深入一线|SLAM技术在城市地下综合管廊信息化建设中的应用

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目 录

一、城市地下综合管廊信息化建设现状概述.... 3

二、城市地下综合管廊信息化建设中数据采集的难点问题.... 4

1、建设工期段，数据采集时间短... 4

2、城市地下管廊无GPS等通信信号... 5

3、管廊内部环境和结构复杂... 5

三、基于SLAM技术的城市地下综合管廊信息化数据采集解决方案.... 6

1、基于SLAM在城市地下综合管廊进行三维数据采集技术概述... 6

2、数据采集解决方案的关键技术... 7

1）基于实时定位与制图（SLAM）的城市地下空间数据采集技术... 7

2）全景影像与激光点云同步采集与匹配的关键技术... 9

3、技术流程... 12

四、应用案例.... 14

1、河北正定-基于SLAM的城市综合管廊三维数据采集... 14

2、基于SLAM的地铁三维扫描... 17

3、基于SLAM的地下巷道和人防工程三维扫描... 20

我国的管廊建设、管廊信息化建设起步晚，但是发展迅速。政府对管廊建设也十分的重视，尤其近几年陆续出台了大量的政策和规范，为城市地下综合管廊的建设及信息化建设提供了指导意见。

比如，国务院关于加强城市基础设施建设的意见（国发〔2013〕36号）、国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见（国办发〔2014〕27号） 、国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见（国办发〔2015〕61号）、中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见（2016年2月6日）、住房城乡建设部与国家能源局关于推进电力管线纳入城市地下综合管廊的意见（建城[2016]98号）等，在城市地下综合管廊规划、建设和管理及后期的运维及发展等诸多方面，在政策、法律法规层面做了详细的规划和指导。

自2015年全国开展管廊建设试点以来，共计有厦门、包头、沈阳、哈尔滨、苏州、长沙、南宁等二十多个城市开工建设了管廊。李克强总理作政府工作报告时提出，2016年将开工建设城市地下综合管廊2000公里以上。

按照《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838-2015的规定，管廊监控与报警系统宜分为环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统和统一管理信息平台等。而各类系统建设的离不开管廊本体及周边环境的基础数据信息。

信息需求决定了数据采集的需求。通过综合分析管廊信息化建设的需求，需要以下几个方面采集管廊的基本信息。

1、管廊本体信息，包括管廊的走向、空间、坡向等基本信息，是管廊内部的地形图数据信息。

2、设施信息，包括管廊内部设施及管廊附属设施信息。

3、资产信息，该信息为虚拟信息，但要求在管廊三维平台中以可视化的形式展现出来。

4、监控点信息，包括监控设备安装点位信息。

5、监测信息，包括监测设备采集的各类监测信息。

6、地下周边环境信息，包括城市地下交通、管廊内假设的敏感管线信息、地质信息等。

7、地上环境信息，包括地上的交通、地上敏感地物信息及其他环境信息。

8、建设工程信息，包括地上、地下建设工程，地铁、道路、绿化、建筑施工等，主要考虑到其对管廊的安全保护问题。

9、室内定位信息，包括可采用多种技术手段实现室内定位，但需要考虑到实际的工作效率及成本。

10、管廊变形监测与管线漏洞监测信息，包括将前后两期高精度点云数据进行对比分析。

、建设工期短，数据采集时间短

近年来，我国管廊建设的发展迅速，城市地下综合管廊信息化建设的需求也越来越旺盛。而考虑到信息化建设工期有限，不能长时间的等待管廊三维数据的采集与处理。

传统非移动的管廊三维数据获取手段采集效率低、速度慢，难以满足快速发展的管廊信息化建设的需要。

、城市地下管廊无GPS等通信信号

城市地下管廊内无GPS信号，其他通讯信号差。在进行管廊三维数据获取过程中，难以依赖GPS等其他通讯手段。传统的测量仪器无法进行室内的测量。迫切需要一种新的技术手段，能取代传统高度依赖GPS等技术手段的作业方式。

、管廊内部环境和结构复杂

管廊内部的环境与结构复杂，尤其是已经铺设了管线的管廊，内部机构错综复杂，如果采用静态扫描方式，那么采集数据的难度十分大，需要大量的架设扫描站，后期不同架站的数据拼接工作量是十分巨大的。

