盧斌 王家志 王賢發(fā) 賀秋偉

摘要：在大壩內(nèi)部廊道的測繪任務(wù)中，激光掃描技術(shù)無法使用 INS 和 GPS 獲取數(shù)據(jù)采集設(shè)備的位姿數(shù)據(jù)，導(dǎo)航系統(tǒng)的 SLAM工程是用于解決這一問題的核心技術(shù)，它可以充分利用激光掃描儀的場景數(shù)據(jù)，實現(xiàn)硬件平臺的定位和外部環(huán)境的構(gòu)建。該文綜合應(yīng)用多技術(shù)融合的室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)、非閉環(huán)檢測的誤差校正技術(shù)和激光點云和全景影像融合等新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)測量方式，大大提高了大壩內(nèi)外部空間實景三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)精度。

關(guān)鍵詞：SLAM? 大壩三維融合

中圖分類號：TU198文獻標識碼：A??? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Research on 3D Reconstruction of Puding Dam Based on SLAM Technology

LU Bin1? WANG Jiazhi1? WANG Xianfa1? HE Qiuwei2

（1. Puding Power Generation Company，Guizhou Qianyuan Electric Power Co.， Ltd.，? Anshun， Guizhou Province， 562100 China; 2. Guizhou Jingwei Botong Technology Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou Province， 550081 China）

Abstract： In the surveying and mapping of dam internal corridor， the laser scanning technology can not use INS and GPS to obtain the pose data of data acquisition equipment. The SLAM project of the navigation system is the core technology to solve this problem. It can make full use of the scene data of the laser scanner to realize the positioning of the hardware platform and the construction of the external environment. This paper comprehensively applies new technologies such as indoor positioning and navigation technology of multi technology fusion， error correction technology of non closed-loop detection and fusion of laser point cloud and panoramic image， which changes the traditional measurement method and greatly improves the production efficiency and data accuracy of real 3D data in internal and external space of the dam.

Key Words： SLAM; Dam; 3D; Fusion

隨著智慧城市、文物保護、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、室內(nèi)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實等對室內(nèi)精細化3D模型的需求越來越多，如何快速有效地獲取室內(nèi)3D精細化模型成為了研究熱點。近年來，針對室內(nèi)3D重建，出現(xiàn)了以3D激光掃描技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)為主的測量手段[1]。相比較而言，3D激光掃描技術(shù)效率更高。然而，由于傳統(tǒng)靜態(tài)3D激光掃描技術(shù)不能實時快速地進行整體3D重建，所需工作量仍然較大。隨著同步定位與地圖構(gòu)建（simulta-neous localization and mapping， SLAM）技術(shù)日趨成熟，室內(nèi)3D實時快速重建成為可能。

1基于SLAM算法的移動測量

SLAM的基本工作原理是：當環(huán)境和自身位置無法確定時，機器人在運動過程中逐漸構(gòu)建增量地圖，實時估計自身位置和姿態(tài)，最終實現(xiàn)自身自主定位和導(dǎo)航[2]。近年來，國內(nèi)外眾多科研單位和企業(yè)將研發(fā)力量投入到SLAM技術(shù)在3D測繪領(lǐng)域的應(yīng)用上。通過對核心算法的優(yōu)化，打造了一款移動測量激光掃描機。可用于室外甚至室內(nèi)的地下等非GPS環(huán)境下獲取點云，進行三維建模[3]。這種基于SLAM的3D空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)，兼具激光掃描和移動測量技術(shù)的優(yōu)勢，成為一種新興的3D移動測量技術(shù)，在3D建模領(lǐng)域取得了重大進展[4]。

2任務(wù)概述

該次測量的對象為普定水電站，對大壩廊道內(nèi)部和外部進行三維測量，該水電站站位于烏江上游南源三岔河中游灰?guī)r峽谷河段中普定縣梭篩村，距下游引子渡電站51km，距貴陽市125km，為河岸式電站。

水庫正常蓄水位1145.00m，總庫容4.209億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。電站裝機容量75MW，設(shè)計年發(fā)電量3.16億kw·h。電站于1989年12月2日開工，1995年5月30日竣工，投入運行至今已23年。

