基于slam算法的室內(nèi)移動(dòng)測量技術(shù)在工程中的應(yīng)用

基于slam算法的室內(nèi)移動(dòng)測量技術(shù)在工程中的應(yīng)用

1地面三維激光掃描技術(shù)隨著人們對三維場景的測量和精細(xì)顯示的需求增加，三維數(shù)據(jù)的高效采集迅速成為測量和測量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)是近些年發(fā)展起來一種新型測量技術(shù),能快速、精確地獲取物體的表面三維坐標(biāo)。目前地面三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展逐漸從固定式到移動(dòng)式,從室外到室內(nèi),可以說室內(nèi)移動(dòng)測量逐漸成為三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展新方向與室外開闊的場景不同,人們要在無GNSS信號的情況下獲取室內(nèi)空間高精度、多細(xì)節(jié)的三維信息非常困難。實(shí)際上,室內(nèi)環(huán)境的高精度三維信息獲取類似于機(jī)器人在未知環(huán)境進(jìn)行定位和制圖,機(jī)器人的位姿是通過環(huán)境地圖得到的,即機(jī)器人的位姿依賴于環(huán)境地圖2sym算法和設(shè)備介紹2.1基于ekf-slam的s-地圖算法SLAM指的是機(jī)器人在自身位置不確定的條件下,在完全未知環(huán)境中創(chuàng)建地圖,同時(shí)利用地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。目前SLAM算法可以分為擴(kuò)展卡爾曼濾波類(ExtendedKalmanFilter,EKF)SLAM,基于圖像類(Graph)SLAM和基于掃描匹配的SLAM算法EKF-SLAM是最先被提出SLAM算法,也是迄今最為流行的算法。該算法建立在運(yùn)動(dòng)模型和觀測模型的高斯噪聲假設(shè)基礎(chǔ)上,從而解決SLAM問題。EKF-SLAM作為一種成熟的SLAM算法,其主要優(yōu)點(diǎn)是它能在線對地圖進(jìn)行全后驗(yàn)概率估計(jì),另外通過該算法還能得到最高概率地圖和較為精確的機(jī)器人位姿估計(jì)。EKF還可以基于不同的機(jī)器人初始不確定性和傳感器觀測的不確定性得到不同精度的機(jī)器人位姿和所創(chuàng)建的環(huán)境地圖依概率收斂值。Graph-SLAM實(shí)際上是一種基于圖、網(wǎng)絡(luò)的SLAM算法,又稱為基于圖優(yōu)化的SLAM。在Graph-SLAM中,通過構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)圖來對移動(dòng)機(jī)器人的位姿進(jìn)行描述。在Graph上的節(jié)點(diǎn)表示移動(dòng)機(jī)器人在某一時(shí)刻的位姿,節(jié)點(diǎn)之間的邊表示兩個(gè)時(shí)刻位姿的改變,或者是通過里程計(jì)觀測得到的信息。通過對這些點(diǎn)和邊分別進(jìn)行編碼,最終構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。采用掃描匹配的方法,我們能構(gòu)建準(zhǔn)確的二維環(huán)境地圖。通過對兩個(gè)連續(xù)的掃描信息進(jìn)行匹配,在全局范圍內(nèi)得到準(zhǔn)確的結(jié)果。該方法解決了大多存在機(jī)器人被“綁架”時(shí)失效的問題。通過機(jī)器人的激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù),結(jié)合ICP等匹配算法將機(jī)器人在每個(gè)位置對周圍環(huán)境的觀測來得到局部地圖與全局地圖建立幾何關(guān)系,最終拼接成全局地圖并且實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位。將激光掃描與SLAM技術(shù)相結(jié)合解決了室內(nèi)環(huán)境中無GNSS信號無法定位的問題,為室內(nèi)三維激光掃描提供了新的定位定姿方法。2.2ims3數(shù)據(jù)處理本文所述案例采用的是IMS3D室內(nèi)三維移動(dòng)掃描儀,如圖1所示。IMS3D是基于SLAM技術(shù)、無須GNSS、無須測站的室內(nèi)移動(dòng)掃描儀器,該儀器可以實(shí)現(xiàn)厘米級的測量精度。IMS3D可以進(jìn)行大規(guī)模的連續(xù)測量,它在技術(shù)上不使用GNSS定位,可以很好地處理主要的專業(yè)問題,在工作區(qū)域無須特別設(shè)置,就可以開始掃描。IMS3D室內(nèi)三維移動(dòng)掃描儀主要由3個(gè)激光解析儀、一個(gè)全景照相機(jī)、掃描控制和管理觸摸屏和可拆卸的移動(dòng)推車構(gòu)成。IMS3D主要的優(yōu)勢:(1)每小時(shí)可以掃描5000m(2)采用球面圖像控制數(shù)據(jù)采集;(3)測量精度達(dá)到厘米級;(4)所有操作均無須設(shè)置;(5)連續(xù)掃描,無須測站。3解放碑六段2個(gè)地下連接道2條線路重慶市解放碑地下環(huán)道工程總投資15億元。工程由“一環(huán)、七聯(lián)絡(luò)”組成?！