNSS、IMU和激光掃描器等模塊的移動激光掃描系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)可以有效提高數(shù)據(jù)采集效率，但由于地下空間接收不到GNSS信號，導(dǎo)致測量精度大幅度降低，很難實現(xiàn)地下與地面一體化數(shù)據(jù)采集?；?D SLAM激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)解決了地下與地面一體化三維空間測繪問題[5]，該技術(shù)不依賴大量地物標(biāo)志點可以達(dá)到高精度定位，并且能連續(xù)移動測量掃描，提高數(shù)據(jù)采集效率，采集方式機動靈活，對地下與地面復(fù)雜場景測繪具有廣闊的應(yīng)用前景。

本次試驗采用GeoSLAM ZEB-Horizon手持移動三維激光掃描儀對廣州市一處過街人行隧道進(jìn)行掃描測量[6]，采用Trimble Real Works軟件進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)處理，提取相關(guān)特征點數(shù)據(jù)集進(jìn)行應(yīng)用分析，最后采用常規(guī)測量方法輔助精度驗證[7]。試驗表明，使用ZEB-Horizon掃描儀能夠快速解決復(fù)雜條件下地上地下空間的一體化三維測繪問題[6]。

1 3D SLAM移動式激光掃描系統(tǒng)

1.1 3D SLAM移動式激光掃描關(guān)鍵技術(shù)

SLAM技術(shù)稱之為實時定位與地圖構(gòu)建(SLAM，Simultaneous Localization and Mapping)，是機器人領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一，也是現(xiàn)代智能機器人系統(tǒng)核心技術(shù)[8]。 SLAM技術(shù)算法由前端、后端及地圖創(chuàng)建3部分組成，按空間移動方式分為2D SLAM和3D SLAM[9]，也即是二維與三維移動時自定位和地圖繪制兩種方式。

SLAM技術(shù)框架，如圖1所示。

圖1 SLAM技術(shù)框架Fig.1 SLAM technological framework

基于3D SLAM移動式激光掃描技術(shù)的測繪設(shè)備，由于沒有GNSS模塊，不依賴GNSS信號[10]，適用于復(fù)雜環(huán)境的地下空間測繪數(shù)據(jù)采集，具有操作簡便、效率高、機動靈活等優(yōu)點。匹配的軟件能夠解算高動態(tài)非線性的激光點云位置與姿態(tài)，求取與跟蹤高階特征點和特征向量，高精度反向解算測繪機器人的位置與姿態(tài)，這種方法顛覆了傳統(tǒng)的測繪方法，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)，為測繪技術(shù)開拓了新的思路。

1.2 ZEB-Horizon移動式三維激光掃描儀

目前，帶有高精度SLAM功能的三維激光掃描儀種類不多，且基本為進(jìn)口產(chǎn)品[11]。本次試驗采用GeoSLAM ZEB-Horizon移動式三維激光掃描儀[6]。

ZEB-Horizon是一款由GeoSLAM公司開發(fā)，基于3D SLAM算法的移動式掃描儀。該儀器測程100 m，比較適合城市道路、地下空間、復(fù)雜隱蔽環(huán)境的測繪工作，掃描速度為每秒30萬點云，信息量豐富，采用3D SLAM技術(shù)，三維測量精度可以達(dá)到3 cm。ZEB-Horizon主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 ZEB-Horizon主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗區(qū)概況與工作流程

2.1 試驗區(qū)概況

本次試驗區(qū)位于廣州市內(nèi)，在市政整治工程中要求對一處過街人行隧道進(jìn)行地下與地面三維空間信息一體化測繪。該過街人行隧道位于兩條主要道路交叉路口，呈“工”字形，共有4個出入口，其中各分兩對出入口相連通，長度都為90 m，中間有49 m連通段。路口周邊建筑物林立，樓層較高，且街道綠化樹枝葉茂盛。路口處在繁華路段，隧道中人流量比較密集。經(jīng)過研討，決定采用帶有3D SLAM功能的手持移動式三維激光掃描儀對過街人行隧道進(jìn)行地上地下空間一體化三維測繪，快速獲取隧道的位置、走向、特征等數(shù)據(jù)。

