GOSLAM: КАК SLAM СКАНЕРЫ УСКОРЯЮТ ПОЛЕВЫЕ РАБОТЫ В РАЗНЫХ ОБЛАСТЯХ

Введение
 

В области навигации автономных систем, технологий дополненной реальности и задач трёхмерного цифрового моделирования ключевым требованием является получение точных пространственных данных. Традиционные методы измерений (например, с использованием тахеометров или GNSS-приёмников в режиме RTK) в сложных условиях — внутри помещений, под землёй или в зонах с ограниченным приёмом GNSS-сигнала — зачастую оказываются малоэффективными, а сам процесс сбора данных отличается значительной продолжительностью и высокой стоимостью. Появление технологии SLAM (*Simultaneous Localization and Mapping* — одновременная локализация и построение карты) предложило принципиально новый подход к решению указанных проблем. Являясь флагманским представителем этого направления, мобильные сканирующие системы GoSLAM, основанные на передовых SLAM-алгоритмах, демонстрируют значительный прогресс как в производительности, так и в точности измерений. В настоящей статье рассмотрим ключевые преимущества и практические примеры применения систем GoSLAM и SLAM-алгоритмов, обеспечивающих быстрое и эффективное получение трёхмерных пространственных данных.
 

О компании GoSLAM
 

GoSLAM — это ведущий мировой бренд в области мобильных систем 3D-лазерных измерений, разработанный китайской компанией Beijing Tianqing Zhizao Aviation Technology Co., Ltd. Штаб-квартира компании расположена в Пекине. Была основана в 2016 году и с момента создания сосредоточила свои усилия на исследованиях, разработке и применении мобильных систем измерения с использованием 3D-лазерного сканирования. Ключевая технология, лежащая в основе продуктов GoSLAM — это SLAM (о технологии ниже в статье). GoSLAM предлагает комплексные аппаратно-программные решения и продукты, адаптированные под нужды различных отраслей. Компания разработала широкий модельный ряд профессиональных мобильных SLAM-сканеров и позиционирует себя как поставщик решений, ориентированных на улучшение пользовательского опыта, предоставляя легкие, портативные и доступные инструменты для мобильного 3D-сканирования по всему миру.
 

Обзор технологии SLAM
 

Технология SLAM предназначена для того, чтобы мобильная платформа в неизвестной среде могла определять собственное местоположение и одновременно строить карту окружающего пространства, используя данные бортовых сенсоров (лазерных дальномеров, камер, инерциальных измерительных модулей — IMU и др.). Ключевая проблема, которую решает SLAM, — это преодоление циклической зависимости между локализацией и картографированием: система, непрерывно сопоставляя и оптимизируя сенсорные данные, одновременно уточняет свою траекторию и обновляет представление о структуре окружающего пространства.

Рис. 1. Сканер GoSLAM M40 (GSI)

В последние годы разработчики значительно доработали алгоритмы уравнивания, что существенно ускорило эволюцию SLAM-технологий. В качестве примера можно привести сканер GoSLAM M40 (Рис.1), представляющий собой систему для плотного визуального SLAM сканирования, которая выполняет глобальную оптимизацию положений объектов и трёхмерную реконструкцию, как в реальном времени, так и постобработке. Благодаря эффективному обнаружению замкнутых циклов (*loop closing*) и алгоритмам уравнивания (*full bundle adjustment*) этот подход обеспечивает высокую надёжность и точность реконструкции, превосходя традиционные методы.

Техническая архитектура и ключевые преимущества сканеров GoSLAM

Мобильные измерительные системы GoSLAM построены на основе SLAM-технологии и объединяют в себе лидары, видеокамеры, высокоточные инерциальные навигационные системы и модули RTK (*Real-Time Kinematic*).

На аппаратном уровне сканеры GoSLAM отличаются лёгкой, портативной конструкцией и поддерживают различные способы установки — в ручном режиме, в рюкзачном исполнении, на автомобилях, беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). На сегодняшний день линейка приборов GoSLAM представлена рядом моделей с различными характеристиками. Одной из новинок в линейке GoSLAM является лазерный сканер GoSLAM M40 (GSI). Он обладает дальностью действия до 70 метров (в линейке сканеров GoSLAM есть модели с дальностью сканирования до 300 метров), скоростью съёмки до 200 000 точек в секунду (в линейке есть модели со скоростью съёмки до 640 000 точек в секунду) и точностью до 1 см. Для этого прибора доступны модификации, которые оснащены RTK-модулем с точностью позиционирования ±1 см, а также используют динамический алгоритм сжатия, позволяющий сократить объём облака точек до 90%. Устройства снабжены высокозащищёнными корпусами (степень защиты IP66) и рассчитаны на работу в широком температурном диапазоне от –40°C до +60°C в зависимости от модели. Сканер GoSLAM M40 (GSI) выделяется в линейке приборов GoSLAM малым весом (немного более 1 кг) и компактными размерами (146×103×269 мм).

