背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用

楊 銘

(上海市測繪院，上海 200129)

經(jīng)過多年發(fā)展，基于GNSS的移動掃描測量系統(tǒng)已經(jīng)相對成熟，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，可在快速移動過程中實時獲取周邊地物的點云及影像信息。然而，此類系統(tǒng)雖然速度快、精度高，但其對GNSS信號有著較強的依賴，且價格不菲、生產(chǎn)成本高，應(yīng)用領(lǐng)域受到諸多限制。

近年來，隨著同步定位與制圖(SLAM)技術(shù)，以及點云配準(zhǔn)(ICP)算法的發(fā)展，背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)運而生。其可在沒有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)物體的三維點云數(shù)據(jù)。且不同于傳統(tǒng)的車載移動掃描系統(tǒng)，此類設(shè)備由人員背載，在數(shù)據(jù)采集過程中可以根據(jù)需要隨時上下移動，人員能經(jīng)過的地方都能進行數(shù)據(jù)獲取，對工作環(huán)境要求低，適應(yīng)性強，可廣泛應(yīng)用于歷史風(fēng)貌保護、地下空間測繪、竣工測量、地籍測量等多個測繪領(lǐng)域。

背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)作為一類新興的測繪設(shè)備，其在國內(nèi)外的應(yīng)用還處于起步階段，相關(guān)的應(yīng)用研究相對較少。對此，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，然后通過數(shù)據(jù)采集試驗驗證此類設(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種類型：單純依靠SLAM、SLAM+GNSS、IMU+點云配準(zhǔn)。這3種類型各有利弊，下面將結(jié)合具體設(shè)備對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究。

1.1 單純依靠SLAM

SLAM技術(shù)起源于機器人視覺領(lǐng)域，其可在沒有GNSS和IMU的情況下，在雜亂無章的點云中尋找線索，求取其中隱含的高階特征點和特征向量，并連續(xù)跟蹤這些特征點和特征向量，進而動態(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)進行整合，通過閉合環(huán)檢測和連續(xù)特征匹配等高精度算法，將點云自動拼接，并最終得到高精度點云成果。

目前，單純依靠SLAM技術(shù)的背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)相對較少，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激光影像背包測繪機器人。該系統(tǒng)由5部分組成：全景相機、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激光影像背包測繪機器人

該設(shè)備的技術(shù)特點如下：

(1) 數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣：配有兩個激光掃描儀，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)的點云數(shù)據(jù)采集。

(2) 操作簡單方便：一鍵啟動，無需初始化，開機后便可進行數(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，可獲得具有真彩色信息的點云數(shù)據(jù)。

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

1.2 SLAM+GNSS

單純依靠SLAM技術(shù)的背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)點，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算法的定位精度會很高；但是當(dāng)周邊環(huán)境特征較少或十分雷同時，定位精度會顯著下降。這種情況一般發(fā)生在室外開闊區(qū)域，在此類環(huán)境下進行數(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，如果仍然單純依靠SLAM技術(shù)進行定位，可能會導(dǎo)致計算無法收斂，從而無法獲得合格的點云成果。

對此，可將SLAM與GNSS結(jié)合，在室內(nèi)或狹窄道路等無GNSS信號的區(qū)域使用SLAM技術(shù)進行定位解算，而在室外開闊區(qū)域使用GNSS結(jié)合IMU慣導(dǎo)進行定位解算，從而進一步增強適用性，擴大應(yīng)用領(lǐng)域。

Leica公司推出的Pegasus Backpack移動測量背包系統(tǒng)便是此種類型的設(shè)備。它是當(dāng)前市場上集高性能、高精度、便攜性于一體的高端移動測量背包系統(tǒng)，贏得了2016年紅點設(shè)計大獎、2015年德國威克曼創(chuàng)新大獎。其配備5個相機和2個激光掃描儀，操作簡單，佩戴舒適，使用靈活，適用于多種測繪領(lǐng)域(如圖2所示)。

圖2 Pegasus Backpack移動測量背包系統(tǒng)

通過搭載三頻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可進行室內(nèi)外一體化點云數(shù)據(jù)采集，精度達到厘米級。

1.3 IMU+點云配準(zhǔn)

除了使用SLAM算法進行定位，目前還出現(xiàn)了一種基于IMU結(jié)合點云配準(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系列移動測量背包系統(tǒng)

該設(shè)備通過兩個階段進行點云數(shù)據(jù)自動拼接，首先是在較短的距離內(nèi)(5 m)利用IMU進行位置解算，獲得一段點云數(shù)據(jù)；然后在數(shù)據(jù)采集完成后，利用點云配準(zhǔn)算法(ICP)對各分段點云數(shù)據(jù)進行整體平差，從而得到高精度的點云成果，如圖4所示。

