SLAM技术在房地一体化测量中的应用方案

一、SLAM简介

1.1. SLAM原理

SLAM是Simultaneous localization and mapping缩写，意为“同步定位与建图”。SLAM问题可以描述为: 扫描仪在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现扫描仪的自主定位和导航。  

1.2. 3D SLAM

      3D SLAM技术是激光扫描仪的运动轨迹是一条与工作人员行走的步态有关的非线性和高动态的曲线。按照一般的理解，激光扫描仪如果安装在移动测量系统中，一定要有一个高精度的定位系统(POS系统)与之匹配，这样，激光扫描仪得到的激光点才能得到对应的位置和姿态数据，进而合成三维的激光点云。为了能解算出激光点云数据的高动态非线性位姿，通过研究激光点云的处理算法，可从这些杂乱无章的点云中找到线索，求取其中隐含的更稳定的高阶特征点和特征向量，并连续跟踪这些特征点和特征向量，进而高精度地动态反向解算扫描仪的位置和姿态。这种高精度的动态反向解算位置和姿态的方法颠覆的传统的测绘方法，为测绘技术开拓了一种新的思路方法。

二、SLAM技术特点

      目前，现有的地面移动测量系统通常是基于车载的移动测量系统的，但目前地面移动测量系统均需要依赖于全球卫星导航系统(GNSS)和惯性导航系统，只能用于室外环境。然而，由于室内和地下空间等环境中没有GNSS信号，因此，传统的移动测量系统无法正常工作。固定式激光扫描可以用于室内室外的环境，但是复杂场景需要大量换站，然后进行点云拼接，数据获取的效率十分低下。然而，即时定位与地图构建(SLAM)技术在移动测绘方面具有较好的应用，不依托GNSS信号，能够对室内和室外的地面水平环境进行地图构建和环境建模。因此，SLAM技术在测绘领域中的应用降低了测量复杂性，不需要大量标记地物点，不需要GPS信号，适用于在室内室外场景，对于解决传统测绘中的定位及场景重建问题具有广阔的前景。

由于SLAM技术无需GNSS信号，对工作环境又有极强的适应性，基于SLAM技术的移动测量系统在多个测绘领域发挥作用，具体表现为：

(1) 外业数据采集速度极快，可快速获得所需点云数据，数据精度高。

(2) 内业点云预处理时间短，自动化程度高，基本不需要人工干预，短时间便能获得配准好的点云数据。

(3) 操作简单方便，无需换站，连续采集，具有连贯性，可实现室内外一体化扫描作业。

(4) SLAM技术的测绘移动测量扫描仪在任意环境中长时间工作故障率低，对于精度要求较高的重点区域，可与固定测站式三维激光系统配合使用，既能保证精度，又能保证效率。

三、Geoslam HORIZON 特性

GeoSLAM Horizon 手持式移动三维激光扫描仪是由澳大利亚国家科学研究机构CSRO和英国三维激光雷达采矿行业解决方案提供者3D lasermapping公司以合资企业的形式成立，并联合研发出的目前最轻便的SLAM扫描系统。

GeoSLAM Horizon 3D系统技术参数

产品特性：

?全套设备仅3.5kg，可移动的快速扫描多区域环境

?扫描头自动旋转，使动态扫描更加便捷，可进行360°全景扫描

?结构设计小巧，可进入低矮及狭小空间进行全方位数据采集

?支持手持、固定杆、背负、车载、船载、无人机载等多种方式扫描

?点云数据成果自带反射强度值

?数据精度高

数据预处理软件GeoSLAMHUB特性：

?原始数据拖放软件内进行处理

?数据集合并

?在‘GeoSLAMDraw’中将3D数据转换为2D矢量数据

?集成的2D和3D查看器

?支持五种主流点云格式导出

?点云数据，行进轨迹，影像资料同步查阅

四、Geoslam Horizon在房地一体测量应用方案

4.1. SLAM点云测图流程

外业数据采集

A.    现场准备：

B.    现场扫描：

激光头重1.3Kg，单块电池可连续扫描4小时，可进入无GPS信号的狭小空间采集数据。

4.1.2.数据内业处理

（1）数据解算阶段

将原始数据导入进预处理软件hub里进行解算，解算数据所需时间和电脑的配置以及扫描所用时间相关，一般来说解算时间约为扫描时间的两到三倍。

可在预处理软件hub中查看点云数据的整体3D效果，也可以以2D效果图来进行显示。

当同步影像与点云相匹配之后，点云数据还能够以RGB真彩色来显示，与最终成果图对比起来会显得更加的直观有效。

 不同材质的物体具有不一样的反射强度，所表示出来的色彩也会有所不同

（2）数据后处理阶段

经过全自动预处理完成的点云数据，可导入软件进行拼接，坐标转换，裁剪分割，简化后，直接输出RCP工程文件

在测区内不同的平面位置处选取四个棱角分明的特征点，用RTK对这四个控制点测出大地坐标值，利用这四个控制点，将整个点云数据进行坐标转换。

现场实测控制点，为后期坐标转换做准备工作。

坐标转换精度大约在4-8厘米之间。

4.1.3.依据点云成图

RCP工程文件可通过处理软件直接打开

导入点云后可直接进行三维测图

总结

随着三维激光扫描技术的普及，越来越多的人已经感受到它与传统测量仪器之间的天差地别。三维激光扫描技术利用了可以生成3D立体的点云数据，将建筑结构的各个方位都能兼顾的到，通过点云数据再进行后期成图操作。这种作业方式不仅节约了时间，提高了作业效率，也大大减少了人力、物力的投入，更为重要的是，成图的精度也很大程度上得到了保证。目前，三维激光扫描仪很多种选择，而针对这种小范围、密集度较高的房地一体化测量，手持式扫描仪作业方式灵活，仅用一人就可以完成外业扫描工作，作业时间可控，前期也可以进行扫描作业的整体规划。这样，使用Geoslam horizon来完成房地一体化测量便具备了充分的可行性。