基于手持激光Slam 的廠房改造應用

周騰飛 趙丹琴 高梓成

（1、北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院，北京100044 2、中國友發國際工程設計咨詢有限公司，北京100018）

1 概述

隨著我國工業建設的自動化水平逐漸提升，各大廠商都在已有廠房基礎上進行自動化改造，現有廠房基礎上改造設計的關鍵是對現有狀況的了解，現有圖紙只是對當時建設環境的直觀呈現，不具有實時效應，實際環境可能與圖紙設計具有加大的出入，無法直接作為參考設計的依據。同時現場環境復雜，增加設計的難度，對此需要獲取準確的實時資料。

對于廠房數據獲取常規手段是利用全站儀、水準儀等觀測儀器進行手工測量，該方法對于廠房只能獲取整體輪廓數據，無法獲取全面的細節，無法構建精密的整體模型，同時對于形狀不規則的物體，無法保證數據的精度，對此我們利用三維激光掃描技術進行數據的采集獲取。

三維激光掃描技術是測繪領域技術的革新，在不接觸被測物的條件下獲取其全面的點云和影像數據，精度達到毫米級[1]，在土方量估算[2]、工程測量[3]、隧道測量[4]等方面應用廣泛。手持Slam 觀測作為三維量測中的最新技術在保證數據精度和全面性基礎上大大提升工作效率和靈活性，在規劃好行進路線的前提下，只需要單人手持掃描儀就可完成數據實時采集，避免多站點架設掃描站載掃描儀，大大節省外業數據采集時間，避免后期多站點云數據拼接產生的誤差，避免誤差累計，提升工作效率，具有十分廣闊的應用前景。

2 手持Slam 工作原理

手持激光Slam 工作實質是距離和角度測量。在測距上，掃描儀激光發射器周期性進行激光發射，利用激光回波探測技術獲取激光發射到反射接收的時間差或相位差，從而計算出被測物體某點到激光掃描儀中心的距離；在角度測量上利用高精度時鐘控制編碼器紀律測量每個激光發射瞬間的橫向和縱向角度偏差，從而利用記錄的一個線元素和兩個角元素計算得到被測物體的空間三維坐標，具體工作原理和計算公式見圖1：

圖1 坐標測量原理

3 數據采集和預處理

3.1 數據采集

本次實驗地點為北京某車廠生產車間，在數據采集前根據已有圖紙和現場實際踏勘結果進行行進路線制定，在數據采集時手持激光Slam 行進路線盡量為閉合環或八字形狀，有利于消除實時采集的累計誤差。考慮到車間環境復雜，障礙物比較多，根據實際情況將車間分成四塊進行數據采集，每次行走八字路線，最后將得到的數據拼接到一起，如圖2 為廠房采集的部分結果。

圖2 Slam 采集部分結果

3.2 數據處理

點云數據處理主要包括點云去噪、精簡、平滑三部分，手持激光Slam 會將觀測的地物全部記錄下來，在短時間內獲取海量車間數據，但由于工作環境干擾、儀器自身誤差、物體不同反射特性造成誤差等多種因素影響會產生一定噪聲，對后期模型建立影響嚴重，對此要進行數據去噪處理。對于存在明顯的孤立噪聲我們可以采用手動的方式進行剔除，對于體外孤點或者非連接項利用可變局部擬合的方式進行剔除，從而排除噪聲點干擾。

手持激光Slam 獲取的點云數據量隨時間不斷累積，數據量龐大，同時其中也包括重復觀測的數據，對此對點云進行精簡處理，消除數據的冗余，保留特征數據，用盡可能少的點建立達到觀測精度的模型，提升計算機性能，加快數據處理進度。點云精簡額算法眾多，主要包括包圍盒算法、特征保留法、保留邊界法、聚類法、混合精簡法等，在保證數據的精度前提下，利用混合采樣的方法對數據進行抽稀簡化處理，該方法兼顧曲率和柵格采樣方法約束特性，并以曲率為優先約束條件，首先對特征和非特征點的識別分類，保留特征點不變性，對非特征點進行聚類精簡。通過精簡使點云的數量在原來基礎上減少15%，大大提升工作效率。

點云數據采集時可能產生少量的隨機誤差，對此可以采用平滑的方式消除這些誤差。本文采用基于平均曲率流的方式進行平滑優化，沿著表面法向量以平均曲率速度進行平滑，具體表達式見式（1）。

其中H（P）為P 點的平均曲率，n（P）為P 點法向量，為防止過度平滑產生，增加一個判斷條件，即

max|F（P（j））|＜ε

其中ε 為指定的閾值，如果第j 次平滑后最大權張量小于絕對值小于閾值ε 停止平滑，否則繼續進行下次平滑。

3.3 逆向建模

基于點云數據進行模型的逆向建立，點云逆向建模主要借助Geomagic 軟件，將點云導入軟件中經過去噪、平滑等處理后，基于點云數據進行三角網重構，選取合適的三角網數量，由于各種物理原因會造成模型的局部缺失，對此進行空洞修補，填充內部孔和邊界孔，模型修補完成后進行模型銳化修復處理，增強模型平滑性，從而建立符合實際的整體模型。

4 基于模型的可量測分析

基于生成的等比例點云或模型數據進行量測分析，本文主要進行距離、面積、體積等設計參數的計算和多視圖生成，對于距離等設計參數現有很多點云處理軟件都可進行計算，對于多視圖繪制主要借助CAD 軟件進行制作，主要包括建筑物本身和附屬物兩部分，建筑物本身是對廠房建筑自身描述，包括廠房繪制，窗戶、立柱等物體的位置、尺寸和厚度等參數。附屬物是對管道、照明燈等附屬物進行量測，包括管道的長度，直徑等參數。通過量測分析數據為設計需求提供準確計算標準。

5 結論

本文詳細闡述了一種基于手持激光Slam 的廠房改造數據獲取的方法，利用手持激光Slam 快速獲取廠房整體三維空間信息，并對獲取的數據進行精簡、平滑、去噪等預處理，構建三維立體可量測模型，并以北京某汽車廠房改造為廠房擴建改造為實例驗證該方法的可行性，為廠房擴建改造提供數據獲取提供新的途徑。