3D SLAM移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在城市測(cè)繪工程項(xiàng)目中精度分析

嚴(yán)立，井發(fā)明

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

三維激光數(shù)據(jù)掃描具有不接觸物體、測(cè)量精度高、速度快、信息豐富等特點(diǎn)，目前在測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。基于三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集方式包括靜態(tài)激光掃描、移動(dòng)車載掃描、推車掃描、機(jī)載激光掃描等，靜態(tài)掃描需要大量搬站，掃描效率低，容易造成地物遺漏，不適合城市測(cè)量中較大范圍的掃描；推車掃描適用于路面較平整的室內(nèi)外，無法在復(fù)雜的城市測(cè)量環(huán)境中應(yīng)用；移動(dòng)車載掃描適用在道路開闊平整的街道等，且無法進(jìn)行室內(nèi)掃描；機(jī)載激光掃描需要無人機(jī)作為載體，且只能掃描頂部和部分側(cè)面數(shù)據(jù)，其也無法滿足城市測(cè)量應(yīng)用要求。

3D SLAM移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在傳統(tǒng)移動(dòng)式三維激光測(cè)量基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)采集方式，采用背包式激光掃描，提高數(shù)據(jù)采集的便攜性和適用性。目前基于3D SLAM的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要分為集成GPS和非集成GPS。后者采集的數(shù)據(jù)無法直接獲取絕對(duì)坐標(biāo)系坐標(biāo)，需布設(shè)大量同名控制點(diǎn)進(jìn)行糾正，而3D SLAM和GPS結(jié)合的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取WGS84坐標(biāo)系下三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文在城市測(cè)繪具體項(xiàng)目中(室內(nèi)測(cè)量、道路竣工、小區(qū)竣工、普通建筑竣工)，引入該系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量方式，將采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證分析，證明基于3D SLAM移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在城市測(cè)繪中的適用性。

2 3D SALM移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

本文中所采用的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是一款徠卡公司基于3D SALM研發(fā)的背包式測(cè)量系統(tǒng)(Pegasus Backpack)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化三維激光掃描測(cè)量，適應(yīng)于移動(dòng)測(cè)量、地圖制圖三維建模等領(lǐng)域。系統(tǒng)主要包括2個(gè)激光掃描儀、GPS接收機(jī)、5個(gè)全景相機(jī)、IMU、平板控制平臺(tái)、電池和框架。移動(dòng)實(shí)景測(cè)量系統(tǒng)克服復(fù)雜環(huán)境對(duì)普通移動(dòng)測(cè)量的限制，可應(yīng)用于樓梯、礦場、碼頭和隧道等場景。在人行走過程中，即可實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)，無須架站搬站，且在控制平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前采集點(diǎn)云范圍。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①高精度GNSS和IMU慣性導(dǎo)航定位；②室內(nèi)外一體化測(cè)量；③同步獲取真彩色點(diǎn)云和照片；④操作簡單、使用靈活。

3D SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)是一種在人工智能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，主要解決物體在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和特征點(diǎn)迭代匹配，實(shí)時(shí)進(jìn)行自主定位并構(gòu)建增量式地圖問題。在測(cè)繪領(lǐng)域中，移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)目標(biāo)是利用SLAM技術(shù)在誤差最小化約束條件下獲取觀測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，解決GPS信號(hào)弱情況下無法定位問題。3D SLAM移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟主要包括：

(1)基于IMU和GPS初始數(shù)據(jù)，利用SLAM數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)特征點(diǎn)匹配；

(2)將匹配好的SLAM數(shù)據(jù)，通過多幀匹配和閉環(huán)檢測(cè)，反過來精算POS數(shù)據(jù)；

(3)將精算后的POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行整體連續(xù)匹配；

(4)解算精密點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集與驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)采集

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集流程主要包括GPS接收機(jī)架設(shè)，系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理等，如圖1所示。在已知控制點(diǎn)上架設(shè)靜態(tài)GPS接收機(jī)主要是為了數(shù)據(jù)后差分處理；系統(tǒng)初始化主要包括慣導(dǎo)啟動(dòng)；數(shù)據(jù)處理包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)化、差分計(jì)算、點(diǎn)云抽稀等。

圖1 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程

3.2 精度檢驗(yàn)方法

精度檢驗(yàn)主要包括相對(duì)精度檢驗(yàn)和絕對(duì)精度檢驗(yàn)。相對(duì)精度檢驗(yàn)主要是在不同坐標(biāo)系下，量取傳統(tǒng)方式獲取成果中的特征點(diǎn)和特征線，然后量測(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征線值，比較兩個(gè)特征線誤差；絕對(duì)精度是在同一坐標(biāo)系下，比較相同位置特征點(diǎn)的坐標(biāo)誤差。

圖2 相對(duì)精度檢驗(yàn)和絕對(duì)精度檢驗(yàn)流程

相對(duì)精度驗(yàn)證的主要步驟如圖2所示，包括背包測(cè)量數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化，傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)采集(全站儀、RTK)，數(shù)據(jù)特征點(diǎn)選取，特征線距離量測(cè)，點(diǎn)云特征線作為觀測(cè)值，傳統(tǒng)方式采集的特征線作為檢核值，按照式(1)計(jì)算差值：

特征線差值=觀測(cè)值-檢核值

(1)

絕對(duì)精度驗(yàn)證的主要步驟包括背包測(cè)量數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理，坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化，傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)特征點(diǎn)選取，將點(diǎn)云特征點(diǎn)作為觀測(cè)值，傳統(tǒng)方式作為檢核值，按照式(2)計(jì)算點(diǎn)位差值：