、基于SLAM在城市地下综合管廊进行三维数据采集技术概述

SLAM(simultaneous localization and mapping) , 即实时定位与制图，或并发建图与定位。SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出。由于其重要的理论与应用价值，被很多学者认为是实现真正全自主移动机器人的关键。目前进行SLAM研究的机构全球超过上万家，但真正用于测量领域，同时能将技术和转化成产品的，全球也仅有少量的几家。而目前基于SLAM高精度三维地图和依靠采集设备自身的惯性测量装置IMU进行定位的技术的研究在国际范围内尚属于初步的发展阶段。

城市地下综合管廊三维数据采集技术中，采用基于激光扫描（LiDAR）和同步定位与制图（SLAM）进行三维数据采集的技术研究与应用处于逐渐发展的阶段。

国内有采用地面激光扫描技术进行城市地下综合管廊三维数据采集的应用案例。在过去的30多年里，随着电子元器件和光电技术的发展，三维激光扫描技术已经成功地从上世纪80年代的实验阶段和90年代的验证阶段跨入成熟的应用阶段。随着三维激光扫描仪在测绘中的应用与推广，一些测绘中的先进技术逐渐集成到扫描仪上，如新型的地面三维扫描仪包含电子气泡、倾斜补偿器、电子对中、多传感器融合（相机、GPS）等等，使其成为继经纬仪系统、摄影测量系统及GPS后又一重要的三维信息获取手段。但主要受到多重因素的影响而导致应用推广的不够彻底。

1）进一步提高精度，解决精密工程测量问题和工业测量问题；

2）与其他传感器集成，相互利用其优点，扩展应用领域，提高工作效率；

3）进一步研究三维激光扫描仪从静态测量到动态测量的各项指标；

4）数据处理软件的已有功能的完善与新功能的进一步开发；

5）降低设备使用成本。

、数据采集解决方案的关键技术

）基于实时定位与制图（SLAM）的城市地下空间数据采集技术

城市地下综合管廊数据采集需要根据地下管廊结构的不同，而采用不同的数据采集技术手段。

数十种城市地下管廊组成了一个错综复杂立体结构，而采用传统的室内测图方式难以满足城市地下管廊的管理需求。近年来，移动测量技术与三维技术激光扫描技术不断应用于城市地下管廊数据采集过程中。

目前移动测量系统主要指基于机动车辆的移动道路测量系统。其中，移动道路测量系统通过机动车上装配的GPS、INS、数码相机、数码摄像机和激光雷达等设备，在车辆高速行进之中，快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据，特别适合于公路、铁路和电力线等带状地区的基础信息获取。

地面激光扫描技术是一种从复杂实体或实景中重建目标全景三维数据及模型的技术。激光扫描技术突破了传统的单点测量方式，具有速度快、非接触、高密度、自动化等特性，是继GPS后测绘领域又一次重大技术革新。激光扫描技术标志性的设备——激光扫描仪是从主动式非接触激光测距仪发展而来。非接触激光测距的方式主要有基于三角原理的单点式、直线式、结构光式测距和基于飞行时间法的脉冲式、相位式。地面激光扫描仪（Terrestrial Laser Scanner，TLS）是采用主动式非接触激光测距，通过扫描镜及伺服马达实现三维扫描，高速度、高密度、高精度地获取目标表面三维点坐标及纹理的信息采集系统。

目前进行三维扫描常见的技术设备有两大类：一类是静态扫描仪，这些设备在城市地下空间扫描时需要事先进行导线布设，然后在布设的已知点上进行一站一站的扫描，处理数据时需要拼接点云，效率特别低，完全不适合在海量的城市地下空间扫描中应用。另一类是三维移动扫描设备。首先大多数的技术设备配备有高精度的惯性导航系统，设备成本和使用成本高，不利于进行海量城市地下空间数据采集；其次设备在使用的过程中需要在已知点上严格对中整平，每次采集之前所花费的时间很长，工作效率非常低。

而基于实时定位与制图（SLAM）的城市地下空间三维数据采集技术将结合结合激光扫描技术与移动测量技术的优势，形成一项全新的三维移动测量技术。该技术实现在没有GPS和复杂惯性导航系统的环境下，仅依靠技术设备自身配置的简单惯性测量装置，实现城市综合管道数据的快速、便捷、低成本的采集。

