一、SLAM簡介

1.1. SLAM原理

SLAM是Simultaneous localization and mapping縮寫，意為“同步定位與建圖”。SLAM問題可以描述為: 掃描儀在未知環(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(jìn)行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航。  

1.2. 3D SLAM

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

二、SLAM技術(shù)特點

      目前，現(xiàn)有的地面移動測量系統(tǒng)通常是基于車載的移動測量系統(tǒng)的，但目前地面移動測量系統(tǒng)均需要依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，只能用于室外環(huán)境。然而，由于室內(nèi)和地下空間等環(huán)境中沒有GNSS信號，因此，傳統(tǒng)的移動測量系統(tǒng)無法正常工作。固定式激光掃描可以用于室內(nèi)室外的環(huán)境，但是復(fù)雜場景需要大量換站，然后進(jìn)行點云拼接，數(shù)據(jù)獲取的效率十分低下。然而，即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)在移動測繪方面具有較好的應(yīng)用，不依托GNSS信號，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和環(huán)境建模。因此，SLAM技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了測量復(fù)雜性，不需要大量標(biāo)記地物點，不需要GPS信號，適用于在室內(nèi)室外場景，對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。

由于SLAM技術(shù)無需GNSS信號，對工作環(huán)境又有極強(qiáng)的適應(yīng)性，基于SLAM技術(shù)的移動測量系統(tǒng)在多個測繪領(lǐng)域發(fā)揮作用，具體表現(xiàn)為：

(1) 外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高。

(2) 內(nèi)業(yè)點云預(yù)處理時間短，自動化程度高，基本不需要人工干預(yù)，短時間便能獲得配準(zhǔn)好的點云數(shù)據(jù)。

(3) 操作簡單方便，無需換站，連續(xù)采集，具有連貫性，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)。

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

三、Geoslam HORIZON 特性

GeoSLAM Horizon 手持式移動三維激光掃描儀是由澳大利亞國家科學(xué)研究機(jī)構(gòu)CSRO和英國三維激光雷達(dá)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(tǒng)。

GeoSLAM Horizon 3D系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品特性：

?全套設(shè)備僅3.5kg，可移動的快速掃描多區(qū)域環(huán)境

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

?結(jié)構(gòu)設(shè)計小巧，可進(jìn)入低矮及狹小空間進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)采集

?支持手持、固定桿、背負(fù)、車載、船載、無人機(jī)載等多種方式掃描

?點云數(shù)據(jù)成果自帶反射強(qiáng)度值

?數(shù)據(jù)精度高

數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件GeoSLAMHUB特性：

?原始數(shù)據(jù)拖放軟件內(nèi)進(jìn)行處理

?數(shù)據(jù)集合并

?在‘GeoSLAMDraw’中將3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2D矢量數(shù)據(jù)

?集成的2D和3D查看器

?支持五種主流點云格式導(dǎo)出

?點云數(shù)據(jù)，行進(jìn)軌跡，影像資料同步查閱

四、Geoslam Horizon在房地一體測量應(yīng)用方案

4.1. SLAM點云測圖流程

外業(yè)數(shù)據(jù)采集

A.    現(xiàn)場準(zhǔn)備：

B.    現(xiàn)場掃描：

激光頭重1.3Kg，單塊電池可連續(xù)掃描4小時，可進(jìn)入無GPS信號的狹小空間采集數(shù)據(jù)。

4.1.2.數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

（1）數(shù)據(jù)解算階段

將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)預(yù)處理軟件hub里進(jìn)行解算，解算數(shù)據(jù)所需時間和電腦的配置以及掃描所用時間相關(guān)，一般來說解算時間約為掃描時間的兩到三倍。

可在預(yù)處理軟件hub中查看點云數(shù)據(jù)的整體3D效果，也可以以2D效果圖來進(jìn)行顯示。

當(dāng)同步影像與點云相匹配之后，點云數(shù)據(jù)還能夠以RGB真彩色來顯示，與最終成果圖對比起來會顯得更加的直觀有效。

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

（2）數(shù)據(jù)后處理階段

經(jīng)過全自動預(yù)處理完成的點云數(shù)據(jù)，可導(dǎo)入軟件進(jìn)行拼接，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，裁剪分割，簡化后，直接輸出RCP工程文件

在測區(qū)內(nèi)不同的平面位置處選取四個棱角分明的特征點，用RTK對這四個控制點測出大地坐標(biāo)值，利用這四個控制點，將整個點云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)場實測控制點，為后期坐標(biāo)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備工作。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度大約在4-8厘米之間。

4.1.3.依據(jù)點云成圖

RCP工程文件可通過處理軟件直接打開

導(dǎo)入點云后可直接進(jìn)行三維測圖

總結(jié)

隨著三維激光掃描技術(shù)的普及，越來越多的人已經(jīng)感受到它與傳統(tǒng)測量儀器之間的天差地別。三維激光掃描技術(shù)利用了可以生成3D立體的點云數(shù)據(jù)，將建筑結(jié)構(gòu)的各個方位都能兼顧的到，通過點云數(shù)據(jù)再進(jìn)行后期成圖操作。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，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)時間可控，前期也可以進(jìn)行掃描作業(yè)的整體規(guī)劃。這樣，使用Geoslam horizon來完成房地一體化測量便具備了充分的可行性。