東英測繪——激光SLAM 技術(shù)在大比例尺城市地形測繪中的應(yīng)用

為探索新型測繪技術(shù)在城市基礎(chǔ)測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，利用 SLAM 技術(shù)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大比例尺地形圖中建筑物要素的提取與繪制。第一，通過外業(yè)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算與點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換， 獲得滿足生產(chǎn)條件的城市坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù); 然后， 通過矢量提取軟件進(jìn)行建筑物輪廓的矢量提取與編輯成圖， 并通過傳統(tǒng)高精度的測繪方式對 SLAM 技術(shù)掃描點(diǎn)云提取的建筑物精度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明， 利用 SLAM 技術(shù)激光掃描點(diǎn)云提取的建筑物信息， 能滿足《城市測量規(guī)范》中規(guī)定的點(diǎn)位精度與間距精度要求。本文以北京市某小區(qū)為研究對象， 使用 SLAM 技術(shù)激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集， 利用內(nèi)業(yè)解算軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算與處理。通過在采集路線布設(shè)城市坐標(biāo)標(biāo)靶紙的方式將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到城市坐標(biāo)系下。重點(diǎn)探討利用 SLAM 激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)大比例尺城市建筑物測繪的方法及流程。

1 大比例尺城市建筑物測繪

1.1 技術(shù)流程

利用 SLAM 激光掃描技術(shù)進(jìn)行城市建筑物地形測繪， 主要包括數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理。由于采集數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系為以數(shù)據(jù)采集初始位置為零點(diǎn)的自定義坐標(biāo)系， 因此， 需要在數(shù)據(jù)采集路線上布設(shè)具有城市坐標(biāo)的 A4 標(biāo)靶紙，通過 A4 標(biāo)靶紙將點(diǎn)云整體匹配到地方獨(dú)立坐標(biāo)系中。然后對采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)解算、 矢量提取與繪制成圖， 最后與全站儀測量建筑物的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明， 利用 SLAM 技術(shù)采集的點(diǎn)云繪制成圖的精度滿足《城市測量規(guī)范》中的 1:500地形圖測圖要求，從而驗(yàn)證了利用 SLAM 激光掃描技術(shù)測量建筑物的可行性。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

《城市測量規(guī)范》 中關(guān)于地形測量精度的要求如表 1 所示。按照《城市測量規(guī)范》的要求， 在平地、 丘陵區(qū)域，1:500地形圖測圖規(guī)定間距中誤差不超過± 20 cm，平面點(diǎn)位中誤差不得超過 ± 25 cm。本試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槠皆瓍^(qū)域， 所以， 建筑物平面點(diǎn)位絕對精度需滿足 ±25 cm， 相對精度需滿足 ± 20 cm。

1.3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

1.3.1 GeoSlam手持式激光掃描儀

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用GeoSlam手持式激光掃描儀進(jìn)行采集，如下圖所示。GeoSlam手持式激光掃描儀提供了一種快速獲取被掃地物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法， 它無需像傳統(tǒng)掃描儀那樣設(shè)置掃描參數(shù)及后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接， 用戶在測區(qū)掃描作業(yè)時(shí)， 便可實(shí)時(shí)得到與傳統(tǒng)掃描儀需經(jīng)后處理才能得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。GeoSlam手持式激光掃描儀由 安裝在電機(jī)上的 IMU 系統(tǒng)和靠 TOF(飛行時(shí)間) 傳感器工作的掃描頭構(gòu)成， 它采用一種全新的三維實(shí)時(shí)定位與映射(SLAM) 算法， 結(jié)合二維激光掃描數(shù)據(jù)與 IMU 數(shù)據(jù)， 生成精確的三維點(diǎn)云。GeoSlam手持式激光掃描儀中的系統(tǒng)處理器可將 3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)均勻、實(shí)時(shí)地拼接在一起， 并且可以加載到GeoSLAM HUB 軟件中做進(jìn)一步處理， 同時(shí)輸出各種格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集方式