近年来，国际国内众多机构投入大量的力量进行城市地下综合管廊的测量，基础的技术种类众多。对比分析国际国内普遍使用的城市地下空间测量技术，综合考虑了数据采集的效率、成本、精度及技术可推广型等诸多因素，经对比分析，基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量技术具有领先水平。

受到城市地下综合管廊布局等诸多因素的影响，城市地下综合管廊立体结构复杂。城市地下综合管廊三维数据测量工作难度较大。城市地下综合管廊测量工作主要受到城市地下空间环境的GPS信号差、通讯信号差、数据采集难度大等诸多因素的影响，导致城市地下综合管廊三维数据采集的精度低下、工作效率很低且成本较高的局面。

基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量的技术关键在于，在没有GPS的支持下的,如何解决室内高精度定位的问题。最常见的技术便是高精度惯性测量装置IMU的使用，但这会使得室内移动设备的成本高居不下，同时没有GPS的改正，惯性测量装置IMU基于时间累计的误差无法得到校准，导致测量越久，漂移越大。基于此，全球越来越多的学者，将用于机器人领域的实时定位与制图（SLAM），用在移动测量上，这一技术的核心在于，测量的同时，用测量数据进行定位，即无需其他任何辅助设备，用LiDAR同时进行扫描和定位。

）全景影像与激光点云同步采集与匹配的关键技术

数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影像数据进行预处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点。对点云数据进行识别分类，对扫描获取的图像进行几何纠正。

经过处理的点、线，由于顾及了建筑物的整体特征，因此可以更好、更正确地表达测量对象的平面特征，从而对激光扫描测量的各个立面进行了整体匹配纠正。

一个完整的实体用一幅扫描往往是不能完整的反映实体信息的，这需要我们在不同的位置对它进行多幅扫描，这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配问题。在扫描过程中，扫描仪的方向和位置都是随机、未知的，要实现两幅或多幅扫描的拼接，常规方法式是利用选择公共参照点的办法来实现这个过程。这个过程也叫作间接的地理参照。选取特定的反射参照目标当作地面控制点，利用它的高对比度特性实现扫描影像的定位以及扫描和影像之间的匹配。扫描的同时，采用传统手段，如全站仪测量，获得每幅扫描中控制点的坐标和方位，再进行坐标转换，计算就可以获得了实体点云数据在统一的绝对坐标系中的坐标。这一系列工作包含着人工参与和计算机的自动处理，是半自动化完成的。

近年来，三维激光扫描技术不断发展,在数字城市、文物保护、三维重建等领域有着越来越广泛的应用。三维激光扫描仪作为获取三维空间数据的重要手段,能够快速、准确、大量地获得物体的空间几何信息,而高分辨率数码相机能够得到高质量的二维纹理数据,两者对目标的描述具有互补性。这两者的结合可生成精确、真实的三维世界,为虚拟三维环境的构建提供了很好的数据支撑。因此,激光扫描点云与光学影像这两种数据的融合处理在三维建模、地物识别、虚拟场景可视化等方面具有非常重要的意义。

基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量的技术无需初始化，开机后即可由操作员推着采集设备在测区范围内进行扫描。最关键的技术是该方式得到的点云是一套完整的点云，不需要进行拼接，这样也就避免了因点云拼接造成的精度损失。所以基于实时定位与制图（SLAM）的移动测量技术具有扫描效率高，数据精度高的特点，特别适用于城市地下空间数据的采集工作。相比传统的静态数据获取方式更节省时间和作业成本，更符合大体量城市地下综合管廊数据精确采集的实际需求。

基于激光扫描（LiDAR）和同步定位与制图（SLAM）技术能够精确得采集室内外三维激光点云数据，而不依赖于GPS或使用复杂的惯导系统。使用SLAM算法，通过三维激光扫描实现地图的建立。在仪器通过时，不间断的采集精细的二维地图数据，并记录光学数据以及LiDAR的时间位置信息，然后根据光学数据建立彩色的三维点云数据，将二维平面视图转换为三维立体环境。且在数据采集过程中，可实时观察采集数据的质量，并能指导数据采集人员现场采集工作，避免采集过程中出现遗漏、错误等情况，确保一次性完成数据采集，提高工作效率。