(2)

其中x0、y0為點(diǎn)云觀測(cè)值坐標(biāo)，x1、y2為點(diǎn)云觀測(cè)值坐標(biāo)。

最后，根據(jù)差值計(jì)算點(diǎn)位中誤差作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)精度的標(biāo)準(zhǔn)：

(3)

4 數(shù)據(jù)采集與精度分析

4.1 室內(nèi)測(cè)量

本次測(cè)量的室內(nèi)區(qū)域?yàn)閷幉ㄒ?guī)劃大廈地下停車場，背包測(cè)量約為 20 min，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后在Terrasolid中展開，如圖3所示，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)選取柱子和房角點(diǎn)作為特征點(diǎn)，然后獲取特征點(diǎn)間的水平距離作為觀測(cè)值；同時(shí)利用全站儀在實(shí)際停車場內(nèi)獲取對(duì)應(yīng)的同名特征點(diǎn)和特征線的水平距離作為檢核值，得到室內(nèi)停車場平面精度結(jié)果，如表1所示。

4.2 道路竣工

本次實(shí)驗(yàn)的道路為新竣工道路，長500 m，寬 10 m，包含完整路面、路燈、廣告牌、斑馬線等地物，掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過靜態(tài)差分、影像著色、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等預(yù)處理后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和 1∶500地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，兩者基本上吻合，在道路邊線上存在一些偏差。從點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)中提取兩側(cè)路燈中心點(diǎn)作為平面坐標(biāo)觀測(cè)值，然后從地形圖中獲取的路燈坐標(biāo)作為檢核值，19個(gè)點(diǎn)計(jì)算誤差，結(jié)果如表2所示：

道路平面精度檢核結(jié)果 表2

4.3 規(guī)劃小區(qū)竣工

本次實(shí)驗(yàn)的小區(qū)為新建成規(guī)劃小區(qū)部分?jǐn)?shù)據(jù)，包含兩幢30層高層建筑，一幢17層小高層，4幢6層的多層建筑，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過影像著色、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等預(yù)處理后，將小區(qū)規(guī)劃竣工圖與地形圖進(jìn)行疊加，獲取點(diǎn)云房角點(diǎn)作為觀測(cè)值，在竣工圖中獲取其同名房角點(diǎn)作為檢核值，并對(duì)34個(gè)點(diǎn)進(jìn)行誤差計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

圖4 規(guī)劃小區(qū)

規(guī)劃小區(qū)平面精度檢核結(jié)果 表3

4.4 普通建筑竣工

選取的建筑為寧波東部新城新建的寫字樓，包括規(guī)劃大廈和工商大廈，相對(duì)于小區(qū)居民建筑，該建筑物間距離為 40 m左右，GPS信號(hào)較好，按“8”字形路線行走，行走距離為 700 m左右，獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

在獲取的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，選取房角點(diǎn)作為觀測(cè)值，并在竣工圖中獲取對(duì)應(yīng)的房角點(diǎn)作為檢核值，對(duì)23個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位差值和中誤差計(jì)算，得到的結(jié)果如表4所示：

圖5 規(guī)劃大廈建筑群

4.5 精度分析

(1)將室內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)和普通建筑測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)選取特征點(diǎn)間距離和對(duì)應(yīng)檢核距離間的差值建立誤差統(tǒng)計(jì)分布圖，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加其誤差存在一個(gè)增大趨勢(shì)。

(2)在小區(qū)測(cè)量中，將檢核點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的誤差在ArcGIS進(jìn)行可視化分級(jí)表示，并與 1∶500地形圖進(jìn)行疊加，顏色越深誤差越大，可發(fā)現(xiàn)北面的房子誤差較大，南面的房子誤差較小，如圖7所示。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)北面有30層的高層對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生遮擋，而南面為7層的多層，GPS信號(hào)相對(duì)較好，因此小區(qū)等建筑密集區(qū)GPS信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)測(cè)量有著重要影響。

圖6距離差值統(tǒng)計(jì)分布

圖7 小區(qū)檢核點(diǎn)誤差分布

(3)通過掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的有效觀測(cè)距離為 50 m～70 m，不能滿足遠(yuǎn)距離測(cè)量項(xiàng)目，比如高層房產(chǎn)側(cè)面測(cè)量等。

5 結(jié) 語

本文基于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在城市測(cè)量應(yīng)用中進(jìn)行研究，分析其在具體測(cè)量業(yè)務(wù)中的精度。試驗(yàn)表明室內(nèi)測(cè)量中，在相對(duì)坐標(biāo)系下具有較高的平面精度，室內(nèi)為 2.5 cm；在室外測(cè)量的絕對(duì)坐標(biāo)系下，道路竣工為 14 cm，小區(qū)規(guī)劃竣工 18 cm，建筑群竣工為 9 cm，且根據(jù)誤差分布情況發(fā)現(xiàn)GPS信號(hào)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)精度有重要影響，隨著觀測(cè)點(diǎn)間距離越大誤差也存在增長趨勢(shì)。由此看出，移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可滿足室內(nèi)和GPS信號(hào)較好區(qū)域的高精度數(shù)據(jù)采集，相對(duì)于車載移動(dòng)測(cè)量對(duì)環(huán)境的限制，背包式移動(dòng)測(cè)量更具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。如何利用SLAM技術(shù)解決室外GPS信號(hào)失鎖區(qū)域的數(shù)據(jù)采集精度是下一步解決的問題。