耙画h(huán)”長2.8km,為單向循環(huán)雙車道,路寬為7m~9m,層高5.5m,處于地下20m處,連接整個(gè)解放碑核心區(qū)域;“七聯(lián)絡(luò)”則是出入解放碑的7條地下連接道與“一環(huán)”直接接軌。該地下環(huán)道竣工后已采用常規(guī)測量方法進(jìn)行地形圖測繪,為了更好地展示解放碑地下環(huán)道的三維形態(tài),建立其三維模型,本文采用室內(nèi)移動(dòng)測量技術(shù)對其進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。3.1地下環(huán)道數(shù)據(jù)拼接在解放碑地下環(huán)道竣工測量過程中,采用了室內(nèi)移動(dòng)測量系統(tǒng)對整個(gè)地下環(huán)道進(jìn)行了三維數(shù)據(jù)采集,獲取了地下環(huán)道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于地下環(huán)道長度較長,為了保證數(shù)據(jù)采集的效率,將地下環(huán)道分段進(jìn)行采集,再通過隧道特征點(diǎn)和設(shè)置標(biāo)靶的方法將各段數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,如圖2~圖3所示。由于地下環(huán)道內(nèi)部明顯特征較少,而SLAM算法而言,需要有較多的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云匹配,為了保證整個(gè)地下環(huán)道數(shù)據(jù)采集的正確性和工作效率,在數(shù)據(jù)采集過程中,采用了自制標(biāo)靶來增加特征點(diǎn)。通過在特定位置增設(shè)標(biāo)靶,保證了室內(nèi)移動(dòng)測量儀SLAM算法的穩(wěn)定性,避免了在數(shù)據(jù)采集過程中點(diǎn)云匹配的錯(cuò)誤,如圖4所示。3.2維點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件中,進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。主要包括慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算、二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算和點(diǎn)云數(shù)據(jù)平差,最終得到地下環(huán)道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖5~圖6所示。將解放碑地下環(huán)道點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)處理平臺,通過軟件對隧道的邊線、隧道內(nèi)部道路邊線、隧道頂高和底高和相關(guān)附屬設(shè)施進(jìn)行提取3.3應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理流程簡單,方便了數(shù)據(jù)采集本次對解放碑地下環(huán)道采用室內(nèi)移動(dòng)測量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,作業(yè)效率如表1所示。由于地下環(huán)道線路長、支路多,控制測量采用的是圖根導(dǎo)線測量的方式,較為耗時(shí)。而采用室內(nèi)移動(dòng)測量技術(shù),就省去了圖根導(dǎo)線的環(huán)節(jié)。從上表可以看出,該方法作業(yè)效率在外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面其效率高于傳統(tǒng)測繪方法,既提高了作業(yè)效率又減少了人力的投入。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法,由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大,導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)間較長,同時(shí)點(diǎn)云特征提取到形成地形圖的時(shí)間也較長,但是正是由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的海量性,使從點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的數(shù)據(jù)信息更加豐富,保證了地下環(huán)道數(shù)據(jù)要素的完整性。在測量精度方面,本文將傳統(tǒng)測量方式采集的地下環(huán)道數(shù)據(jù)與點(diǎn)云提取的環(huán)道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,得出隧道平面數(shù)據(jù)平均誤差為4.3cm,高程平均誤差為5.2cm,基本滿足1∶500地形圖測繪要求。4點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量和測量精度成圖本文將室內(nèi)移動(dòng)測量技術(shù)應(yīng)用于解放碑地下環(huán)道竣工測量中,通過應(yīng)用得出該技術(shù)可以提供外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率,能得到大量的點(diǎn)云