对外业采集到的点云依次进行预处理、拼接，然后根据点云在后处理软件中建立三维可视化模型，最后加上地下综合管廊中各类地物的属性信息（如名称、材质、规格等信息）形成三维可视化系统。

基于激光扫描（LiDAR）和同步定位与制图（SLAM）协同使用，以达到全景影像与激光点云同步采集与匹配的目的，提高城市地下空间三维数据制作的效率和精度，并且能大幅降低数据采集与处理成本，使得技术的广泛应用于城市地下综合管廊测量成为可能。

、技术流程

利用基于SLAM技术的iMS3D(室内三维移动扫描仪）采集地下综合管廊中各类地物的三维激光点云，作为原始数据存储入库。

iMS3D(室内三维移动扫描仪）能够精确得采集室内外三维激光点云数据，而不依赖于GPS或使用复杂的惯导系统。使用SLAM算法，通过三维激光扫描实现地图的建立。在仪器通过时，不间断的采集精细的二维地图数据，并记录光学数据以及LiDAR的时间位置信息，然后根据光学数据建立彩色的三维点云数据，将二维平面视图转换为三维立体环境。

采用iMS3D采集三维数据，首先需要对地下管廊的走向、拐点位置、空间大小等进行简单的分析，规划采集路线，随后进行数据采集。在采集过程中，注意保持好行进速度和姿态，对于难以采集到的区域，改用手持式三维扫描仪DPI-8进行补充扫描。

对于iMS3D设备难以进入的区域，则采用DPI-8手持式三维扫描仪进行扫描，DPI-8与PPVISION点云处理软件相结合，可实现快速扫描，实时成像。

• 点云配准、编辑、过滤、抽稀、特征识别、建模、颜色映射。

• 点云切片、围框裁剪。

• 基于点云的3D量测功能。

• 基于点云绘制点、线、面地物。

• 基于点云三维建模。

• 多种绘图、建模、拟合工具。

• 属性标注。

• 点云中插入三维模型，用于方案比对、分析等。

• 点云中插入图片、视频。

• 任意剖面提取。

• 同一部位多期点云的变形分析。

• 同步AutoCAD、3DMAX。

、河北正定-基于SLAM的城市综合管廊三维数据采集

2016年，华泰天宇受河北正定管廊管理单位委托，采用基于SLAM的iMS 3D室内三维扫描仪进行三维激光扫描。管廊总长度约4公里，除去因上下层未建有楼梯而致使需要拆卸设备进行搬运所耽误的时间外，全部管廊扫描共计1小时，数据处理4个小时，后期三维建模共计3人·天即可生成下图效果的三维成果，精度达1cm。

管廊指挥中心三维成果图

管廊指挥中心三维成果图

从管理区进入地下管廊三维成果图

管廊内部三维成果-热力、中水层

管廊内部三维成果-电力线层

、基于SLAM的地铁三维扫描

地铁作为城市地下空间的重要组成部分，也是城市地下空间信息化建设的重要内容。地铁隧道的结构单一、特征点少，无论采用静态还是动态方式进行扫描，都存在较大的难度。如果采用静态方式扫描，需要不断的进行摆站，每站有效的扫描距离10-20米，扫描的效率比较低。一个作业期间结束后，需要对多个测站扫描的数据进行拼接，后续数据的工作量十分庞大。

华泰天宇采用基于SLAM的移动三维扫描仪，搭载计步器进行三维数据扫描，可有效的解决移动测量设备在狭长的地下空间内进行数据采集过程中难以找到特征点进行匹配的问题。基于SLAM的移动三维扫描仪，搭载计步器进行三维数据扫描，可实现每小时扫描5-8公里的工作效率，且扫描的数据为连续激光点云，无须拼接，直接进行后续的数据处理，大大提高了工作效率。

基于SLAM的地铁三维数据扫描整体展示图

基于SLAM的地铁三维数据扫描整体展示图

基于SLAM的地铁三维数据扫描成果图

基于SLAM的地铁三维数据扫描成果图

、基于SLAM的地下巷道和人防工程三维扫描

基于SLAM的地下巷道和人防工程三维扫描，其技术优势和工作原理与在管廊和城市地铁环境中的类似。

北京华泰天宇科技有限公司

2016年8月23日

来源：建设信息化

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