摘 要：針對(duì)元宇宙、數(shù)字孿生領(lǐng)域存在的算力限制、VR終端成熟度不足和內(nèi)容構(gòu)建高成本的三大痛點(diǎn)，本項(xiàng)目提出了一種實(shí)景三維重構(gòu)技術(shù)，該技術(shù)的核心在于融合了國內(nèi)最長探測距離的小型隔爆式激光雷達(dá)、手持式激光三維掃描儀以及自主開發(fā)的高精度建圖軟件。通過激光雷達(dá)與視覺RGB的數(shù)據(jù)融合，可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)十秒內(nèi)對(duì)1 000 m3的空間進(jìn)行快速掃描，并獲取三維點(diǎn)云信息。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了輕量化、三角化平面擬合等處理，從而使得數(shù)據(jù)掃描與處理的速度更快、實(shí)景三維重建的效率更高。

關(guān)鍵詞：三維重構(gòu)；激光雷達(dá)；數(shù)字孿生；元宇宙

1 作品介紹

為了助力礦區(qū)惡劣環(huán)境測繪和保障采空區(qū)安全，從應(yīng)用場景出發(fā)，融合隔爆式激光雷達(dá)、手持式激光三維掃描儀和自主開發(fā)的高精度建圖軟件，提出了一種實(shí)景三維重構(gòu)技術(shù)。

ZW-LiDAR-16防爆激光雷達(dá)是國內(nèi)首款最長探測距離的隔爆式小型激光雷達(dá)，主要面向油氣站和化工廠等Ⅱ類防爆場景中的無人巡檢監(jiān)測、機(jī)器人環(huán)境感知和無人機(jī)測繪等領(lǐng)域。防爆類別為IIC類，IIC類為Ⅱ類防爆電氣設(shè)備中的最高等級(jí)，適用于包括丙烷、乙烯、氫氣等在內(nèi)的爆炸性氣體環(huán)境。

團(tuán)隊(duì)開發(fā)了高精度建圖軟件，包括以下五個(gè)功能：（1）讀取ROS包，展示bag文件信息；（2）根據(jù)錄制的ROS包建立點(diǎn)云圖，進(jìn)行Rviz輸出；（3）建圖過程可視化，可即時(shí)保存點(diǎn)云圖、查看地圖及軌跡信息；（4）根據(jù)建圖場景修改建圖參數(shù)；（5）激光雷達(dá)和IMU標(biāo)定。

在元宇宙賽道中，開發(fā)者都致力于為用戶提供沉浸式的3D環(huán)境，而本項(xiàng)目則在技術(shù)層面有效助力元宇宙的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。我們所提供的傳感器掃描設(shè)備與建圖服務(wù)均可應(yīng)用在云旅游、大型游戲和文物保護(hù)等場景的構(gòu)建，為其提供高精度、輕量化和高性價(jià)比的三維重構(gòu)設(shè)備與云服務(wù)。

本項(xiàng)目基于已經(jīng)開發(fā)成熟的隔爆式激光雷達(dá)探測技術(shù)和點(diǎn)云擬合重構(gòu)技術(shù)，能很好地完成地下空間的三維測繪及機(jī)器人定位測量工作。激光雷達(dá)的隔爆技術(shù)和探測技術(shù)作為本項(xiàng)目的基礎(chǔ)，當(dāng)前研究已經(jīng)非常成熟。本項(xiàng)目的核心在于如何將這些技術(shù)與點(diǎn)云擬合技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于地下環(huán)境的測繪和在地下工作的機(jī)器人的定位上。

2 技術(shù)原理

當(dāng)前市場上擁有防爆能力的雷達(dá)稀少，而且相當(dāng)一部分產(chǎn)品不重視探測能力，導(dǎo)致市面上的防爆激光雷達(dá)探測距離不足20 m，點(diǎn)云精度和穩(wěn)定性也難以滿足實(shí)際使用要求。而ZW-LiDAR-16防爆激光雷達(dá)作為國內(nèi)首款最長探測距離的隔爆式小型激光雷達(dá)，采用了纖維增韌特種材料防爆激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)，并利用CAE迭代計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化了數(shù)百萬次，極大地降低了結(jié)構(gòu)尺寸。該雷達(dá)已取得Ⅱ類防爆認(rèn)證，以及由國家低壓防爆電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心頒發(fā)的“防爆電氣設(shè)備防爆合格證”，產(chǎn)品適用于包括丙烷、乙烯、氫氣等在內(nèi)的各種爆炸性氣體環(huán)境。防爆激光雷達(dá)產(chǎn)品如圖1所示。

本項(xiàng)目開發(fā)了用于實(shí)現(xiàn)高精度三維建圖的軟件。軟件基于激光雷達(dá)、IMU和GPS多種傳感器的因子圖優(yōu)化方案，并在幀圖匹配中使用幀-局部地圖取代幀-全局地圖，從而加速優(yōu)化過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位建圖。傳感器的融合使得該方法即使在快速運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)下也能精確實(shí)現(xiàn)定位與建圖。建圖測試結(jié)果如圖2所示。

