背包式移動三維激光掃描系統的應用

楊 銘

(上海市測繪院，上海 200129)

經過多年發展，基于GNSS的移動掃描測量系統已經相對成熟，其將衛星導航定位、慣性導航、激光掃描、近景攝像等多種技術手段融為一體，可在快速移動過程中實時獲取周邊地物的點云及影像信息。然而，此類系統雖然速度快、精度高，但其對GNSS信號有著較強的依賴，且價格不菲、生產成本高，應用領域受到諸多限制。

近年來，隨著同步定位與制圖(SLAM)技術，以及點云配準(ICP)算法的發展，背包式移動三維激光掃描系統應運而生。其可在沒有GNSS和復雜慣導設備的條件下，快速、便捷、低成本地采集目標物體的三維點云數據。且不同于傳統的車載移動掃描系統，此類設備由人員背載，在數據采集過程中可以根據需要隨時上下移動，人員能經過的地方都能進行數據獲取，對工作環境要求低，適應性強，可廣泛應用于歷史風貌保護、地下空間測繪、竣工測量、地籍測量等多個測繪領域。

背包式移動三維激光掃描系統作為一類新興的測繪設備，其在國內外的應用還處于起步階段，相關的應用研究相對較少。對此，本文首先選取3款當前具有代表性的背包設備，研究其內在技術原理，然后通過數據采集試驗驗證此類設備的精度與效率，最后探討今后的發展方向。

1 技術研究

目前，背包式移動三維激光掃描系統根據定位原理的不同可分為3種類型：單純依靠SLAM、SLAM+GNSS、IMU+點云配準。這3種類型各有利弊，下面將結合具體設備對其中的關鍵技術進行分析研究。

1.1 單純依靠SLAM

SLAM技術起源于機器人視覺領域，其可在沒有GNSS和IMU的情況下，在雜亂無章的點云中尋找線索，求取其中隱含的高階特征點和特征向量，并連續跟蹤這些特征點和特征向量，進而動態反向解算設備所處的位置和當前的姿態；然后將所有的位置與姿態數據進行整合，通過閉合環檢測和連續特征匹配等高精度算法，將點云自動拼接，并最終得到高精度點云成果。

目前，單純依靠SLAM技術的背包式移動三維激光掃描系統相對較少，其中具有代表性的是歐思徠(北京)智能科技有限公司完全自主研發的3D SLAM激光影像背包測繪機器人。該系統由5部分組成：全景相機、激光掃描儀、控制器、電源及平板設備，如圖1所示。

圖1 3D SLAM激光影像背包測繪機器人

該設備的技術特點如下：

(1) 數據覆蓋范圍廣：配有兩個激光掃描儀，水平激光掃描儀用于定位，傾斜激光掃描儀用于數據獲取，十分適合室內及狹窄地區的點云數據采集。

(2) 操作簡單方便：一鍵啟動，無需初始化，開機后便可進行數據采集。

(3) 應用領域多：既可室外采集也可室內采集，既可在平坦區域采集也可在高程變化區域采集(斜坡、樓梯等)。

(4) 彩色掃描：配有全景相機，可獲得具有真彩色信息的點云數據。

(5) 智能化的后處理方法：數據處理全自動化，無需人工干預。

1.2 SLAM+GNSS

單純依靠SLAM技術的背包式移動三維激光掃描系統雖然具有很多優點，但其定位精度取決于周邊環境的特征形態。如果周邊環境特征豐富且差異較大，SLAM算法的定位精度會很高；但是當周邊環境特征較少或十分雷同時，定位精度會顯著下降。這種情況一般發生在室外開闊區域，在此類環境下進行數據采集，往往只能采集到地面數據，而周邊立面和天頂方向的數據十分稀少。此時，如果仍然單純依靠SLAM技術進行定位，可能會導致計算無法收斂，從而無法獲得合格的點云成果。

對此，可將SLAM與GNSS結合，在室內或狹窄道路等無GNSS信號的區域使用SLAM技術進行定位解算，而在室外開闊區域使用GNSS結合IMU慣導進行定位解算，從而進一步增強適用性，擴大應用領域。

Leica公司推出的Pegasus Backpack移動測量背包系統便是此種類型的設備。它是當前市場上集高性能、高精度、便攜性于一體的高端移動測量背包系統，贏得了2016年紅點設計大獎、2015年德國威克曼創新大獎。其配備5個相機和2個激光掃描儀，操作簡單，佩戴舒適，使用靈活，適用于多種測繪領域(如圖2所示)。

圖2 Pegasus Backpack移動測量背包系統

通過搭載三頻GNSS系統，采用最新的支持多光束的SLAM算法，以及高精度IMU，Pegasus Backpack可進行室內外一體化點云數據采集，精度達到厘米級。

1.3 IMU+點云配準

除了使用SLAM算法進行定位，目前還出現了一種基于IMU結合點云配準算法的定位方式，其中具有代表性的是意大利GEXCEL公司生產的HERON系列背包式三維激光掃描系統，如圖3所示。

圖3 HERON系列移動測量背包系統

該設備通過兩個階段進行點云數據自動拼接，首先是在較短的距離內(5 m)利用IMU進行位置解算，獲得一段點云數據；然后在數據采集完成后，利用點云配準算法(ICP)對各分段點云數據進行整體平差，從而得到高精度的點云成果，如圖4所示。

