基于SLAM的室內移動測量系統及其應用

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(1. 中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 511400； 2. 廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣東 廣州 511400； 3. 武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430023)

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基于SLAM的室內移動測量系統及其應用

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(1. 中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 511400； 2. 廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣東 廣州 511400； 3. 武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430023)

據統計，人類大約80%以上的行為活動發生在室內，室內定位技術的發展促使了室內位置服務的需求。其中，室內地圖是室內位置服務的重要基礎，各類室內位置服務也加大了對室內三維空間信息采集的需求，在精準營銷、餐飲服務、室內引導、智能制造、物流跟蹤等領域擁有巨大市場前景。

區別于室外開闊的場景，人們要在無GPS信號的情況下獲取室內空間高精度、多細節的三維信息非常困難。實際上，室內環境的高精度三維信息獲取類似于機器人在未知環境進行定位和制圖，在機器人領域稱之為同步定位與制圖(simultaneouslocalizationandmapping，SLAM)，因此，室內測量領域完全可以借助SLAM技術來獲取室內空間數據。其中，基于LiDAR的SLAM利用激光掃描儀作為傳感器獲取地圖數據是目前穩定、可靠、高性能的方式。

一、室內移動測量系統

2016年，中海達借助其在移動測量系統領域的優勢，突破基于激光的SLAM技術，將激光掃描儀、全景相機、里程編碼器集成于一體，推出了HiScan-SLAM室內移動測量系統，可用于室內定位、室內空間信息獲取與成圖，如圖1所示。

圖1　HiScan-SLAM室內移動測量系統

1. 基本原理

HiScan-SLAM室內移動測量系統工作的基本原理是在移動過程中利用定位激光掃描儀獲取點云，借助編碼器采集里程信息，以便于在后續的數據融合過程中使用SLAM算法解算高精度的軌跡，其中，每個軌跡點包含了采集的具體時間、全局坐標系下的位置及姿態信息，然后根據載體與三維激光掃描儀、全景相機之間的空間關系解算出在全局坐標系下激光點云坐標及拍照時刻的位置和關系，從而完成室內空間三維實景信息的獲取。

2. 技術流程

HiScan-SLAM包含外業采集、內業處理和成果發布幾個步驟。首先利用操控軟件完成外業采集，然后通過軌跡軟件進行解算，得到HiScan標準工程數據，通過成熟完整的自主軟件體系進行處理，得到室內全景、室內二維圖和室內三維模型，如圖2所示。

圖2　基于SLAM的室內移動測量系統數據處理技術流程

3. 關鍵技術

(1) 多傳感器空間關系標定

HiScan-SLAM集成了激光掃描儀、全景相機和里程編碼器等多個傳感器，通過多傳感器空間關系標定技術，實現對各個測量裝置的空間基準、測量誤差模型的構建，進行單傳感器內標定及多傳感器互標定，從而保證整個系統的測量級精度。

(2) 多傳感器同步控制及融合

利用系統內部統一授時及時序編碼同步技術建立時間基準，采用時間同步冗余控制方法，通過多傳感器時間同步控制器，解決激光掃描儀、里程編碼器、相機單元等多傳感器間的時空基準統一及同步控制問題，實現多傳感器數據采集機制在統一時間基準下進行。

(3) 基于高可靠性SLAM算法的軌跡濾波及平滑

基于高可靠性SLAM算法的軌跡濾波及平滑技術，主要用于2D、3D不同的室內外場景下，實現采集過程中軌跡點位置和姿態的實時處理，指導采集規劃路線，同時也保證采集完成后的精確軌跡的正確解算，從而根據高精度的位置和姿態解算高精度激光點云和影像數據，用于后續二、三維地圖生產。

二、應用領域

1. 室內測圖

HiScan-SLAM能夠快速獲取地下空間、室內環境的三維點云和全景，行進過程中能實時顯示掃描點云數據，利用點云數據能夠繪制出室內空間輪廓圖，為后續商場零售、停車場反向尋車、公共場所路徑引導等室內定位應用提供可靠的室內地圖支持，如圖3所示。

圖3

2. BIM建模

HiScan-SLAM能夠輕松獲取現代非規則建筑的室內空間信息，基于動態采集的高精度點云能為三維建模提供基礎數據，結合自主研發的三維建模軟件能夠快速地生成模型，滿足建筑物BIM建設需求，如圖4所示。

圖4

3. 全景導航

HiScan-SLAM除了可以獲取室內空間環境的高精度點云外，還可以獲取連續的全景影像，利用實景生產與發布軟件生成的室內全景，結合室內二維平面圖，可以對地鐵站、機場、大型商場等室內空間進行全景導航，如圖5所示。

圖5

三、結束語

移動互聯網的普及、傳感技術的發展與物聯網應用的興起促使室內定位成為剛需，帶動了室內空間信息獲取與應用需求的日益增長。HiScan-SLAM憑借其靈活、機動的特性，基于LiDAR的SLAM技術，能夠快速、實時、精準地獲取室內環境的三維激光點云、全景影像和行駛軌跡，能夠為室內定位、室內二三維地圖和三維模型生產提供數據支持。室內移動測量系統未來在智能制造、物流跟蹤、零售銷售、智慧城市、智慧建筑等領域將有廣闊的應用前景，市場空間巨大。

(本專欄由中海達和本刊編輯部共同主辦)

基金項目：空間信息智能感知與服務深圳市重點實驗室(深圳大學)開放基金(42990007)

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