電站樞紐由碾壓混凝土拱壩、壩頂開敞式溢洪道、右岸發(fā)電引水隧洞及廠房組成。最大壩高75m，壩體厚高比0.376。設(shè)4孔表孔溢洪道，孔口尺寸12.5×11.0m。右岸發(fā)電引水隧洞洞徑8m，長280m。廠房位于壩后右岸，內(nèi)裝3臺立式水輪發(fā)電機組。

該工程屬二等大（二）型工程，其永久建筑物按2級建筑物設(shè)計，次要建筑物按3級建筑物設(shè)計。大壩防洪設(shè)計標準為100年一遇，設(shè)計洪水位1145.62m，設(shè)計洪峰流量5100m3/s;防洪校核洪水位1147.62m，校核洪峰流量6610m3/s。

3 技術(shù)路線

該文使用室內(nèi)SLAM掃描系統(tǒng)，在整個測繪過程中，3臺激光掃描儀始終保持運作。6臺照相機在執(zhí)行“停止—運行”程序時默認以1m間隔自動觸發(fā)。通常情況下，需要視建筑大小把一個建筑物分成幾個小范圍區(qū)域掃描，可根據(jù)建筑平面圖把室內(nèi)劃分成幾個掃描區(qū)進行規(guī)劃，在掃描完成后便可以自動生成清晰的現(xiàn)場實景三維數(shù)據(jù)，如圖1所示。

3.1 點云拼接

對于一個完整的實體，一張圖片的掃描信息一般不能顯示該實體的所有特征。這需要在實體的不同位置進行多次掃描。因此，需要解決多幅圖像之間的拼接和連接問題、同名點重合問題。掃描時，掃描儀的方向是隨機且不確定的，需要連接兩個或多個地圖框，通常通過匹配名稱相同的點來實現(xiàn)，此過程是為了獲得間接地理配準[5]。選擇地面上足夠多的特征目標作為控制點，然后利用目標的高對比度特征來實現(xiàn)圖像匹配和定位。掃描時，還需要使用傳統(tǒng)的測量工具（如全站儀）獲取每張掃描圖上控制點的坐標和方位角，然后通過坐標轉(zhuǎn)換和計算，得到Entity點云。在絕對坐標系中的位置。這些任務(wù)不能由計算機自動執(zhí)行，許多任務(wù)需要人工參與，屬于半自動化操作。

3.2 全景影像拼接

將多幅圖像拼接成720°的全景圖，由數(shù)據(jù)處理平臺融合計算機視覺、計算機圖形學、數(shù)字圖像處理以及其他數(shù)學工具來完成，涉及的步驟主要有攝像機的標定、圖像的畸變校正、圖像的投影變換、同名點的選取、全景圖像的拼接，圖像的勻光勻色等[6]。

3.3 點云與全景融合處理

基于SLAM的3D激光掃描技術(shù)逐漸成為獲取3D空間數(shù)據(jù)的必要手段，可以快速準確地獲取大量可靠的空間數(shù)據(jù)。同時，高分辨率數(shù)碼相機也可以獲得高質(zhì)量的二維數(shù)、空間數(shù)據(jù)紋理數(shù)據(jù)，兩種特征描述正好互補。兩者結(jié)合可以生成高精度的真實三維世界，為虛擬三維世界的構(gòu)建奠定了良好的數(shù)據(jù)庫。配準得到的彩色點云比強度表示得到的灰度點云更加生動可靠，通過激光點云構(gòu)建場景的空間信息，將點云與圖像精確融合，形成真正的三維數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多技術(shù)融合的室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)

GPS信號不能滿足準確的地下和室內(nèi)定位和導(dǎo)航的要求。目前常用的室內(nèi)和地下定位技術(shù)主要有無線定位、傳感器定位、重合定位等。為了更好地提高定位的速度和精度，兼顧不同定位技術(shù)的優(yōu)勢互補。本文基于圖像識別技術(shù)，利用Wi-Fi和藍牙設(shè)備幫助獲取大致的地理位置信息，以在比較圖像結(jié)構(gòu)之前縮小圖像識別的搜索范圍。最后，結(jié)合智能手機終端自帶的精密傳感設(shè)備，可以判斷運動的加速度、角速度和氣壓，大大提高了定位的準確性、可用性和可靠性。

