SLAM技術在農村煤改氣架空管網的應用

1. 前言

隨著我國經濟水平的不斷發展，人民生活水平也逐漸提高。目前，我國京津冀農村大部分地區已經完成了煤改氣的基礎設施建設。考慮到村街地下管道系統比較復雜，為了避免土方開挖，減少對村街道路和地下管道的破壞，在防火等級允許的情況下，天然氣管道多采用室外架空燃氣管道的施工工藝，既不影響居民的出行和日常生活，又為日后的檢修維修工作提供了便利。然而，錯綜復雜的燃氣架空管網對日后的維護檢修提出了新的要求，如果沒有完整準確的數字化燃氣管線信息，將直接影響檢修工作的順利開展，甚至會造成重大事故與損失。所以說，良好的基礎設施和完整的現代數字化燃氣管線測量資料是加快農村現代化建設，促進經濟發展的重要工作和基本保障，農村煤改氣架空管網的數字化迫在眉睫。

目前，針對農村煤改氣架空管網的數字化方案，大多為使用GPS-RTK技術采集架空管線關鍵節點（拐點，彎頭，三通）的平面坐標，利用行業內相應的GIS軟件編輯專業的屬性信息（如：管徑，管壁厚度，閥門種類，材質等），形成專屬點線表，從而實現二維數字化。該方法能夠快速獲取架空管網關鍵節點的平面坐標，可為架空管網的維修提供位置信息。然而，該方法的缺點也十分明顯：

1.節點位置精度取決于RTK信號的強弱，在某些衛星信號弱的區域，RTK難以打出固定解，而浮動解和單點解的誤差往往在20公分以上。

2.RTK無法測量架空管網的距地高度，而距地高度又是后期維護檢修的關鍵信息，不可忽略。

3.燃氣管網建設過程中，不可避免會繞開農房大門、窗戶等位置（圖1a）形成龍門（上下返），亦或會出現管線分支（圖1b），俗稱三通，這種沿垂直方向變化方向的節點無法通過平面顯示。使用RTK測出的點表中，上返點和下返點的平面坐標一致，無法分辨，而中間垂直方向的管線會被忽略，不利于長度測量。

4.提交的數據成果只有二維點線表，缺少更為精確的三維矢量化結果與更為直觀的三維可視化成果。

基于以上RTK測量方法在農村煤改氣架空管網測繪中的各種不足之處，為實現快速、詳實地為管網施工、維護檢修部門提供精確的管網數據信息及信息化平臺數據資料，需要準確獲得管網的空間位置和相關屬性信息，并再次基礎上，建立管網的三維可視化平臺，實現信息化管理。

區別于傳統的點對點測量方式，三維激光掃描技術采用主動、非接觸式的獲取被測目標表面的三維空間坐標、反射率等信息，形成直觀的三維激光點云數據。有效避免了傳統作業方式外業勞動強度大、時間長、重復測量、工作效率低等弊端，為快速建立物體的三維模型提供了一種全新的技術手段。

使用三維激光掃描系統采集燃氣架空管網的數據可以直觀反映管網的真實三維情況，然而，農村煤改氣工程所鋪設的架空管網遍布整個村落，采用傳統的地面架站式三維激光掃描儀采集管線的三維點云數據的效率十分低下，迫切需要可移動的三維激光掃描系統提升機動性，從而提高采集效率。

手持式的SLAM移動掃描系統，采用了突破性的同步定位建圖技術，能夠在運動過程中獲取高精度的激光點云數據，完成農村鄉鎮大范圍燃氣管網系統的三維空間構建。得到燃氣管網的三維點云數據后，使用針對燃氣管網測繪行業開發的PCM軟件對架空管線進行所需要素的提取與計算，得到符合實際情況的三維點線表，并將架空管網各節點坐標進行連接，得到三維管道矢量線，在實現三維可視化的同時實現三維矢量化，豐富成果內容，以達到實現燃氣架空管網三維數字化管理的目的。

2. Slam技術簡介

2.1 SLAM基本原理

SLAM (Simultaneous localization and mapping)，意為“實時定位與地圖構建”。SLAM可以理解為: 掃描儀在未知環境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現掃描儀的自主定位和導航。

圖2-1 SLAM技術路線圖

圖2-2 SLAM技術原理

2.2 3D SLAM

3D SLAM 技術是激光掃描儀的運動軌跡是一條與工作人員行走的步態有關的非線性和高動態的曲線。按照一般的理解，激光掃描儀如果安裝在移動測量系統中，一定要有一個高精度的定位系統(POS 系統)與之匹配。這樣，激光掃描儀得到的激光點才能得到對應的位置和姿態數據，進而合成三維的激光點云。為了能解算出激光點云數據的高動態非線性位姿，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定的高階特征點和特征向量，并連續跟蹤這些特征點和特征向量，進而高精度地動態反向解算掃描儀的位置和姿態。這種高精度的動態反向解算位置和姿態的方法顛覆了傳統的測繪方法，為測繪技術開拓了一種新的思路方法。