SLAM 算法可以通過先前已知的位置來確定其當(dāng)前位置， 但是這種算法的缺點(diǎn)在于如果存在其他誤差， 會導(dǎo)致測量點(diǎn)的漂移。通過走“閉合回路”，重新測量已知位置， 可以有效減少誤差的引入。激光數(shù)據(jù)采集時(shí)， 最基本的原則是必須在相同的位置開始測量和結(jié)束測量， 以確保至少有一個(gè)環(huán)路閉合。在可能的情況下， 應(yīng)盡可能地頻繁走閉合路線， 使誤差最小化， 提高點(diǎn)云的精度。測量路線最好是圓環(huán)而不是“往復(fù)”地循環(huán)， 對閉環(huán)區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)掃描，以確保從多角度掃描關(guān)鍵特征位置。

1.3.3 數(shù)據(jù)采集中注意事項(xiàng)

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中， 應(yīng)注意以下 4 點(diǎn):

1) 在光滑通道中掃描特征點(diǎn)較少， SLAM 算法沒有足夠的特征點(diǎn)來確定運(yùn)動軌跡， 因此， 在特征點(diǎn)較少的環(huán)境中， 可使用附加特性來增強(qiáng)環(huán)境。例如，行進(jìn)路線中 的箱子或露天停車場的車輛， 通過將GeoSlam 指向特定的方向， 確保在移動環(huán)境時(shí)重復(fù)掃描任何可用的有限特征。這樣做可對特征物增加更多的測量點(diǎn)， 也就增加了 SLAM 算法使用該特征的可能性， 尤其是那些特征位于較遠(yuǎn)距離( ＞10 m) 時(shí)。例如， 當(dāng)掃描具有光滑壁的通道時(shí)，唯一的特征就是通道盡頭的墻壁或門。

2) 掃描過程中避免掃描移動對象(如經(jīng)過的行人或車輛) ， 因?yàn)?SLAM 算法能鎖定這些對象并作為靜態(tài)特征。對于彎曲環(huán)境， 可緩緩地繞彎過渡， 確保有一段時(shí)間， 掃描儀能掃描到彎曲兩側(cè)的特征， 尤其從封閉的、特征豐富的環(huán)境過渡到開放性的、特征較少環(huán)境時(shí)要特別注意， 例如離開建筑物， 如果沒有其他特征在范圍之內(nèi)， 需要轉(zhuǎn)身面對出口 和建筑物的外部。

3) GeoSlam激光掃描儀的最大掃描范圍是100m， 只有在最佳條件下才能實(shí)現(xiàn)。在大多數(shù)情況下， 有效掃描范圍是40m。在實(shí)際掃描中應(yīng)盡可能地將掃描范圍控制在40m 以下， 可確保良好的點(diǎn)密度和輔助 SLAM 算法。

4) 對于第一次數(shù)據(jù)采集中沒有采集到數(shù)據(jù)的區(qū)域， 在第二次采集線路規(guī)劃中要將此區(qū)域規(guī)劃到行進(jìn)路線的閉合環(huán)中， 避免漏測， 最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)整

體匹配到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。

1.4 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

GeoSlam三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云后期不需要人工手動拼接， 系統(tǒng)可以自動實(shí)現(xiàn)拼接，自動生成掃描環(huán)境中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。但是， 掃描得到的原始點(diǎn)云質(zhì)量較低， 還要進(jìn)行濾波與平滑等操作才可以得到滿足生產(chǎn)條件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖 1為利用激光掃描儀外業(yè)掃描、 內(nèi)業(yè)解算后得到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.4.2 點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

首先， 通過連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)對試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行控制測量， 采用該市獨(dú)立坐標(biāo)系。在激光掃描線路上布設(shè)粘貼 A4 幅面的黑白相間的標(biāo)靶紙， 其中,標(biāo)靶紙中心位置的城市坐標(biāo)通過 COＲS(ＲTK) 測量得到。掃描儀進(jìn)行激光掃描時(shí)， 應(yīng)完整覆蓋 A4 標(biāo)靶紙。采用掃描行進(jìn)路線的 16 個(gè) A4 標(biāo)靶紙的中心位置城市坐標(biāo)， 將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體轉(zhuǎn)換到獨(dú)立坐標(biāo)系中， 轉(zhuǎn)換后的內(nèi)符合精度見表 2。