4.2 非閉環(huán)檢測的誤差校正技術(shù)

雖然SLAM掃描可以根據(jù)內(nèi)部傳感器確定的軌跡估計更靈活地創(chuàng)建內(nèi)部地圖，但很容易產(chǎn)生累積測量誤差。目前，主要的解決方案是通過重復(fù)掃描定期通過的部分區(qū)域來建立“封閉路線”，并通過捕捉“已知”環(huán)境來生成準確的地圖。但是，當遇到無法閉合的直線路徑或傳感器局部檢測范圍不完整時，該方法無法保證定位導(dǎo)航的實時性和準確性。為此，提出了一種獨立于內(nèi)部姿態(tài)估計并且可以應(yīng)用于任何路徑的實時地圖校正方法，包括閉環(huán)和非閉環(huán)檢測。其基本原理是采集SLAM錨點的真實世界位置坐標，并自動將其與采集到的數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)起來作為地理參考，從而優(yōu)化最終測量數(shù)據(jù)集的誤差。

4.3 基于空間信息的統(tǒng)一管理

無論是大壩內(nèi)部廊道或者大壩外部，都通過空間信息化集成到統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)和平臺中。平臺從大壩外到大壩內(nèi)承載了區(qū)域內(nèi)各類實體的空間數(shù)據(jù)，并且還可以加載各種專業(yè)數(shù)據(jù)，除了可以實現(xiàn)基于實景的可測量、可查詢、可分析等基本功能外，還可以實現(xiàn)裂縫管理、對比等專業(yè)功能。此外，在各管理部門內(nèi)部采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，避免了信息的反復(fù)采集，極大地降低了人力物力的浪費。

4.4 激光點云和全景影像融合技術(shù)

三維激光點云可以精確地記錄實體的空間數(shù)據(jù)，而高分辨率的全景影像又可以形象地展示實體的二維紋理，二者結(jié)合起來能夠生成高精度的真實的三維世界。采用控制點坐標自動匹配技術(shù)，找到三維激光點云對應(yīng)的影像像素，生成彩色點云，為后續(xù)三維模型的構(gòu)建、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)屬性的識別等提供形象而直觀的參考。相反，用全景影像進行展示時，也可以通過影像的像素坐標找到與之對應(yīng)的點云，實現(xiàn)對地物的量測運算，在數(shù)字大壩中有廣泛的應(yīng)用價值。

5結(jié)語

SLAM理論的發(fā)展打破了傳統(tǒng)定位方式的局限性，充分發(fā)揮了傳感器的自身優(yōu)勢，達到了良好的定位和環(huán)境構(gòu)建效果。隨著SLAM 理論在激光掃描測量領(lǐng)域的應(yīng)用，激光掃描測量技術(shù)的測繪精度得到了很大的提高，因此激光 SLAM 技術(shù)也越來越受到重視。該文綜合應(yīng)用多技術(shù)融合的室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)、非閉環(huán)檢測的誤差校正技術(shù)和激光點云和全景影像融合等新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)測量方式，大大提高了大壩內(nèi)外部空間實景三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)精度。

參考文獻

[1]? 徐博，葛奎，許邦鑫.基于三維激光SLAM技術(shù)的電力塔基地形測量方法[J].中國勘察設(shè)計，2021（S1）：47-50.

[2]? 陳煥劍. 基于激光SLAM的室內(nèi)外背包移動測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].濟南：山東科技大學，2019.

[3]? 嚴立，井發(fā)明.3D SLAM移動測量技術(shù)在室內(nèi)外一體化測量中應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2019，42（2）：80-82.

[4]? 黃榮恩.基于SLAM的三維激光測量技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學，2018.

[5]? 李品鈺，霍亮，宋繼哲，等.測量技術(shù)大壩三維監(jiān)測報警信息系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].礦山測量，2020，48（2）：48-53.

[6]? 鄧汝艷，董蕾.航測與SLAM測量技術(shù)融合在房地一體中的應(yīng)用[J].地礦測繪，2021，37（1）：17-22.