圖4 分段解算+整體平差

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

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

(2) 整體精度更高：SLAM算法主要是通過閉合環(huán)檢測和連續(xù)特征匹配來提高最終的點云成果精度，當(dāng)閉合環(huán)過長或沒有閉合時，誤差積累會十分大，且無法得到很好的分配；而上述方法通過分段點云之間的公共部分，利用ICP算法進行全局整體配準(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，其最終的點云拼接質(zhì)量會受到較大的影響。

2 精度驗證與效率分析

為驗證上述3類設(shè)備的精度與效率，本文進行了數(shù)據(jù)采集試驗，地點為上海某一辦公樓(室內(nèi)外)。試驗時首先使用背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，然后利用常規(guī)測量手段對點位精度、間距精度及高程精度進行檢核，最后對數(shù)據(jù)采集與處理的效率進行綜合分析。

2.1 試驗方案

2.1.1 測試場景

(1) 室外部分：辦公樓3個外立面，正門門口外推約100 m的路面。

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

2.1.2 測試要求

(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，處理之后的點云數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系統(tǒng)中。

2.2 試驗結(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)果匯總見表1。

由表1可得，3種類型的背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在平面點位精度和間距精度上均優(yōu)于5 cm，基本處在同一量級。然而在高程精度上，3類設(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+點云配準(zhǔn)的設(shè)備為-14.4 cm，而單純依靠SLAM的設(shè)備達到了27.3 cm。

高程檢測點主要分布在室外道路部分，而高程較差較大的檢測點都與辦公樓有一定距離，且距離越遠較差越大。造成該結(jié)果的原因主要為：單純依靠SLAM和IMU+點云配準(zhǔn)的定位方式需要依賴周邊環(huán)境的特征形態(tài)，當(dāng)處于較開闊的室外區(qū)域(如本試驗中的道路部分)，由于缺少足夠的立面數(shù)據(jù)用于匹配，其高程定位精度會受到很大影響。此外，單純依靠SLAM的定位方式主要通過閉合環(huán)檢測來分配誤差，在本試驗中，道路部分有100余米，導(dǎo)致閉合環(huán)較長，從而進一步影響定位精度。

表1 精度檢核結(jié)果匯總 cm

(1) 平面點位精度：3種類型設(shè)備的測量數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)(2″級全站儀)的對比情況如圖6所示。

圖6 平面點位精度統(tǒng)計

(2) 間距精度：3種類型設(shè)備的測量數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)(2″級全站儀+鋼卷尺)的對比情況如圖7所示。

圖7 間距精度統(tǒng)計

(3) 高程精度：3種類型設(shè)備的測量數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)(三角高程)的對比情況如圖8所示。

圖8 高程精度統(tǒng)計

2.2.3 作業(yè)效率統(tǒng)計

作業(yè)效率統(tǒng)計見表2。

表2 作業(yè)效率統(tǒng)計

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)測量手段。其中，單純依靠SLAM和IMU+點云配準(zhǔn)的設(shè)備外業(yè)采集速度較快，其原因為這兩類設(shè)備的初始化過程短，而SLAM+GNSS的設(shè)備由于數(shù)據(jù)采集前和結(jié)束后需要進行一段時間的初始化及收斂計算，其外業(yè)數(shù)據(jù)采集時間相對較長。

在內(nèi)業(yè)方面，IMU+點云配準(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)，計算量較大，數(shù)據(jù)預(yù)處理效率相對較低；而SLAM+GNSS的設(shè)備在SLAM的基礎(chǔ)上還引入的GNSS定位算法，計算量更大，外業(yè)與內(nèi)業(yè)時間比達到了1∶4.5。

3 結(jié) 語

實踐表明，背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在平面精度上能滿足一般測繪項目(如大比例尺地形圖測繪)的要求，但在高程精度上仍存在一定的差距。為進一步提高精度，可作兩方面改進：一是修改算法，引入更多的限制條件，如控制點、固定長度等；二是進行多傳感器、多算法的融合，將GNSS、IMU、SLAM、ICP等多種定位方式結(jié)合到一起，實現(xiàn)聯(lián)合解算，滿足室內(nèi)外不同場景的應(yīng)用需求。相比于傳統(tǒng)測量設(shè)備，背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)具有速度快、信息量大、實時性強、自動化程度高等優(yōu)點。如果能在不降低現(xiàn)有作業(yè)效率的前提下進一步提升測量精度，背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在測繪領(lǐng)域必將取得更廣闊的應(yīng)用。