2.2 工作流程

過街人行隧道一體化測繪工作流程包括準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)采集路線規(guī)劃、控制點與標(biāo)靶測設(shè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維建模、線劃圖DLG繪制、提交成果等內(nèi)容[12]。工作流程，如圖2所示。

圖2 地上地下空間一體化測繪工作流程圖Fig.2 Workflow of integrated surveying and mapping of over-ground and underground space

3 試驗與分析

3.1 數(shù)據(jù)采集路線規(guī)劃

3D SLAM技術(shù)特點是要求行進(jìn)路線必須在規(guī)定時間內(nèi)構(gòu)成閉合環(huán)，數(shù)據(jù)采集路線規(guī)劃主要任務(wù)是對過街人行隧道所在區(qū)域的掃描行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。路線規(guī)劃設(shè)計要求環(huán)線閉合時間少于25 min，所有待測目標(biāo)都納入行進(jìn)路線中，確保掃描過程所有目標(biāo)都能獲得均勻點云數(shù)據(jù)，重復(fù)冗余較少，防止點云厚度過大。為了高質(zhì)量獲取激光掃描數(shù)據(jù)，本次試驗將試驗區(qū)劃分為4個掃描區(qū)域。

3.2 控制點測設(shè)

為了將點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)系統(tǒng)，需要布設(shè)一定數(shù)量的控制點[13]?？刂泣c布設(shè)要求合理均勻，保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度[14]。一般要求掃描區(qū)域均勻并兼顧邊緣布設(shè)3～5個控制點，同時應(yīng)在相鄰掃描區(qū)域布設(shè)1～2個公共控制點。本次試驗控制點主要布設(shè)在過街人行隧道口及掃描區(qū)域周邊的地面上，同時兼顧精度驗證需要，共布設(shè)8個控制點?？刂泣c的三維坐標(biāo)測量采用GNSS-RTK施測，設(shè)置歷元數(shù)為2，測量次數(shù)不少于3次，各次之差符合相關(guān)測量規(guī)定取平均值作為最終成果。

3.3 三維激光數(shù)據(jù)采集

ZEB-Horizon掃描儀進(jìn)行作業(yè)時，一般采用兩人配合的工作方式，按主測員與協(xié)測員分工。掃描作業(yè)前，現(xiàn)場檢查隧道通行人流量及路口車流量情況，做好安全保障措施，設(shè)備安裝完畢后需檢查，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

作業(yè)時，主測員操作掃描儀，協(xié)測員按照行進(jìn)規(guī)劃路線領(lǐng)航，并在需掃描的控制點上安置標(biāo)靶，記錄控制點編號、行進(jìn)時間與距離。主測員按設(shè)計線路行進(jìn)掃描，對重要特征點、控制點上的標(biāo)靶需掃描5～8 s，掃描完畢收起標(biāo)靶，繼續(xù)行進(jìn)，并按規(guī)定做好路線閉合環(huán)，直至完成掃描工作。

為了提高點云數(shù)據(jù)的匹配與拼接精度，作業(yè)過程中可以適當(dāng)增加行進(jìn)路線閉合環(huán)的數(shù)量，以提高成果解算精度與可靠性。作業(yè)時，要求保持儀器平穩(wěn)、移動勻速，避免原地轉(zhuǎn)圈、跳躍、方向突變等因素影響導(dǎo)致點云成果分層。

此次數(shù)據(jù)采集工作用時約30 min，共獲取激光點云數(shù)量149 907 336個，數(shù)據(jù)文件容量2.93 GB。

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 數(shù)據(jù)提取

從掃描儀中拷貝出數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查、登記，導(dǎo)入設(shè)備隨機配套軟件，設(shè)置參數(shù)，將激光掃描數(shù)據(jù)、SLAM數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)融合處理，生成點云數(shù)據(jù)，并輸出通用格式數(shù)據(jù)[15]。

