技术在管廊信息化建设中的应用

文｜本刊记者 陈桂龙

SLAM (simultaneous localization and mapping) , 即实时定位与制图，或并发建图与定位。 SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出。目前进行SLAM研究的机构全球超过上万家，但真正用于测量领域，同时能将技术和转化成产品的，全球也仅有少量的几家。

城市地下综合管廊三维数据采集技术中，采用基于激光扫描（LiDAR）和同步定位与制图（SLAM）进行三维数据采集的技术研究与应用处于逐渐发展的阶段。

在过去的30多年里，随着电子元器件和光电技术的发展，三维激光扫描技术已经成功地从上世纪80年代的实验阶段和90年代的验证阶段跨入成熟的应用阶段。随着三维激光扫描仪在测绘中的应用与推广，一些测绘中的先进技术逐渐集成到扫描仪上，使其成为继经纬仪系统、摄影测量系统及GPS后又一重要的三维信息获取手段。

基于实时定位与制图（SLAM）的城市地下空间数据采集技术

近年来，移动测量技术与三维技术激光扫描技术不断应用于城市地下管廊数据采集过程中。

北京华泰天宇科技有限公司总经理郑勇介绍，实时定位与制图（SLAM）的城市地下空间三维数据采集技术结合激光扫描技术与移动测量技术的优势，形成一项全新的三维移动测量技术。该技术实现在没有GPS和复杂惯性导航系统的环境下，仅依靠技术设备自身配置的简单惯性测量装置，实现城市综合管道数据的快速、便捷、低成本的采集。

对比分析国际国内普遍使用的城市地下空间测量技术，综合考虑数据采集的效率、成本、精度及技术可推广型等诸多因素，经对比分析，基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量技术具有领先水平。

基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量的技术关键在于，在没有GPS的支持下，解决室内高精度定位的问题。以前最常见的技术便是高精度惯性测量装置IMU的使用，但这会使得室内移动设备的成本高居不下，同时没有GPS的改正，惯性测量装置IMU基于时间累计的误差无法得到校准，导致测量越久，漂移越大。基于此，全球越来越多的学者，将用于机器人领域的实时定位与制图（SLAM），用在移动测量上，这一技术的核心在于，测量的同时，用测量数据进行定位，即无需其他任何辅助设备，用LiDAR同时进行扫描和定位。

全景影像与激光点云同步采集与匹配的关键技术

郑勇表示，近年来,三维激光扫描技术不断发展,在数字城市、文物保护、三维重建等领域有着越来越广泛的应用。三维激光扫描仪作为获取三维空间数据的重要手段,能够快速、准确、大量地获得物体的空间几何信息,而高分辨率数码相机能够得到高质量的二维纹理数据,两者对目标的描述具有互补性。这两者的结合可生成精确、真实的三维世界,为虚拟三维环境的构建提供了很好的数据支撑。因此,激光扫描点云与光学影像这两种数据的融合处理在三维建模、地物识别、虚拟场景可视化等方面具有非常重要的意义。

郑勇分析，基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量的技术无需初始化，开机后即可由操作员推着采集设备在测区范围内进行扫描。最关键的技术是该方式得到的点云是一套完整的点云，不需要进行拼接，这样也就避免了因点云拼接造成的精度损失。所以基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量技术具有扫描效率高，数据精度高的特点，特别适用于城市地下空间数据的采集工作。相比传统的静态数据获取方式更节省时间和作业成本，更符合大体量城市地下综合管廊数据精确采集的实际需求。

基于激光扫描（LiDAR）和同步定位与制图（SLAM）技术能够精确地采集室内外三维激光点云数据，而不依赖于GPS或使用复杂的惯导系统。使用SLAM算法，通过三维激光扫描实现地图的建立。在仪器通过时，不间断的采集精细的二维地图数据，并记录光学数据以及LiDAR的时间位置信息，然后根据光学数据建立彩色的三维点云数据，将二维平面视图转换为三维立体环境。且在数据采集过程中，可实时观察采集数据的质量，并能指导数据采集人员现场采集工作，避免采集过程中出现遗漏、错误等情况，确保一次性完成数据采集，提高工作效率。

对外业采集到的点云依次进行预处理、拼接，然后根据点云在后处理软件中建立三维可视化模型，最后加上地下综合管廊中各类地物的属性信息（如名称、材质、规格等信息）形成三维可视化系统。

基于激光扫描（LiDAR）和同步定位与制图（SLAM）协同使用，以达到全景影像与激光点云同步采集与匹配的目的，提高城市地下空间三维数据制作的效率和精度，并且能大幅降低数据采集与处理成本，使得技术的广泛应用于城市地下综合管廊测量成为可能。

河北正定——基于SLAM的城市综合管廊三维数据采集