基于手持激光Slam 的厂房改造应用

周腾飞 赵丹琴 高梓成

（1、北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京100044 2、中国友发国际工程设计咨询有限公司，北京100018）

1 概述

随着我国工业建设的自动化水平逐渐提升，各大厂商都在已有厂房基础上进行自动化改造，现有厂房基础上改造设计的关键是对现有状况的了解，现有图纸只是对当时建设环境的直观呈现，不具有实时效应，实际环境可能与图纸设计具有加大的出入，无法直接作为参考设计的依据。同时现场环境复杂，增加设计的难度，对此需要获取准确的实时资料。

对于厂房数据获取常规手段是利用全站仪、水准仪等观测仪器进行手工测量，该方法对于厂房只能获取整体轮廓数据，无法获取全面的细节，无法构建精密的整体模型，同时对于形状不规则的物体，无法保证数据的精度，对此我们利用三维激光扫描技术进行数据的采集获取。

三维激光扫描技术是测绘领域技术的革新，在不接触被测物的条件下获取其全面的点云和影像数据，精度达到毫米级[1]，在土方量估算[2]、工程测量[3]、隧道测量[4]等方面应用广泛。手持Slam 观测作为三维量测中的最新技术在保证数据精度和全面性基础上大大提升工作效率和灵活性，在规划好行进路线的前提下，只需要单人手持扫描仪就可完成数据实时采集，避免多站点架设扫描站载扫描仪，大大节省外业数据采集时间，避免后期多站点云数据拼接产生的误差，避免误差累计，提升工作效率，具有十分广阔的应用前景。

2 手持Slam 工作原理

手持激光Slam 工作实质是距离和角度测量。在测距上，扫描仪激光发射器周期性进行激光发射，利用激光回波探测技术获取激光发射到反射接收的时间差或相位差，从而计算出被测物体某点到激光扫描仪中心的距离；在角度测量上利用高精度时钟控制编码器纪律测量每个激光发射瞬间的横向和纵向角度偏差，从而利用记录的一个线元素和两个角元素计算得到被测物体的空间三维坐标，具体工作原理和计算公式见图1：

图1 坐标测量原理

3 数据采集和预处理

3.1 数据采集

本次实验地点为北京某车厂生产车间，在数据采集前根据已有图纸和现场实际踏勘结果进行行进路线制定，在数据采集时手持激光Slam 行进路线尽量为闭合环或八字形状，有利于消除实时采集的累计误差。考虑到车间环境复杂，障碍物比较多，根据实际情况将车间分成四块进行数据采集，每次行走八字路线，最后将得到的数据拼接到一起，如图2 为厂房采集的部分结果。

图2 Slam 采集部分结果

3.2 数据处理

点云数据处理主要包括点云去噪、精简、平滑三部分，手持激光Slam 会将观测的地物全部记录下来，在短时间内获取海量车间数据，但由于工作环境干扰、仪器自身误差、物体不同反射特性造成误差等多种因素影响会产生一定噪声，对后期模型建立影响严重，对此要进行数据去噪处理。对于存在明显的孤立噪声我们可以采用手动的方式进行剔除，对于体外孤点或者非连接项利用可变局部拟合的方式进行剔除，从而排除噪声点干扰。

手持激光Slam 获取的点云数据量随时间不断累积，数据量庞大，同时其中也包括重复观测的数据，对此对点云进行精简处理，消除数据的冗余，保留特征数据，用尽可能少的点建立达到观测精度的模型，提升计算机性能，加快数据处理进度。点云精简额算法众多，主要包括包围盒算法、特征保留法、保留边界法、聚类法、混合精简法等，在保证数据的精度前提下，利用混合采样的方法对数据进行抽稀简化处理，该方法兼顾曲率和栅格采样方法约束特性，并以曲率为优先约束条件，首先对特征和非特征点的识别分类，保留特征点不变性，对非特征点进行聚类精简。通过精简使点云的数量在原来基础上减少15%，大大提升工作效率。

点云数据采集时可能产生少量的随机误差，对此可以采用平滑的方式消除这些误差。本文采用基于平均曲率流的方式进行平滑优化，沿着表面法向量以平均曲率速度进行平滑，具体表达式见式（1）。

其中H（P）为P 点的平均曲率，n（P）为P 点法向量，为防止过度平滑产生，增加一个判断条件，即

max|F（P（j））|＜ε

其中ε 为指定的阈值，如果第j 次平滑后最大权张量小于绝对值小于阈值ε 停止平滑，否则继续进行下次平滑。

3.3 逆向建模

基于点云数据进行模型的逆向建立，点云逆向建模主要借助Geomagic 软件，将点云导入软件中经过去噪、平滑等处理后，基于点云数据进行三角网重构，选取合适的三角网数量，由于各种物理原因会造成模型的局部缺失，对此进行空洞修补，填充内部孔和边界孔，模型修补完成后进行模型锐化修复处理，增强模型平滑性，从而建立符合实际的整体模型。

4 基于模型的可量测分析

基于生成的等比例点云或模型数据进行量测分析，本文主要进行距离、面积、体积等设计参数的计算和多视图生成，对于距离等设计参数现有很多点云处理软件都可进行计算，对于多视图绘制主要借助CAD 软件进行制作，主要包括建筑物本身和附属物两部分，建筑物本身是对厂房建筑自身描述，包括厂房绘制，窗户、立柱等物体的位置、尺寸和厚度等参数。附属物是对管道、照明灯等附属物进行量测，包括管道的长度，直径等参数。通过量测分析数据为设计需求提供准确计算标准。

5 结论

本文详细阐述了一种基于手持激光Slam 的厂房改造数据获取的方法，利用手持激光Slam 快速获取厂房整体三维空间信息，并对获取的数据进行精简、平滑、去噪等预处理，构建三维立体可量测模型，并以北京某汽车厂房改造为厂房扩建改造为实例验证该方法的可行性，为厂房扩建改造提供数据获取提供新的途径。