數(shù)據(jù)處理需設(shè)置的參數(shù)主要有：收斂閾值、體素密度、剛度、迭代次數(shù)等[16]。點云數(shù)據(jù)提取完畢需進(jìn)行分層、錯位等檢查[17]。

3.4.2 數(shù)據(jù)拼接

數(shù)據(jù)拼接是根據(jù)重疊部分的點云將多區(qū)域多次掃描的激光數(shù)據(jù)，采用天寶Trimble RealWorks軟件拼接處理，形成一個整體的點云數(shù)據(jù)[7]。操作時需將縮放因子參數(shù)設(shè)置為1，鎖定不同區(qū)域點云數(shù)據(jù)形態(tài)差異，防止對數(shù)據(jù)的后期分析產(chǎn)生影響。

掃描儀自帶的IMU精度較高，能夠保證數(shù)據(jù)成果高程軸的正確性，在Trimble RealWorks軟件中需設(shè)定所有點云文件為“已整平測站”，鎖定高程軸，有效提高拼接過程變換解算精度。試驗區(qū)域激光點云數(shù)據(jù)拼接結(jié)果，如圖3所示。

圖3 激光點云效果圖Fig.3 Effect map of laser point cloud

3.4.3 數(shù)據(jù)去噪

掃描儀在獲取目標(biāo)點云數(shù)據(jù)時，受到目標(biāo)表面材質(zhì)、周圍環(huán)境等干擾，獲取的數(shù)據(jù)存在噪聲點，不能較好反映目標(biāo)的空間位置信息。去噪的方式有基于有序點云與基于散亂點云兩種方式，在處理過程中應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)情況綜合使用[18]。

基于有序點云數(shù)據(jù)去噪采用平滑濾波方法，算法包括均值濾波、中值濾波和高斯濾波。均值濾波器采樣點的值是濾波器窗口中數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計平均值。中值濾波器采樣點的值作為濾波器窗口中數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計中值，該濾波器在消除數(shù)據(jù)噪聲方面有較好的效果。高斯濾波器的權(quán)重為給定域內(nèi)的高斯分布，其平均效應(yīng)小，能較好地保持原始數(shù)據(jù)的形狀。

對散亂點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪通常使用Pierre-Simon Laplace算法、雙邊濾波算法和平均曲率流算法。其中，Pierre-Simon Laplace 算法保證了模型細(xì)節(jié)，但會保留噪聲點。雙邊濾波算法可以有效去除噪聲，但不能保留模型的細(xì)節(jié)。平均曲率流算法依賴于曲率估計，適用于模型簡單、噪聲點少的數(shù)據(jù)。

3.4.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過點云配準(zhǔn)校正來實現(xiàn)，配準(zhǔn)有3種方式，即自動提取目標(biāo)(靶球和靶紙)自動配準(zhǔn)、無目標(biāo)自動配準(zhǔn)、手動配準(zhǔn)。本次試驗采取自動提取目標(biāo)方式。通過標(biāo)靶球的絕對坐標(biāo)，利用Trimble RealWorks軟件進(jìn)行變換解算，把點云成果坐標(biāo)系定義為目標(biāo)坐標(biāo)系[19]。

為了避免坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差累加在離控制點較遠(yuǎn)的區(qū)域上，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算主要采用仿射變換方式，使點云配準(zhǔn)校正誤差盡量平均分布。

3.4.5 特征數(shù)據(jù)提取與分析

在點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提取過街人行隧道特征數(shù)據(jù)主要有平面位置、縱橫斷面、埋深、地下與地面建筑物相關(guān)位置等。

