呂華新 陳 玲 駱小龍 楊 帆

1 寧波市奉化區(qū)測(cè)繪院，浙江 寧波，315500

2 寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波，315042

3 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢，430079

智慧城市建設(shè)、古代建筑修復(fù)、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、室內(nèi)定位導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)精細(xì)化三維模型的需求越來(lái)越多［1］，如何快速有效地獲取地下空間的精細(xì)化三維模型便成了新的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，很多新的測(cè)量手段被用于地下空間的三維快速重建，其中又以三維激光掃描和近景攝影測(cè)量技術(shù)為主［2］。相較而言，三維激光掃描技術(shù)更為成熟，效率更高。然而，傳統(tǒng)靜態(tài)激光掃描技術(shù)不能實(shí)時(shí)快速地進(jìn)行整體三維重建，所需工作量仍然較大［3］。但是隨著同步定位和地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)的日趨成熟，地下空間的三維實(shí)時(shí)快速重建成為可能。

本文以寧波市奉化主城區(qū)為試點(diǎn)區(qū)域，以銀泰城、萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)商業(yè)綜合體為試點(diǎn)建筑，將推車式SLAM掃描儀集成全景相機(jī)與激光雷達(dá)，同步采集全景影像和空間深度信息，按照《寧波市城市規(guī)劃地下空間普查測(cè)繪技術(shù)規(guī)程》的要求，普查建筑基礎(chǔ)信息、測(cè)繪矢量圖，并經(jīng)過(guò)圖像識(shí)別、點(diǎn)云拼接、集成發(fā)布，建立720°無(wú)死角的室內(nèi)實(shí)景地圖，構(gòu)建地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系和應(yīng)用服務(wù)體系，完成地下空間數(shù)據(jù)體系與既有城市基礎(chǔ)測(cè)繪成果體系的系統(tǒng)接口開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)融合。

1 基于SLAM技術(shù)的室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量

SLAM的基本工作原理是機(jī)器人在環(huán)境和自身位置都不能夠確定的情形下，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸建造增量式地圖，并對(duì)自身位置和姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)估算，進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航［4］。國(guó)內(nèi)外許多科研單位和企業(yè)已將研發(fā)力量投入SLAM技術(shù)在三維測(cè)圖領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)核心算法的優(yōu)化，制造出可移動(dòng)測(cè)量的激光掃描機(jī)器，能在室內(nèi)和地下等沒(méi)有GPS的環(huán)境中獲得點(diǎn)云，從而實(shí)現(xiàn)三維建模。這種基于SLAM的空間三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，同時(shí)擁有激光掃描和移動(dòng)測(cè)量?jī)煞N技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，成為了一種新的三維移動(dòng)測(cè)量技術(shù)，使得三維建模領(lǐng)域的研究取得了重大進(jìn)展［5］。

2 技術(shù)路線

2.1 室內(nèi)SLAM實(shí)景三維掃描

本文使用的是室內(nèi)SLAM掃描系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1所示。在整個(gè)測(cè)繪過(guò)程中，有2臺(tái)垂直激光掃描儀和1臺(tái)水平激光掃描儀始終保持運(yùn)作，3臺(tái)掃描儀中的每一臺(tái)都可以捕捉30 m內(nèi)270°范圍內(nèi)的景象，通過(guò)設(shè)計(jì)好的放置方式可以保證房間內(nèi)的三維空間都可以被覆蓋。6臺(tái)照相機(jī)在執(zhí)行“停止?運(yùn)行”程序時(shí)，默認(rèn)以1 m的間隔自動(dòng)觸發(fā)，照相機(jī)上都裝有魚(yú)眼鏡頭，可以捕捉720°全景照片，在掃描過(guò)程中會(huì)分別生成6張照片，在后期處理時(shí)要將這些照片拼接在一起。

圖1 室內(nèi)SLAM掃描系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Diagram of Composition of Indoor SLAM Scanning System

通常情況下，需要根據(jù)建筑大小把一個(gè)建筑物分成幾個(gè)小范圍區(qū)域進(jìn)行掃描，根據(jù)建筑平面圖把室內(nèi)劃分成幾個(gè)掃描區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，在掃描完成后，便可以自動(dòng)生成清晰的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景三維數(shù)據(jù)［6］。地下空間實(shí)景三維數(shù)據(jù)示例見(jiàn)圖2。

圖2 地下空間實(shí)景三維數(shù)據(jù)示例Fig.2 Example of 3D Real Scene Data of Underground Space

2.2 實(shí)景三維地圖建庫(kù)

