一、SLAM簡(jiǎn)介

1.1. SLAM原理

SLAM是Simultaneous localization and mapping縮寫(xiě)，意為“同步定位與建圖”。SLAM問(wèn)題可以描述為: 掃描儀在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng),在移動(dòng)過(guò)程中根據位置估計和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實(shí)現掃描儀的自主定位和導航。  

1.2. 3D SLAM

      3D SLAM技術(shù)是激光掃描儀的運動(dòng)軌跡是一條與工作人員行走的步態(tài)有關(guān)的非線(xiàn)性和高動(dòng)態(tài)的曲線(xiàn)。按照一般的理解，激光掃描儀如果安裝在移動(dòng)測量系統中，一定要有一個(gè)高精度的定位系統(POS系統)與之匹配，這樣，激光掃描儀得到的激光點(diǎn)才能得到對應的位置和姿態(tài)數據，進(jìn)而合成三維的激光點(diǎn)云。為了能解算出激光點(diǎn)云數據的高動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性位姿，通過(guò)研究激光點(diǎn)云的處理算法，可從這些雜亂無(wú)章的點(diǎn)云中找到線(xiàn)索，求取其中隱含的更穩定的高階特征點(diǎn)和特征向量，并連續跟蹤這些特征點(diǎn)和特征向量，進(jìn)而高精度地動(dòng)態(tài)反向解算掃描儀的位置和姿態(tài)。這種高精度的動(dòng)態(tài)反向解算位置和姿態(tài)的方法顛覆的傳統的測繪方法，為測繪技術(shù)開(kāi)拓了一種新的思路方法。

二、SLAM技術(shù)特點(diǎn)

      目前，現有的地面移動(dòng)測量系統通常是基于車(chē)載的移動(dòng)測量系統的，但目前地面移動(dòng)測量系統均需要依賴(lài)于全球衛星導航系統(GNSS)和慣性導航系統，只能用于室外環(huán)境。然而，由于室內和地下空間等環(huán)境中沒(méi)有GNSS信號，因此，傳統的移動(dòng)測量系統無(wú)法正常工作。固定式激光掃描可以用于室內室外的環(huán)境，但是復雜場(chǎng)景需要大量換站，然后進(jìn)行點(diǎn)云拼接，數據獲取的效率十分低下。然而，即時(shí)定位與地圖構建(SLAM)技術(shù)在移動(dòng)測繪方面具有較好的應用，不依托GNSS信號，能夠對室內和室外的地面水平環(huán)境進(jìn)行地圖構建和環(huán)境建模。因此，SLAM技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應用降低了測量復雜性，不需要大量標記地物點(diǎn)，不需要GPS信號，適用于在室內室外場(chǎng)景，對于解決傳統測繪中的定位及場(chǎng)景重建問(wèn)題具有廣闊的前景。

由于SLAM技術(shù)無(wú)需GNSS信號，對工作環(huán)境又有極強的適應性，基于SLAM技術(shù)的移動(dòng)測量系統在多個(gè)測繪領(lǐng)域發(fā)揮作用，具體表現為：

(1) 外業(yè)數據采集速度極快，可快速獲得所需點(diǎn)云數據，數據精度高。

(2) 內業(yè)點(diǎn)云預處理時(shí)間短，自動(dòng)化程度高，基本不需要人工干預，短時(shí)間便能獲得配準好的點(diǎn)云數據。

(3) 操作簡(jiǎn)單方便，無(wú)需換站，連續采集，具有連貫性，可實(shí)現室內外一體化掃描作業(yè)。

(4) SLAM技術(shù)的測繪移動(dòng)測量掃描儀在任意環(huán)境中長(cháng)時(shí)間工作故障率低，對于精度要求較高的重點(diǎn)區域，可與固定測站式三維激光系統配合使用，既能保證精度，又能保證效率。