3.4.5.1 過街人行隧道輪廓線的快速提取

利用Trimble RealWorks軟件的“特征集”功能提取過街人行隧道數(shù)據(jù)，再用“切面工具”生成輪廓線，也可以將數(shù)據(jù)以ASC格式導(dǎo)入AutoCAD進(jìn)行矢量圖繪制，形成DLG線劃平面圖。過街人行隧道輪廓線，如圖4所示。

圖4 過街人行隧道輪廓線示意圖Fig.4 Diagram of pedestrian tunnel contour line

3.4.5.2 縱斷面分析

操作Trimble RealWorks軟件，先定義切割面，再利用“縱切切面工具”根據(jù)點云走勢自動高效生成截面效果圖，制作過街人行隧道縱斷面(見圖5)。根據(jù)縱斷面圖，可以分析過街人行隧道的縱向形狀、坡度、埋深、高度、與地面建筑物位置關(guān)系等信息。

圖5 隧道縱斷面示意圖Fig.5 Profile diagram of tunnel

3.4.5.3 橫斷面分析

采用 Trimble RealWorks軟件的“特征集”功能提取過街人行隧道數(shù)據(jù)，建立特征集數(shù)據(jù)庫，新建過街人行隧道特征碼，對過街人行隧道特征點進(jìn)行分類提取，采用軟件“橫切切面工具”制作過街人行隧道中間段的橫斷面(見圖6)，可以分析過街人行隧道的截面等信息。

圖6 過街人行隧道中間連接段的橫斷面示意圖Fig.6 Cross section diagram of intermediate connect section for pedestrian tunnel

3.5 精度驗證

為了驗證成果的可靠性，利用全站儀采集16個地面及過街人行隧道中的特征點三維坐標(biāo)，將其坐標(biāo)值與點云數(shù)據(jù)上量取的坐標(biāo)值相比較，計算特征點的坐標(biāo)誤差，結(jié)果見表2。其中15、16號點為地面控制點，2、3、4、5、7、8、9、10號點為隧道中特征點，1、6、11、12、13、14號點為地面特征點。

表2 特征點坐標(biāo)差統(tǒng)計表

注：表2中，坐標(biāo)數(shù)據(jù)已經(jīng)做了加密處理。

從表2中的計算結(jié)果可知：X坐標(biāo)差絕對值在0.012～0.089 m之間，平均值為0.041 m；Y坐標(biāo)差絕對值在0.012～0.093 m之間，平均值為0.037 m；Z坐標(biāo)差絕對值在0.015～0.098 m之間，平均值為0.051 m；地下特征點精度略差于地面特征點精度，符合3D SLAM掃描儀的工作特性，總體精度可以滿足城市測量相關(guān)技術(shù)要求。

4 結(jié)論

試驗證明，基于3D SLAM移動式三維激光掃描儀的地上地下空間一體化測繪方法與傳統(tǒng)測繪方法相比具有作業(yè)高效、信息豐富、測量精度高等優(yōu)點。具體如下：

1)3D SLAM移動式三維激光掃描儀操作簡單、掃描效率高、可連續(xù)掃描，比傳統(tǒng)測繪方法更加節(jié)約生產(chǎn)成本，適合地下空間測繪大批量使用。

2)基于 3D SLAM技術(shù)的測繪方法不依賴于GNSS信號，可以同時進(jìn)行地下與地面一體化三維測繪作業(yè)，并且三維坐標(biāo)測量可達(dá)10 cm精度，滿足地下空間三維測繪技術(shù)相關(guān)規(guī)定。

3)利用軟件的二三維聯(lián)動分析功能，結(jié)合豐富的屬性信息，對激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行地下與地面聯(lián)動分析，可有效解決地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且隱蔽導(dǎo)致難以量測的問題。

試驗表明，3D SLAM移動式三維激光掃描技術(shù)能夠解決地下空間一體化三維測繪中存在的難題，為地上地下空間一體化測繪提供新的技術(shù)方法，具有較好的應(yīng)用前景。