1）點(diǎn)云拼接。對(duì)于完整的實(shí)體而言，一幅圖的掃描信息通常不能全面展示出實(shí)體的所有特征，這就要求在實(shí)體的不同方位實(shí)施多個(gè)圖幅掃描，這樣就需要解決多個(gè)圖幅之間如何進(jìn)行拼接以及同名點(diǎn)匹配的問(wèn)題［7］。在掃描時(shí)，掃描儀的方位是隨機(jī)、不確定的，需要將兩個(gè)圖幅或者多個(gè)圖幅拼接起來(lái)，通常是利用同名點(diǎn)匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這一過(guò)程是為了獲得間接的地理參照。在地面上選擇足夠多的有特征的目標(biāo)作為控制點(diǎn)，再利用目標(biāo)的高對(duì)比度特征，實(shí)現(xiàn)影像的定位和匹配。在掃描時(shí)，還需要借助傳統(tǒng)的測(cè)量工具（如全站儀）來(lái)獲得每個(gè)掃描圖幅中控制點(diǎn)的坐標(biāo)和方位，再通過(guò)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和計(jì)算，獲得實(shí)體的點(diǎn)云在絕對(duì)坐標(biāo)系中的位置。這些工作無(wú)法通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，很多步驟仍需要人工參與，屬于半自動(dòng)化作業(yè)。

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(tái)融合計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理以及其他數(shù)學(xué)工具來(lái)完成。涉及的步驟主要有攝相機(jī)的標(biāo)定、圖像的畸變校正、圖像的投影變換、同名點(diǎn)的選取、全景圖像的拼接、圖像的勻光勻色等。

3）點(diǎn)云與全景融合處理。基于SLAM的三維激光掃描技術(shù)逐漸成為獲取三維空間數(shù)據(jù)的一種必要手段。它可以既快速又準(zhǔn)確地獲得大量實(shí)體的空間數(shù)據(jù)［8］，同時(shí)，又可以通過(guò)高分辨率的數(shù)碼相機(jī)獲得高質(zhì)量的二維紋理數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)體的描繪正好互補(bǔ)，將兩者結(jié)合起來(lái)能夠生成高精度的真實(shí)三維世界，為虛擬的三維世界的建造打下了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［9］。經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)得到的彩色點(diǎn)云要比依靠強(qiáng)度渲染獲取的灰色點(diǎn)云更加形象和可靠。通過(guò)激光點(diǎn)云構(gòu)建場(chǎng)景空間信息，將點(diǎn)云與影像精確融合，形成實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)，點(diǎn)云與全景數(shù)據(jù)的融合示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 點(diǎn)云與全景數(shù)據(jù)融合示意圖Fig.3 Diagram of Fusion of Point Cloud and Panoramic Data

2.3 矢量圖數(shù)據(jù)建庫(kù)

SLAM掃描完畢后，根據(jù)點(diǎn)云能夠計(jì)算出建筑物的邊界輪廓圖，從而生成基本的矢量平面圖。如果需要進(jìn)一步加工，則可以根據(jù)這個(gè)矢量平面圖進(jìn)行進(jìn)一步的人工干預(yù)操作，如圖4所示。

圖4 矢量圖編輯操作流程Fig.4 Editing Operation Process of Vector Maps

本文選定i Data數(shù)據(jù)工廠數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，按照《寧波市城市規(guī)劃地下空間普查測(cè)繪技術(shù)規(guī)程》的要求，建立寧波市奉化區(qū)地下空間設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)主要包括以下功能：地下空間的三維實(shí)景圖瀏覽、海量數(shù)據(jù)承載、地下空間數(shù)據(jù)的二三維聯(lián)動(dòng)、實(shí)景測(cè)量、地下空間的功能區(qū)分區(qū)管理和分層展示、距離量測(cè)、設(shè)備信息的查詢與展示、興趣點(diǎn)（point of interest，POI）的展示和查詢、實(shí)景地圖與天地圖的聯(lián)動(dòng)。

1）海量三維實(shí)景地圖瀏覽。支持海量點(diǎn)云和影像承載，支持一次承載10億級(jí)激光點(diǎn)云和上萬(wàn)張全景影像，預(yù)加載時(shí)間不超過(guò)10 s，正常使用無(wú)遲滯、卡頓現(xiàn)象。地下空間海量點(diǎn)云和影像示意圖如圖5所示。

圖5 地下空間海量點(diǎn)云和影像示意圖Fig.5 Diagram of Massive Point Cloud and Image Data in Underground Space

2）二三維聯(lián)動(dòng)。支持矢量地圖直接以dxf格式導(dǎo)入，與實(shí)景地圖實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一坐標(biāo)系下的位置關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)二三維地圖的聯(lián)動(dòng)和關(guān)聯(lián)，如圖6所示。