為面向更大的用戶群體，完善了軟件在人機(jī)交互方面的不足，根據(jù)用戶需求添加了多種功能：（1）可選激光雷達(dá)線數(shù)：目前暫可選16線或32線；（2）可選所用傳感器：可以選擇利用單一激光雷達(dá)或采用多傳感器融合方式進(jìn)行建圖，并且建圖參數(shù)可根據(jù)用戶建圖的實(shí)際場景進(jìn)行修改；（3）本軟件添加了標(biāo)定模塊：用戶可根據(jù)自己搭建的實(shí)際場景進(jìn)行激光雷達(dá)、IMU的標(biāo)定；（4）建圖過程可視化：可保存并查看已建地圖、運(yùn)動(dòng)軌跡。軟件使用界面和建圖結(jié)果如圖3所示。

針對(duì)元宇宙發(fā)展中算力限制、VR終端的成熟度限制、內(nèi)容構(gòu)建的高成本的市場痛點(diǎn)，本項(xiàng)目通過激光雷達(dá)+視覺RGB的數(shù)據(jù)融合方案，實(shí)現(xiàn)在數(shù)十秒內(nèi)對(duì)1 000 m3的空間進(jìn)行快速掃描并獲取三維點(diǎn)云信息，將獲取的RGB信息附著于三維點(diǎn)云信息上，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化平面擬合（激光雷達(dá)每秒生成30～60萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將會(huì)形成上千萬個(gè)三角化平面），并通過語義分割、特征提取等方式進(jìn)行輕量化處理。較之于其他設(shè)備，本項(xiàng)目的輕量化方法可以實(shí)現(xiàn)更快速、更高效的掃描與處理數(shù)據(jù)，且不需要高算力的設(shè)備，從而擺脫元宇宙發(fā)展的算力限制與內(nèi)容構(gòu)建的高成本困擾。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及市場前景

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)不能兼顧隔爆性能和探測性能，而本項(xiàng)目中的隔爆技術(shù)已經(jīng)突破了這個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的點(diǎn)云重建可能會(huì)不光滑或空洞比較多，本項(xiàng)目對(duì)此加以改進(jìn)，使得重建表面更加光滑，并且能有效地與雷達(dá)探測技術(shù)相結(jié)合，完成地下空間的測繪及機(jī)器人定位工作。通過對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行點(diǎn)云重建，擬合平面，從而測出掘進(jìn)機(jī)或礦井機(jī)器人的位置及姿態(tài)，保證高精度地反饋其狀態(tài)，為掘進(jìn)機(jī)或其他井下機(jī)器人的無人化作業(yè)及智慧礦山建設(shè)奠定基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的研究成果除了可以直接應(yīng)用于礦井巷道的測繪問題，還能應(yīng)用于其他場合的測繪、測量作業(yè)中，如建筑測量、管道測量、暗涵病灶排查測量、倉儲(chǔ)體積測量等。

隨著“十四五”規(guī)劃的提出，實(shí)景三維技術(shù)順勢而“升”，國家數(shù)字化轉(zhuǎn)型、基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型、自然資源管理現(xiàn)代化建設(shè)等規(guī)劃進(jìn)程的推進(jìn)加快了實(shí)景三維技術(shù)變革的步伐。同時(shí)，隨著VR技術(shù)的推廣與元宇宙等數(shù)字孿生技術(shù)的落地，線下實(shí)體模型與線上虛擬模型的交互將愈加頻繁，通過傳感器等技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)的實(shí)景三維重構(gòu)技術(shù)將是建設(shè)元宇宙的重要支撐。三維重構(gòu)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)表達(dá)客觀世界的關(guān)鍵技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等?？臻g三維實(shí)景建模技術(shù)能夠真實(shí)地反映地物情況，高精度地獲取模型的紋理信息，建立高質(zhì)量、高精度的三維模型。三維測繪具有全方位實(shí)景展示和實(shí)時(shí)測量的特點(diǎn)，可應(yīng)用于城鎮(zhèn)規(guī)則改造、水利水電、復(fù)雜地形測繪、土方計(jì)算及輔助設(shè)計(jì)。2020年全球三維重構(gòu)技術(shù)市場規(guī)模達(dá)到了2.96億美元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到8.41億美元。

2020年八部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》后，各主要采煤省份積極響應(yīng)號(hào)召并出臺(tái)相關(guān)政策，智慧礦山建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行。礦山企業(yè)亟需通過礦山信息化、智慧化建設(shè)應(yīng)對(duì)日趨激烈的市場競爭壓力。煤炭行業(yè)作為傳統(tǒng)能源行業(yè)，為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、管理效率提升的目標(biāo)，也亟需與數(shù)字化、智能化相結(jié)合。在此背景下，三維測繪與重構(gòu)將成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，實(shí)景三維重構(gòu)技術(shù)具有廣闊的市場前景。