3. Slam技術特點

目前，現有的地面移動測量系統通常是基于車載的移動測量系統的，但目前地面移動測量系統均需要依賴于全球衛星導航系統(GNSS)和慣性導航系統，只能用于室外環境。然而，由于室內和地下空間等環境中沒有 GNSS 信號，因此，傳統的移動測量系統無法正常工作。固定式激光掃描可以用于室內室外的環境，但是復雜場景需要大量換站，然后進行點云拼接，數據獲取的效率十分低下。然而，即時定位與地圖構建(SLAM)技術在移動測繪方面具有較好的應用，不依托 GNSS 信號，能夠對室內和室外的地面水平環境進行地圖構建和環境建模。因此，SLAM 技術在測繪領域中的應用降低了測量復雜性，不需要大量標記地物點，不需要GPS 信號，適用于在室內室外場景，對于解決傳統測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。

由于 SLAM 技術無需 GNSS 信號，對工作環境又有極強的適應性，基于 SLAM 技術的移動測量系統在多個測繪領域發揮作用，具體表現為：

(1)外業數據采集速度極快，可快速獲得所需點云數據，數據精度高。

(2)內業點云預處理時間短，自動化程度高，基本不需要人工干預，短時間便能獲得配準好的點云數據。

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

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

圖3-1 無論是室外或者室內掃描環境，只要掃描環境結構特征越明顯

SLAM掃描結果越準確

4. GeoSLAM 移動測量掃描系統

4.1 GeoSLAM ZEB Horizon手持掃描儀

GeoSLAM ZEB Horizon手持式移動三維激光掃描儀是由澳大利亞國家科學研究機構 CSRO 和英國三維激光雷達采礦行業解決方案提供者 3D Laser mapping 公司以合資企業的形式成立,并聯合研發出的目前最輕便的SLAM 掃描系統。

圖4-1 GeoSLAM ZEB Horizon 3D 系統

圖4-2 便攜式背包與主配件

圖4-3 GeoSLAM ZEB Horizon系統技術參數

產品特性：

•全套設備僅 2.7kg，可移動的快速掃描多區域環境

•掃描頭自動旋轉，使動態掃描更加便捷，可進行 360°全景掃描

•結構設計小巧，可進入低矮及狹小空間進行全方位數據采集

•支持手持、固定桿、背負、車載、船載、無人機載等多種方式掃描

•點云數據成果自帶反射強度值

•數據精度高

4.1 數據預處理軟件 GeoSLAM HUB：

•原始數據拖放軟件內進行處理

•數據集合并

•在‘GeoSLAM Draw’中將 3D 數據轉換為 2D 矢量數據

•集成的 2D 和 3D 查看器

•支持五種主流點云格式導出

•云數據，行進軌跡，影像資料同步查閱

圖4-4 GeoSLAM HUB 軟件處理數據流程

5. 農村煤改氣架空管網測繪實施方案

基于SLAM技術可以對視覺信息和激光雷達數據進行三維重建與地圖構建。它在測繪領域有著廣泛的應用，尤其是能夠更加精確地重建三維模型數據，這對于精確測量，高精度導航，特別是室內測繪中等方面的應用有著重要的意義。

5.1 實施流程

采用GeoSLAM ZEB-HORIZON 設備對燃氣管網進行三維點云數據采集，使用后處理軟件PCM對實測三維管網點云節點進行提取與屬性編輯，內容包括節點的三維坐標XYZ、節點點號、埋深、種類、壓力級別、材質等，得到能夠上傳燃氣管線GIS系統的點線表。將節點按順序依次連接成三維矢量線可導出三維矢量成果。

圖5-1 Geoslam架空管網測繪工作流程圖

5.2 外業數據采集

GeoSLAM ZEB-HORIZON設備外業操作簡單，一鍵開機30秒完成初始化，之后拿起掃描頭，背上放有電池和數據記錄器的背包后就可以在走動中完成掃描，其掃描測程100米，點云相對精度優于±3cm，飛螢相機實時記錄掃描過程中所拍攝到的影像信息，通過后處理可以使點云帶有彩色紋理信息或者作為輔助識別管線。外業數據采集流程如下：

1.采用兩人小組制，1人使用GeoSLAM進行主要掃描，另外1人測量控制點坐標，控制點坐標經RTK 3次測量后求平均值。兩人需要緊密配合，控制點測量人員需要動作迅速，提前布設好控制點位并測量完坐標值，通常每個管網系統平均分布3-5個左右控制點。

2.現場人員需熟悉每村各管網系統調壓箱位置，主測人員持Geoslam Horizon掃描儀沿編號的管網系統調壓箱開始掃描，直到系統末端結束，單次掃描時間控制在15分鐘之內，這樣即使在掃描路徑不閉合的情況下，依舊能保證數據絕對精度在5cm以內。同時，按管線系統掃描易于數據編號與整理，大大降低內業人員工作量。

3.掃描完畢后，使用U盤從處理器中拷貝原始數據，上傳至內業人員解算處理。

圖5-2 GeoSLAM ZEB Horizon測量架空管網系統

根據現場情況及實際作業需要，RTK打點人員可騎電動車搭載主測人員進行掃描。經測試，電動車行進速度小于15km/h時，點云密度不會有明顯下降，架空管線依舊清晰。同時得益于Geoslam ZEB Horizon內置強大的高精度IMU（慣導系統），車輛于不平整路面行進而產生的顛簸不會對數據質量造成影響。這種方式極大地提升了外業掃描效率，兩人一天外業工作8小時，能夠保證采集不低于15KM的管網系統點云數據。