圖4 分段解算+整體平差

相比于SLAM算法，IMU結合點云配準的定位方式具有以下兩方面的優勢：

(1) 數據處理效率更高：SLAM算法需要反向解算每個時刻的位置和姿態數據，計算量大；而上述方法將分段點云數據作為一個剛體參與整體平差，數據計算量顯著下降。

(2) 整體精度更高：SLAM算法主要是通過閉合環檢測和連續特征匹配來提高最終的點云成果精度，當閉合環過長或沒有閉合時，誤差積累會十分大，且無法得到很好的分配；而上述方法通過分段點云之間的公共部分，利用ICP算法進行全局整體配準，可以有效提升拼接精度。

然而，IMU結合點云配準的定位方式也存在一定的不足，其定位精度與SLAM算法類似，同樣取決于周邊環境的特征形態，當周邊環境特征較少或十分雷同時，其最終的點云拼接質量會受到較大的影響。

2 精度驗證與效率分析

為驗證上述3類設備的精度與效率，本文進行了數據采集試驗，地點為上海某一辦公樓(室內外)。試驗時首先使用背包式移動三維激光掃描系統進行數據采集，然后利用常規測量手段對點位精度、間距精度及高程精度進行檢核，最后對數據采集與處理的效率進行綜合分析。

2.1 試驗方案

2.1.1 測試場景

(1) 室外部分：辦公樓3個外立面，正門門口外推約100 m的路面。

(2) 室內部分：辦公樓一層大廳及左右過道，二層過道及217辦公室，三層過道及303辦公室，左右兩側的樓梯(一層到三層)。

2.1.2 測試要求

(1) 室內外數據一次性全部采集。

(2) 室內外都布設有全局控制點，處理之后的點云數據必須轉換到全局坐標系統中。

2.2 試驗結果

2.2.1 數據采集情況

數據采集情況如圖5所示。

圖5 辦公樓室外、室內點云數據采集成果

2.2.2 精度檢核結果

精度檢核結果匯總見表1。

由表1可得，3種類型的背包式移動三維激光掃描系統在平面點位精度和間距精度上均優于5 cm，基本處在同一量級。然而在高程精度上，3類設備雖然中誤差都優于10 cm，但在高程最大較差上差異明顯，其中SLAM+GNSS的設備高程最大較差為-9.6 cm，IMU+點云配準的設備為-14.4 cm，而單純依靠SLAM的設備達到了27.3 cm。

高程檢測點主要分布在室外道路部分，而高程較差較大的檢測點都與辦公樓有一定距離，且距離越遠較差越大。造成該結果的原因主要為：單純依靠SLAM和IMU+點云配準的定位方式需要依賴周邊環境的特征形態，當處于較開闊的室外區域(如本試驗中的道路部分)，由于缺少足夠的立面數據用于匹配，其高程定位精度會受到很大影響。此外，單純依靠SLAM的定位方式主要通過閉合環檢測來分配誤差，在本試驗中，道路部分有100余米，導致閉合環較長，從而進一步影響定位精度。

表1 精度檢核結果匯總 cm

(1) 平面點位精度：3種類型設備的測量數據與檢測數據(2″級全站儀)的對比情況如圖6所示。

圖6 平面點位精度統計

(2) 間距精度：3種類型設備的測量數據與檢測數據(2″級全站儀+鋼卷尺)的對比情況如圖7所示。

圖7 間距精度統計

(3) 高程精度：3種類型設備的測量數據與檢測數據(三角高程)的對比情況如圖8所示。

圖8 高程精度統計

2.2.3 作業效率統計

作業效率統計見表2。

表2 作業效率統計

從表2可得，3款設備在作業效率上明顯優于傳統測量手段。其中，單純依靠SLAM和IMU+點云配準的設備外業采集速度較快，其原因為這兩類設備的初始化過程短，而SLAM+GNSS的設備由于數據采集前和結束后需要進行一段時間的初始化及收斂計算，其外業數據采集時間相對較長。

在內業方面，IMU+點云配準的設備使用分段數據整體平差策略，數據預處理時間最短；單純依靠SLAM的設備需要解算高密度的軌跡數據，計算量較大，數據預處理效率相對較低；而SLAM+GNSS的設備在SLAM的基礎上還引入的GNSS定位算法，計算量更大，外業與內業時間比達到了1∶4.5。

3 結 語

實踐表明，背包式移動三維激光掃描系統在平面精度上能滿足一般測繪項目(如大比例尺地形圖測繪)的要求，但在高程精度上仍存在一定的差距。為進一步提高精度，可作兩方面改進：一是修改算法，引入更多的限制條件，如控制點、固定長度等；二是進行多傳感器、多算法的融合，將GNSS、IMU、SLAM、ICP等多種定位方式結合到一起，實現聯合解算，滿足室內外不同場景的應用需求。相比于傳統測量設備，背包式移動三維激光掃描系統具有速度快、信息量大、實時性強、自動化程度高等優點。如果能在不降低現有作業效率的前提下進一步提升測量精度，背包式移動三維激光掃描系統在測繪領域必將取得更廣闊的應用。