基于slam算法的室内移动测量技术在工程中的应用

基于slam算法的室内移动测量技术在工程中的应用

1地面三维激光扫描技术随着人们对三维场景的测量和精细显示的需求增加，三维数据的高效采集迅速成为测量和测量领域的研究热点。三维激光扫描技术是近些年发展起来一种新型测量技术,能快速、精确地获取物体的表面三维坐标。目前地面三维激光扫描技术的发展逐渐从固定式到移动式,从室外到室内,可以说室内移动测量逐渐成为三维激光扫描技术的发展新方向与室外开阔的场景不同,人们要在无GNSS信号的情况下获取室内空间高精度、多细节的三维信息非常困难。实际上,室内环境的高精度三维信息获取类似于机器人在未知环境进行定位和制图,机器人的位姿是通过环境地图得到的,即机器人的位姿依赖于环境地图2sym算法和设备介绍2.1基于ekf-slam的s-地图算法SLAM指的是机器人在自身位置不确定的条件下,在完全未知环境中创建地图,同时利用地图进行自主定位和导航。目前SLAM算法可以分为扩展卡尔曼滤波类(ExtendedKalmanFilter,EKF)SLAM,基于图像类(Graph)SLAM和基于扫描匹配的SLAM算法EKF-SLAM是最先被提出SLAM算法,也是迄今最为流行的算法。该算法建立在运动模型和观测模型的高斯噪声假设基础上,从而解决SLAM问题。EKF-SLAM作为一种成熟的SLAM算法,其主要优点是它能在线对地图进行全后验概率估计,另外通过该算法还能得到最高概率地图和较为精确的机器人位姿估计。EKF还可以基于不同的机器人初始不确定性和传感器观测的不确定性得到不同精度的机器人位姿和所创建的环境地图依概率收敛值。Graph-SLAM实际上是一种基于图、网络的SLAM算法,又称为基于图优化的SLAM。在Graph-SLAM中,通过构建完整的网络图来对移动机器人的位姿进行描述。在Graph上的节点表示移动机器人在某一时刻的位姿,节点之间的边表示两个时刻位姿的改变,或者是通过里程计观测得到的信息。通过对这些点和边分别进行编码,最终构建网络。采用扫描匹配的方法,我们能构建准确的二维环境地图。通过对两个连续的扫描信息进行匹配,在全局范围内得到准确的结果。该方法解决了大多存在机器人被“绑架”时失效的问题。通过机器人的激光雷达扫描得到的数据,结合ICP等匹配算法将机器人在每个位置对周围环境的观测来得到局部地图与全局地图建立几何关系,最终拼接成全局地图并且实现机器人的定位。将激光扫描与SLAM技术相结合解决了室内环境中无GNSS信号无法定位的问题,为室内三维激光扫描提供了新的定位定姿方法。2.2ims3数据处理本文所述案例采用的是IMS3D室内三维移动扫描仪,如图1所示。IMS3D是基于SLAM技术、无须GNSS、无须测站的室内移动扫描仪器,该仪器可以实现厘米级的测量精度。IMS3D可以进行大规模的连续测量,它在技术上不使用GNSS定位,可以很好地处理主要的专业问题,在工作区域无须特别设置,就可以开始扫描。IMS3D室内三维移动扫描仪主要由3个激光解析仪、一个全景照相机、扫描控制和管理触摸屏和可拆卸的移动推车构成。IMS3D主要的优势:(1)每小时可以扫描5000m(2)采用球面图像控制数据采集;(3)测量精度达到厘米级;(4)所有操作均无须设置;(5)连续扫描,无须测站。3解放碑六段2个地下连接道2条线路重庆市解放碑地下环道工程总投资15亿元。工程由“一环、七联络”组成。“一环”长2.8km,为单向循环双车道,路宽为7m~9m,层高5.5m,处于地下20m处,连接整个解放碑核心区域;“七联络”则是出入解放碑的7条地下连接道与“一环”直接接轨。该地下环道竣工后已采用常规测量方法进行地形图测绘,为了更好地展示解放碑地下环道的三维形态,建立其三维模型,本文采用室内移动测量技术对其进行三维点云数据采集。3.1地下环道数据拼接在解放碑地下环道竣工测量过程中,采用了室内移动测量系统对整个地下环道进行了三维数据采集,获取了地下环道的三维点云数据。由于地下环道长度较长,为了保证数据采集的效率,将地下环道分段进行采集,再通过隧道特征点和设置标靶的方法将各段数据进行拼接,如图2~图3所示。由于地下环道内部明显特征较少,而SLAM算法而言,需要有较多的特征点数据进行点云匹配,为了保证整个地下环道数据采集的正确性和工作效率,在数据采集过程中,采用了自制标靶来增加特征点。通过在特定位置增设标靶,保证了室内移动测量仪SLAM算法的稳定性,避免了在数据采集过程中点云匹配的错误,如图4所示。3.2维点云数据解算将采集的点云数据导入到数据处理软件中,进行数据解算。主要包括惯导数据解算、二维点云数据解算、三维点云数据解算和点云数据平差,最终得到地下环道的三维点云数据,如图5~图6所示。将解放碑地下环道点云数据导入地形数据处理平台,通过软件对隧道的边线、隧道内部道路边线、隧道顶高和底高和相关附属设施进行提取3.3应用点云数据的处理流程简单,方便了数据采集本次对解放碑地下环道采用室内移动测量方法进行数据采集和处理,作业效率如表1所示。由于地下环道线路长、支路多,控制测量采用的是图根导线测量的方式,较为耗时。而采用室内移动测量技术,就省去了图根导线的环节。从上表可以看出,该方法作业效率在外业数据采集方面其效率高于传统测绘方法,既提高了作业效率又减少了人力的投入。在内业数据处理方法,由于点云数据量大,导致点云数据处理时间较长,同时点云特征提取到形成地形图的时间也较长,但是正是由于点云数据的海量性,使从点云数据提取的数据信息更加丰富,保证了地下环道数据要素的完整性。在测量精度方面,本文将传统测量方式采集的地下环道数据与点云提取的环道数据进行比较,得出隧道平面数据平均误差为4.3cm,高程平均误差为5.2cm,基本满足1∶500地形图测绘要求。4点云数据测量和测量精度成图本文将室内移动测量技术应用于解放碑地下环道竣工测量中,通过应用得出该技术可以提供外业数据采集效率,能得到大量的点云