圖6 實(shí)景三維地圖與矢量圖聯(lián)動(dòng)Fig.6 Linkage of 3D Real Scene Data and Vector Maps

3）基于影像的測(cè)量功能。能夠基于影像和三維實(shí)景模型進(jìn)行直接測(cè)量，判別凈空和間距是否符合有關(guān)規(guī)范要求，如圖7所示。

圖7 基于實(shí)景影像的測(cè)量示意圖Fig.7 Measurement Diagram Based on Real Scene Images

3 關(guān)鍵技術(shù)

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

GPS信號(hào)無(wú)法滿足地下和室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航的需求，當(dāng)前常用的地下和室內(nèi)定位技術(shù)主要有無(wú)線定位、傳感器定位和匹配定位。為了提高定位的速度和精度，考慮到不同定位技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，本文以圖像識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，采用Wi Fi和藍(lán)牙設(shè)備輔助獲取粗略的地理位置信息，以便在圖像結(jié)構(gòu)對(duì)比前縮小圖像識(shí)別的搜索范圍；結(jié)合智能手機(jī)終端自帶的精密傳感設(shè)備，判斷移動(dòng)的加速度、角速度和氣壓等，以提高定位的精度、可用度和可靠性。

3.2 非閉環(huán)檢測(cè)的誤差校正技術(shù)

根據(jù)內(nèi)部傳感器確定的軌跡估計(jì)，利用SLAM掃描技術(shù)雖然能夠比較靈活地創(chuàng)建室內(nèi)地圖，但極易產(chǎn)生累積性的測(cè)量誤差。目前主要的解決方案是通過(guò)規(guī)律性地重復(fù)掃描部分經(jīng)過(guò)的區(qū)域，建立閉合路線，通過(guò)捕捉已知環(huán)境，生成準(zhǔn)確的地圖。但這種方法在遇到無(wú)法閉合的直線路徑或者傳感器局部的感知范圍不全面時(shí)，無(wú)法保障定位導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性和精確度。為此，本文提出一種獨(dú)立于內(nèi)部位姿估計(jì)，能適用于任意路徑，包括閉環(huán)和非閉環(huán)檢測(cè)的即時(shí)地圖校正方法。其基本原理是通過(guò)采集SLAM錨定點(diǎn)真實(shí)世界的位置坐標(biāo)，并將這些坐標(biāo)作為地理參考，和采集的數(shù)據(jù)集自動(dòng)聯(lián)合，從而優(yōu)化最終測(cè)量數(shù)據(jù)集的誤差。

3.3 基于空間信息的統(tǒng)一管理

無(wú)論是室外信息還是室內(nèi)信息，都通過(guò)空間信息化集成到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)和平臺(tái)中。平臺(tái)從室外到室內(nèi)承載了區(qū)域內(nèi)各類實(shí)體的空間數(shù)據(jù)，并且還可以加載各個(gè)業(yè)務(wù)部門的專業(yè)數(shù)據(jù)，除了可以實(shí)現(xiàn)基于實(shí)景的可測(cè)量、可查詢、可分析等基本功能之外，還可以實(shí)現(xiàn)空間規(guī)劃、管理、審核等專業(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，極大降低了人力物力的浪費(fèi)。在項(xiàng)目審批、違法建設(shè)督查、不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記、地下空間開(kāi)發(fā)利用、資產(chǎn)維護(hù)管理、消防應(yīng)急、社區(qū)網(wǎng)格化管理等城市管理方面，該平臺(tái)具備廣泛的應(yīng)用前景。

3.4 激光點(diǎn)云和全景影像融合技術(shù)

三維激光點(diǎn)云可以精確地記錄實(shí)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(shí)體的二維紋理，兩者結(jié)合起來(lái)能夠生成高精度的真實(shí)三維世界［10］。采用控制點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)匹配技術(shù)，找到三維激光點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的影像像素，生成彩色點(diǎn)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(shí)別等提供形象而直觀的參考。當(dāng)使用全景影像進(jìn)行展示時(shí)，也可以通過(guò)影像的像素坐標(biāo)找到與之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)對(duì)地物的量測(cè)運(yùn)算。該技術(shù)在數(shù)字城市中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合應(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(cè)的誤差校正技術(shù)、激光點(diǎn)云和全景影像融合技術(shù)等新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)測(cè)量方式，大大提高了地下空間實(shí)景三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)精度，為后續(xù)寧波市奉化全區(qū)地下空間普查工作的開(kāi)展提供了可靠的技術(shù)保障。