GeoSlam在非暴露空間測量中的應用

王博奇

（山西地科勘察有限公司，山西 太原 030001）

1 引言

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是一種全新的測量技術，它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢，三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。

SLAM三維激光掃描系統(tǒng)，最大的用途是可以進行實時移動式的測量，快速進行采空區(qū)的數(shù)據(jù)采集，其主要是依靠SLAM算法。SLAM三維激光掃描系統(tǒng)寫由：激光掃描儀（Laser Scanne）、慣性測量單元（metal. measurement umt，簡稱MU）與SLAM算法（ simultaneous localization and mapping）三個主要要素組成。SLAM算法是這三大主要要素中最重要的，SLAM算法的好壞決定了解算出的移動軌跡的精準度，移動軌跡的精準度決定了空間場景三維數(shù)據(jù)的精準度。SLAM算法根據(jù)激光測距儀所獲得三維數(shù)據(jù)中時間軸上共同的特征點加上IMU獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)，進行實時解算設備從出發(fā)點移動的距離，角度信息，逆向的構建連續(xù)的空間場景數(shù)據(jù)。即被動式依據(jù)當前周圍場景的數(shù)據(jù)實時計算出連續(xù)的空間數(shù)據(jù)。

2 SLAM技術概述

Simultaneous Localization and Mapping，即時定位與地圖構建。 SLAM問題可以描述為：機器人在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現(xiàn)機器人的自主定位和導航。

2.1 視覺SLAM與激光SLAM

視覺SLAM-VisualSLAM，也稱為VSLAM，在映射環(huán)境的同時，僅使用來自攝影機的視覺輸入，計算設備相對于其周圍環(huán)境的位置和方向。 基于特征的視覺SLAM通常通過連續(xù)的攝影機幀跟蹤感興趣的點，以三角化攝影機的三維位置，然后使用此信息構建三維地圖。激光SLAM，基于激光雷達的SLAM系統(tǒng)使用激光傳感器生成其環(huán)境的3D地圖。激光雷達（光探測和測距）通過使用主動激光“脈沖”照亮物體，測量到物體（例如，墻壁或椅子腿）的距離。激光雷達是一種既快速又精確的方法，可用于各種環(huán)境和條件。由該方法生成的激光傳感器點云具有很高的精度，非常適合在施工中進行測繪。這些高精度的距離測量也可用于許多其他應用。目前，SLAM技術被廣泛運用于機器人、無人機、無人駕駛、AR、VR等領域，依靠傳感器可實現(xiàn)機器的自主定位、建圖、路徑規(guī)劃等功能。

3 實際案例

此次在某礦山測量我們采用了目前最可靠的激光SLAM（參見圖1），GeoSLAM公司的ZEBHORIZON。該礦山采用豎井、斜井、斜坡道聯(lián)合開拓方式的采礦方法，井下巷道總長約20公里左右，共布設導線點50個，這種復雜地形對于SLAM的算法有很大的考驗，也是SLAM技術將來市場應用的典型作業(yè)場景。

圖1 激光SLAM

3.1 GeoSLAM的技術優(yōu)勢：

（1）體積小，重量輕，僅重3.5kg ，手持式GEOSLAM 可在多種復雜環(huán)境下快速部署并進行工作。（2）無需 GPS 與繁瑣操控，一鍵式運行。（3）單人作業(yè)，無需傳統(tǒng)測量方式兩人一組，費時費力。（4）改變傳統(tǒng)測量方式，采集所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)成果有可追溯性。（5）采集數(shù)據(jù)，可生成多樣化成果，一次采集，可適用于多次分析。（6）測量精度高，數(shù)據(jù)更準確，將現(xiàn)場搬回辦公室，對任意位置進行量測。（7）質檢更方便，原始數(shù)據(jù)進行留存，隨時作為檢驗依據(jù)。

3.2 項目實施流程：

3.2.1 準備工作與礦道路線規(guī)劃

此次鐵礦測量我們采用GeoSLAM公司的ZEBHORIZON手持三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)； RTK、全站儀做控制測量；內業(yè)采用GeoSLAM HUB軟件處理原始數(shù)據(jù)，和CAD軟件出圖的作業(yè)方式。根據(jù)實際情況提前規(guī)劃行走路線。

3.2.2 控制測量

控制測量采用RTK、全站儀結合的方式。硐外RTK做控制點，硐內全站儀做控制，最后閉合檢驗精度。本硐掃描里程5204.427 m，控制點數(shù)據(jù)參見表1：

表1 本硐控制點坐標

3.2.3 三維掃描

由于礦道比較長，現(xiàn)場會有一些分叉。我們采用分段掃描的方式，各部分掃描時保證30米左右的重疊，后期對點云數(shù)據(jù)進行拼接，各個部分進行閉合掃描進一步提高精度。而 GeoSLAM公司的ZEBHORIZON手持三維激光掃描儀，結合了SLAM算法和慣導技術，可實現(xiàn)移動式掃描，采集效率高，優(yōu)秀的算法保證了可靠的精度。儀器工作的時間越長慣導的誤差也會逐漸變大，所以我們將掃描時間控制在每段20分鐘以內。在控制點上開機，開始掃描后穩(wěn)定放置10秒鐘系統(tǒng)會自動記錄作為控制點，然后拿起設備開始掃描，依次進入需要掃描的空間，到下個控制點穩(wěn)定放置10秒鐘系統(tǒng)會自動記錄作為第二個控制點，依次掃描完各個空間，回到起始控制點進行閉合（掛控制點至少需要三個）。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理

將原始數(shù)據(jù)拷貝到電腦端利用GeoSLAM Hub軟件進行數(shù)據(jù)解算，進行內復核精度對比（參見表2），將得出的點云數(shù)據(jù)（參見圖2）進行投影生成平面圖，對任意面截取剖面，以及采空區(qū)三維量測分析：實現(xiàn)對任意點坐標，兩點距離、面積、體積的量測。

圖2 點云數(shù)據(jù)

表2 內復核精度數(shù)據(jù)對比

4 結束語

井下測量是指導井下礦業(yè)生產的重點工作，測量工作準確與否直接影響到工程質量、施工進度和人員安全。測量失誤會給礦業(yè)生產帶來重大損失，選用先進的測量方法才能確保安全和質量。

隨著SLAM移動式三維激光掃描技術的普及，越來越多的人已經(jīng)體會到它相較于傳統(tǒng)測量儀器之間的天然優(yōu)勢。SLAM移動式三維激光掃描技術利用自動生成的立體點云，全方位對堆積物結構的各個方位進行精確測量，再通過點云數(shù)據(jù)進行后期處理得到我們想要的數(shù)據(jù)。這種作業(yè)方式不僅節(jié)約了時間，提高了作業(yè)效率，也大大減少了人力、物力的投入，更為重要的是，計算的精度也很大程度上得到了保證。

目前，三維激光掃描儀很多種選擇，而針對這種井下封閉空間距離長、空間大，手持式掃描儀作業(yè)方式靈活，僅用一人就可以完成外業(yè)掃描工作，作業(yè)時間可控，前期也可以進行掃描作業(yè)的整體規(guī)劃。這樣，使用GeoSLAM-horizon來完成井下礦道采掘面、采空區(qū)具備了充分的可行性。

本項目通過利用GEO-SLAM礦產巷道掃描作業(yè)，利用手持三維激光掃描技術，結合三維虛擬現(xiàn)實技術，在短時間之內完成了對狹窄的巷道掃描和局部區(qū)域的三維數(shù)據(jù)提取工作，并為后續(xù)礦山的開采和修復等工作提供了真實可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。