三、Geoslam HORIZON 特性

GeoSLAM Horizon 手持式移動(dòng)三維激光掃描儀是由澳大利亞國家科學(xué)研究機構CSRO和英國三維激光雷達采礦行業(yè)解決方案提供者3D lasermapping公司以合資企業(yè)的形式成立，并聯(lián)合研發(fā)出的目前最輕便的SLAM掃描系統。

GeoSLAM Horizon 3D系統技術(shù)參數

產(chǎn)品特性：

?全套設備僅3.5kg，可移動(dòng)的快速掃描多區域環(huán)境

?掃描頭自動(dòng)旋轉，使動(dòng)態(tài)掃描更加便捷，可進(jìn)行360°全景掃描

?結構設計小巧，可進(jìn)入低矮及狹小空間進(jìn)行全方位數據采集

?支持手持、固定桿、背負、車(chē)載、船載、無(wú)人機載等多種方式掃描

?點(diǎn)云數據成果自帶反射強度值

?數據精度高

數據預處理軟件GeoSLAMHUB特性：

?原始數據拖放軟件內進(jìn)行處理

?數據集合并

?在‘GeoSLAMDraw’中將3D數據轉換為2D矢量數據

?集成的2D和3D查看器

?支持五種主流點(diǎn)云格式導出

?點(diǎn)云數據，行進(jìn)軌跡，影像資料同步查閱

四、Geoslam Horizon在房地一體測量應用方案

4.1. SLAM點(diǎn)云測圖流程

外業(yè)數據采集

A.    現場(chǎng)準備：

B.    現場(chǎng)掃描：

激光頭重1.3Kg，單塊電池可連續掃描4小時(shí)，可進(jìn)入無(wú)GPS信號的狹小空間采集數據。

4.1.2.數據內業(yè)處理

（1）數據解算階段

將原始數據導入進(jìn)預處理軟件hub里進(jìn)行解算，解算數據所需時(shí)間和電腦的配置以及掃描所用時(shí)間相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)解算時(shí)間約為掃描時(shí)間的兩到三倍。

可在預處理軟件hub中查看點(diǎn)云數據的整體3D效果，也可以以2D效果圖來(lái)進(jìn)行顯示。

當同步影像與點(diǎn)云相匹配之后，點(diǎn)云數據還能夠以RGB真彩色來(lái)顯示，與最終成果圖對比起來(lái)會(huì )顯得更加的直觀(guān)有效。

 不同材質(zhì)的物體具有不一樣的反射強度，所表示出來(lái)的色彩也會(huì )有所不同

（2）數據后處理階段

經(jīng)過(guò)全自動(dòng)預處理完成的點(diǎn)云數據，可導入軟件進(jìn)行拼接，坐標轉換，裁剪分割，簡(jiǎn)化后，直接輸出RCP工程文件

在測區內不同的平面位置處選取四個(gè)棱角分明的特征點(diǎn)，用RTK對這四個(gè)控制點(diǎn)測出大地坐標值，利用這四個(gè)控制點(diǎn)，將整個(gè)點(diǎn)云數據進(jìn)行坐標轉換。

現場(chǎng)實(shí)測控制點(diǎn)，為后期坐標轉換做準備工作。

坐標轉換精度大約在4-8厘米之間。

4.1.3.依據點(diǎn)云成圖

RCP工程文件可通過(guò)處理軟件直接打開(kāi)

導入點(diǎn)云后可直接進(jìn)行三維測圖

總結

隨著(zhù)三維激光掃描技術(shù)的普及，越來(lái)越多的人已經(jīng)感受到它與傳統測量?jì)x器之間的天差地別。三維激光掃描技術(shù)利用了可以生成3D立體的點(diǎn)云數據，將建筑結構的各個(gè)方位都能兼顧的到，通過(guò)點(diǎn)云數據再進(jìn)行后期成圖操作。這種作業(yè)方式不僅節約了時(shí)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，成圖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，而針對這種小范圍、密集度較高的房地一體化測量，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(shí)間可控，前期也可以進(jìn)行掃描作業(yè)的整體規劃。這樣，使用Geoslam horizon來(lái)完成房地一體化測量便具備了充分的可行性。