1.5 建筑物矢量提取

將點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換為通用的 LAS 數(shù)據(jù)格式， 在矢量提取與繪制軟件 EPS 中進(jìn)一步處理。通過點(diǎn)云切片的方式獲取建筑物墻面地面位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 根據(jù)建筑物的輪廓信息判斷建筑物邊界， 提取地面位置點(diǎn)的坐標(biāo)。首先確定建筑物的有效長邊， 再利用線相交功能連接相鄰長邊， 得到相應(yīng)建筑物角點(diǎn)信息。短邊的獲取， 依據(jù)有效點(diǎn)云， 根據(jù)建筑物短邊特征連接到建筑物長邊。某一建筑物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其矢量化成果如圖 2 所示。

圖片

2 精度評定

通過 COＲS 測量和全站儀測量， 結(jié)合測距儀、鋼尺對利用激光點(diǎn)云提取得到的建筑物矢量成果進(jìn)行精度驗(yàn)證。利用 COＲS 測量獲取圖根點(diǎn)， 再通過全站儀在圖根點(diǎn)上加站， 后視定向后采集建筑物角點(diǎn)坐標(biāo)。利用測距儀、 鋼尺量取建筑物的長邊與短邊邊長。本文抽樣選取利用全站儀采集的 30 個(gè)建筑物角點(diǎn)坐標(biāo)和鋼尺、 測距儀量測的 20 條建筑物邊長， 驗(yàn)證利用 SLAM 激光掃描點(diǎn)云繪制的建筑物的精度。

利用 激光掃描點(diǎn)云繪制建筑物的點(diǎn)位中 誤差為 ± 3. 8 cm， 建筑物邊長中 誤差為 ± 2.1 cm， 滿足《城市測 量規(guī)范》中規(guī)定平面中 誤差不得超過 ± 25 cm， 間距中誤差不超過 ± 20 cm 的要求， 因 此， 利用 SLAM 技術(shù)進(jìn)行城市大比例尺地形測繪的數(shù)學(xué)精度可以達(dá)到規(guī)范的要求。

3 總結(jié)

對于城市區(qū)域的大比例尺地形圖生產(chǎn)， 由于建筑物相對密集， 通視條件很差， 利用傳統(tǒng)全站儀地形測繪雖精度較高， 但是耗時(shí)耗力，外業(yè)工作量大。 利用 SLAM 技術(shù)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大比例尺地形測繪的案例并不多見， 本文通過激光掃描儀外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取基于城市坐標(biāo)系的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 并以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物矢量提取與繪制， 通過外業(yè)檢驗(yàn)點(diǎn)驗(yàn)證了成圖精度滿足《城市測量規(guī)范》 的要求。通過對比發(fā)現(xiàn)， 利用激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑物矢量數(shù)據(jù)的方式可有效節(jié)省工期， 節(jié)約成本。本試驗(yàn)建筑物若采用 傳統(tǒng)測量方式， 作業(yè)時(shí)間 大概需要1 d， 并且需要多人作業(yè)， 而利用 SLAM 技術(shù)數(shù)據(jù)采集只需要 30 min， 數(shù)據(jù)采集過程中只需 1 人， 但內(nèi)業(yè)工作量比傳統(tǒng)作業(yè)方式工作量大。總 體上， 通過SLAM 技術(shù)繪制建筑物較傳統(tǒng)測繪方式的效率提高約 50% 。

雖然通過 SLAM 技術(shù)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行城市大比例尺測圖的方式切實(shí)可行， 但是 SLAM 技術(shù)沒有傳統(tǒng)測繪方式成熟， 例如由于外業(yè)采集方式的錯(cuò)誤會導(dǎo)致內(nèi)業(yè)無法解算等。但隨著激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用， 類似 SLAM 技術(shù)的便攜式激光掃描儀將會在大比例尺地形測繪中發(fā)揮更大的作用。

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