一种基于截面结构约束的地下管廊实时三维建图方法与流程

本发明涉及移动机器人三维感知、激光雷达建图、激光惯性里程计、多传感器融合和地下空间数字化巡检，具体而言，涉及一种基于截面结构约束的地下管廊实时三维建图方法。

背景技术：

1、地下管廊、隧道等地下线性空间普遍具备长距离延伸、光照条件差、结构同质化重复、遮挡工况频繁、gnss卫星信号完全失效的特点，是城市地下基建巡检、精密量测、资产盘点、数字化建模交付的核心作业场景，目前行业普遍采用移动式三维扫描设备完成该类封闭拒止环境的同步定位与建图作业，主流技术方案依托激光惯性里程计，结合激光点云匹配与imu预积分方式实现设备位姿估计，以此支撑三维地图构建工作，但该传统方案在地下线性特殊工况下存在固有缺陷，地下空间的平行墙面、平直地面、连续排布管线与重复支架结构，会导致激光点云匹配在多个运动自由度上发生几何退化，设备长距离连续行进过程中极易在横向、航向或高度方向产生持续累积误差，严重影响建图精度与稳定性；现阶段mid360等非重复式半球激光雷达凭借360°水平视场、大垂直覆盖范围、近距盲区小、高点点率、人眼安全、高防水防尘等级且内置imu的优势，可在连续时间窗口内实现更全面的空间覆盖，同时geoscan s1、geoscan s2系列一体化建图设备集成激光雷达、imu、工业相机与边缘计算模块，可适配手持、轮式、四足机器人等多载体移动扫描作业，是当前地下空间数字化作业的主流设备，然而现有主流建图算法与作业流程存在明显技术短板，一方面现有建图方法仅将非重复式半球激光雷达的点云数据作为常规点云帧匹配处理，未结合其独特的非重复扫描轨迹、半球全域覆盖特性，针对地下线性空间结构特点构建专属结构约束机制，无法充分发挥设备的扫描性能优势，另一方面现有作业体系缺乏建图可信度量化评价与智能补扫机制，当作业区域因侧壁遮挡、顶部结构缺失、结构重复、扫描覆盖不足导致建图质量劣化时，系统无法量化输出区域建图可信度指标，现场作业人员无明确技术依据开展精准补扫作业，上述诸多技术缺陷最终导致地下线性空间三维点云地图普遍存在局部错位、数据空洞、测量结果不稳定等问题，无法满足高精度、高完整性、可量化的地下空间数字化交付与巡检作业需求。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于截面结构约束的地下管廊实时三维建图方法，旨在解决现有地下线性空间移动建图技术中存在的几何退化误差累积、半球激光雷达性能利用率低、建图质量无法量化评估、无标准化补扫依据、点云成果缺陷突出等技术问题。

2、为了实现上述技术目的，本申请提供了一种基于截面结构约束的地下管廊实时三维建图方法，包括以下步骤：

3、在gnss拒止的地下线性空间中，利用非重复式半球激光雷达采集激光点云数据，并进行运动畸变校正后，得到去畸变点云，以累积获取时间累积截面点云；

4、通过时间累积截面点云，提取地下线性空间的截面结构要素，以确定建图退化指标；

5、根据建图退化指标，确定低可信目标区域并生成补扫任务，以对低可信目标区域的局部子图进行校正并输出三维点云地图。

6、优选地，在获取去畸变点云时，在gnss拒止的地下线性空间中，采集惯性测量数据，以对激光点云数据进行运动畸变校正，得到去畸变点云。

7、优选地，在获取时间累积截面点云时，根据非重复式半球激光雷达在连续扫描周期内形成的不同扫描轨迹，将多个连续扫描周期的去畸变点云累积为时间累积截面点云，其中，时间累积截面点云的累积窗口根据固定时间、固定行进距离、半球方向覆盖率和扫描终端运动状态中的至少一种确定。

8、优选地，在提取截面结构要素时，根据惯性测量数据确定重力方向，基于点云法向量与重力方向之间的夹角识别地面、顶面和侧壁，并根据平面拟合残差、点云连续长度和点密度，以提取截面结构要素，其中，截面结构要素包括地面、侧壁、顶面及其交线中的至少两类。

9、优选地，在确定建图退化指标时，根据截面结构要素与局部子图中对应截面结构要素之间的结构关系，构造截面结构约束，并结合激光匹配约束和惯性约束，对于采集数据时的位姿进行优化；

10、根据截面结构要素的完整度、时间累积截面点云的扫描覆盖密度、位姿优化过程中的可观测性指标和截面结构约束残差，确定建图退化指标，其中，截面结构约束包括点到平面约束、平面法向一致性约束、交线方向一致性约束、净宽变化约束和净高变化约束中的至少一种。

11、优选地，在获取扫描覆盖密度时，通过将非重复式半球激光雷达的半球视场划分为多个方向网格，并统计时间累积截面点云在多个方向网格中的有效覆盖比例，获得扫描覆盖密度。

12、优选地，在获取可观测性指标时，可观测性指标包括激光匹配或位姿优化的信息矩阵的特征值比。

13、优选地，在获取补扫任务时，补扫任务包括低可信目标区域的空间边界、补扫视角、补扫路径、目标重叠比例和待补充观测的截面结构类型。

14、优选地，在对低可信目标区域的局部子图进行校正时，获取执行补扫任务后得到的补扫点云，并基于补扫点云与原局部子图之间的重叠区域构造跨时刻截面结构约束，对包含低可信目标区域的局部子图进行校正，其中，跨时刻截面结构约束包括补扫点云中提取的侧壁、顶面或地面与原局部子图中对应侧壁、顶面或地面之间的法向一致性约束和交线一致性约束。

15、优选地，在输出三维点云地图时，还输出与三维点云地图关联的建图可信度栅格，其中，建图可信度栅格记录空间栅格中的点云覆盖密度、截面结构完整度、位姿误差评价值、补扫状态和低可信原因标签。

16、本发明公开了以下技术效果：

17、本发明通过建立完整的建图、评估、纠错、补扫闭环体系，充分挖掘半球激光雷达设备与geoscan系列一体化建图设备的作业性能，有效抑制地下复杂工况下的位姿累积误差，解决传统建图方案的几何退化、数据空洞、局部错位、测量不稳定问题，实现地下管廊、隧道等线性空间三维地图的高精度、高完整性构建，同时完成建图质量的可量化评价，为现场补扫作业提供明确技术指标支撑，最终提升地下空间数字化建模、巡检、量测作业的整体精度、稳定性与标准化程度。

1.一种基于截面结构约束的地下管廊实时三维建图方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于截面结构约束的地下管廊实时三维建图方法，其特征在于：

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