東英測繪——激光SLAM 技術在大比例尺城市地形測繪中的應用

為探索新型測繪技術在城市基礎測繪領域的應用，利用 SLAM 技術掃描得到的點云數據進行大比例尺地形圖中建筑物要素的提取與繪制。第一，通過外業激光點云數據采集、內業激光點云數據解算與點云坐標轉換， 獲得滿足生產條件的城市坐標點云數據; 然后， 通過矢量提取軟件進行建筑物輪廓的矢量提取與編輯成圖， 并通過傳統高精度的測繪方式對 SLAM 技術掃描點云提取的建筑物精度進行驗證。結果表明， 利用 SLAM 技術激光掃描點云提取的建筑物信息， 能滿足《城市測量規范》中規定的點位精度與間距精度要求。本文以北京市某小區為研究對象， 使用 SLAM 技術激光掃描儀進行外業點云數據采集， 利用內業解算軟件對點云數據進行解算與處理。通過在采集路線布設城市坐標標靶紙的方式將點云數據轉換到城市坐標系下。重點探討利用 SLAM 激光掃描技術實現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 技術流程

利用 SLAM 激光掃描技術進行城市建筑物地形測繪， 主要包括數據采集前的準備工作、數據采集和點云數據后處理。由于采集數據的坐標系為以數據采集初始位置為零點的自定義坐標系， 因此， 需要在數據采集路線上布設具有城市坐標的 A4 標靶紙，通過 A4 標靶紙將點云整體匹配到地方獨立坐標系中。然后對采集得到的點云數據進行內業解算、 矢量提取與繪制成圖， 最后與全站儀測量建筑物的結果進行對比。結果表明， 利用 SLAM 技術采集的點云繪制成圖的精度滿足《城市測量規范》中的 1:500地形圖測圖要求，從而驗證了利用 SLAM 激光掃描技術測量建筑物的可行性。

1.2 技術指標

《城市測量規范》 中關于地形測量精度的要求如表 1 所示。按照《城市測量規范》的要求， 在平地、 丘陵區域，1:500地形圖測圖規定間距中誤差不超過± 20 cm，平面點位中誤差不得超過 ± 25 cm。本試驗區域為平原區域， 所以， 建筑物平面點位絕對精度需滿足 ±25 cm， 相對精度需滿足 ± 20 cm。

1.3 激光點云數據采集

1.3.1 GeoSlam手持式激光掃描儀

試驗數據采用GeoSlam手持式激光掃描儀進行采集，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云數據的方法， 它無需像傳統掃描儀那樣設置掃描參數及后續進行數據拼接， 用戶在測區掃描作業時， 便可實時得到與傳統掃描儀需經后處理才能得到的三維點云數據。GeoSlam手持式激光掃描儀由 安裝在電機上的 IMU 系統和靠 TOF(飛行時間) 傳感器工作的掃描頭構成， 它采用一種全新的三維實時定位與映射(SLAM) 算法， 結合二維激光掃描數據與 IMU 數據， 生成精確的三維點云。GeoSlam手持式激光掃描儀中的系統處理器可將 3D 點云數據均勻、實時地拼接在一起， 并且可以加載到GeoSLAM HUB 軟件中做進一步處理， 同時輸出各種格式的點云數據文件。

1.3.2 數據采集方式

SLAM 算法可以通過先前已知的位置來確定其當前位置， 但是這種算法的缺點在于如果存在其他誤差， 會導致測量點的漂移。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。激光數據采集時， 最基本的原則是必須在相同的位置開始測量和結束測量， 以確保至少有一個環路閉合。在可能的情況下， 應盡可能地頻繁走閉合路線， 使誤差最小化， 提高點云的精度。測量路線最好是圓環而不是“往復”地循環， 對閉環區域進行仔細掃描，以確保從多角度掃描關鍵特征位置。

1.3.3 數據采集中注意事項

在點云數據采集過程中， 應注意以下 4 點:

1) 在光滑通道中掃描特征點較少， SLAM 算法沒有足夠的特征點來確定運動軌跡， 因此， 在特征點較少的環境中， 可使用附加特性來增強環境。例如，行進路線中 的箱子或露天停車場的車輛， 通過將GeoSlam 指向特定的方向， 確保在移動環境時重復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， 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距離( ＞10 m) 時。例如， 當掃描具有光滑壁的通道時，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(如經過的行人或車輛) ， 因為 SLAM 算法能鎖定這些對象并作為靜態特征。對于彎曲環境， 可緩緩地繞彎過渡， 確保有一段時間， 掃描儀能掃描到彎曲兩側的特征， 尤其從封閉的、特征豐富的環境過渡到開放性的、特征較少環境時要特別注意， 例如離開建筑物， 如果沒有其他特征在范圍之內， 需要轉身面對出口 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現。在大多數情況下， 有效掃描范圍是40m。在實際掃描中應盡可能地將掃描范圍控制在40m 以下， 可確保良好的點密度和輔助 SLAM 算法。

4) 對于第一次數據采集中沒有采集到數據的區域， 在第二次采集線路規劃中要將此區域規劃到行進路線的閉合環中， 避免漏測， 最后將點云數據整

體匹配到統一坐標系下。

1.4 激光點云數據處理

1.4.1 點云數據預處理

GeoSlam三維激光掃描儀采集的點云后期不需要人工手動拼接， 系統可以自動實現拼接，自動生成掃描環境中的三維點云數據。但是， 掃描得到的原始點云質量較低， 還要進行濾波與平滑等操作才可以得到滿足生產條件的點云數據。圖 1為利用激光掃描儀外業掃描、 內業解算后得到的激光點云數據。

1.4.2 點云坐標轉換

首先， 通過連續運行參考站系統對試驗小區進行控制測量， 采用該市獨立坐標系。在激光掃描線路上布設粘貼 A4 幅面的黑白相間的標靶紙， 其中,標靶紙中心位置的城市坐標通過 COＲS(ＲTK) 測量得到。掃描儀進行激光掃描時， 應完整覆蓋 A4 標靶紙。采用掃描行進路線的 16 個 A4 標靶紙的中心位置城市坐標， 將掃描得到的點云數據整體轉換到獨立坐標系中， 轉換后的內符合精度見表 2。

1.5 建筑物矢量提取

將點云格式轉換為通用的 LAS 數據格式， 在矢量提取與繪制軟件 EPS 中進一步處理。通過點云切片的方式獲取建筑物墻面地面位置點云數據， 根據建筑物的輪廓信息判斷建筑物邊界， 提取地面位置點的坐標。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， 得到相應建筑物角點信息。短邊的獲取， 依據有效點云， 根據建筑物短邊特征連接到建筑物長邊。某一建筑物三維點云數據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， 結合測距儀、鋼尺對利用激光點云提取得到的建筑物矢量成果進行精度驗證。利用 COＲS 測量獲取圖根點， 再通過全站儀在圖根點上加站， 后視定向后采集建筑物角點坐標。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 個建筑物角點坐標和鋼尺、 測距儀量測的 20 條建筑物邊長， 驗證利用 SLAM 激光掃描點云繪制的建筑物的精度。

利用 激光掃描點云繪制建筑物的點位中 誤差為 ± 3. 8 cm， 建筑物邊長中 誤差為 ± 2.1 cm， 滿足《城市測 量規范》中規定平面中 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 技術進行城市大比例尺地形測繪的數學精度可以達到規范的要求。

3 總結

對于城市區域的大比例尺地形圖生產， 由于建筑物相對密集， 通視條件很差， 利用傳統全站儀地形測繪雖精度較高， 但是耗時耗力，外業工作量大。 利用 SLAM 技術掃描獲取點云數據進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采集、內業點云數據解算與坐標轉換獲取基于城市坐標系的建筑物點云數據， 并以點云數據為源數據進行建筑物矢量提取與繪制， 通過外業檢驗點驗證了成圖精度滿足《城市測量規范》 的要求。通過對比發現， 利用激光掃描儀采集點云數據提取建筑物矢量數據的方式可有效節省工期， 節約成本。本試驗建筑物若采用 傳統測量方式， 作業時間 大概需要1 d， 并且需要多人作業， 而利用 SLAM 技術數據采集只需要 30 min， 數據采集過程中只需 1 人， 但內業工作量比傳統作業方式工作量大。總 體上， 通過SLAM 技術繪制建筑物較傳統測繪方式的效率提高約 50% 。

雖然通過 SLAM 技術采集點云數據進行城市大比例尺測圖的方式切實可行， 但是 SLAM 技術沒有傳統測繪方式成熟， 例如由于外業采集方式的錯誤會導致內業無法解算等。但隨著激光掃描技術的不斷發展與應用， 類似 SLAM 技術的便攜式激光掃描儀將會在大比例尺地形測繪中發揮更大的作用。

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