Отличительной особенностью последнего поколения сканеров GoSLAM, включая M40, является технология VisualSLAM: встроенная камера передаёт в SLAM-алгоритм видеопоток с отслеживанием характерных точек, что дополнительно повышает точность и надёжность позиционирования.

На алгоритмическом уровне сканеры GoSLAM реализуют уникальную технологию RTD (*Real-Time Decentralized*) — оперативную децентрализованную обработку, позволяющую выполнять SLAM-расчёты непосредственно в процессе сканирования. Это означает, что по завершении сбора данных облако точек предварительно готово к первичному ознакомлению (первичное ознакомление позволяет в поле выявить участки, которые могли не попасть в зону сканирования и доснять их). Система также поддерживает два режима вычислений — на самом устройстве и на настольной платформе (ПК или ноутбук), что даёт пользователю возможность выбирать оптимальную конфигурацию в зависимости от конкретной задачи.

Доработанные алгоритмы уравнивания и вычислений сканеров GoSLAM и современных SLAM-алгоритмов обеспечивают существенный прирост производительности по нескольким ключевым направлениям:

Во-первых, оптимизация рабочего процесса. Традиционный цикл трёхмерного сканирования обычно следует линейной схеме: «полевой сбор данных → экспорт данных → постобработка → получение результата», причём каждый этап связан с временными затратами и ожиданием. Благодаря технологии RTD GoSLAM переносит этап SLAM-обработки непосредственно в процесс сбора данных, реализуя параллельный режим работы «сбор — обработка — предварительный просмотр». Это позволяет получить готовое облако точек сразу по окончании сканирования, значительно сокращая время от начала работ до выдачи конечного результата. Речь идёт о видах работ, где не требуется высокая точность, для достижения более высокой точности необходимо выполнять уравнивание данных в специализированном ПО при постобработке.

Во-вторых, контроль точности. При длительной работе SLAM-алгоритмы неизбежно сталкиваются с проблемой накопления дрейфа ошибок. Современные лазерные сканеры GoSlam, решают эту задачу через эффективное обнаружение замкнутых траекторий и сырых данных с лидара, используя полную геометрическую информацию окружающего пространства. В системах GoSLAM этот подход дополняется технологией привязки к опорным точкам (*anchor points*), что обеспечивает стабильность измерений даже в масштабных проектах.

В-третьих, сжатие данных и эффективность передачи. Хранение и передача огромных массивов облаков точек всегда были узким местом трёхмерного лазерного сканирования. Применяемый в GoSLAM алгоритм динамического сжатия позволяет без значительной потери точности уменьшить объём данных до 90%.
 

Многоотраслевые примеры применения

Сочетание сканеров GoSLAM и SLAM-алгоритмов уже подтвердило свою эффективность в различных отраслях, и эти преимущества неоднократно доказаны на практике.

В сфере измерения объёмов сыпучих материалов (Рис.2) в бункерах и на складах традиционные методы отличаются низкой производительностью и недостаточной точностью. Лазерные сканеры GoSLAM повышают эффективность сбора данных до 10 раз. Полученные плотные трёхмерные облака точек и панорамные изображения позволяют производить расчёт объёмов, динамический сравнительный анализ и цифровое управление складскими запасами.

Рис. 2. Построенная триангуляционная модель насыпи по облакам точек
с лазерного сканера GoSLAM M40 (GSI) для расчёта объемов.
 

При маркшейдерских работах на открытых горных выработках (Рис.4) традиционные методы часто не отвечают требованиям сложных и изменчивых условий. Лазерные сканеры GoSLAM предлагают инновационный подход к решению отраслевых проблем. Возможность SLAM-позиционирования без привязки к GNSS делает их эффективными в шахтах, туннелях (Рис.3) и других зонах с экранированием спутникового сигнала.

Рис. 3. Триангуляционная модель подземной выработки,
построенная по облакам точек со сканера GoSLAM M40 (GSI).
 

Рис. 4. Модель открытого карьера, построенная по облакам точек со сканера GoSLAM M40 RTK (GSI).
 

При сканировании городских территорий (Рис.5 -7) с помощью сканеров GoSLAM можно получить облако точек в предельно сжатые сроки, повысить производительность и точность данных. Использование специализированного программного обеспечения позволяет значительно сократить время на обработку облаков точек для получения конечного результата.

Рис. 5. Облако точек со сканера GoSLAM M40 (GSI) городской территории.
 

Рис. 6. Вид сверху облаков точек.
 

Рис. 7. Топографический план, полученный по облакам точек.
 

При цифровизации электрических подстанций (Рис.8) сканеры GoSLAM применяются для сбора данных и построения реалистичных трёхмерных моделей (Рис.9) действующих объектов, что в дальнейшем обеспечивает точную модель для эксплуатационного обслуживания и контроля.

Рис. 8. Облако точек со сканера GoSLAM M40 (GSI).

Рис. 9. Создание 3D модели по облакам точек.
 

В области лесного хозяйства сканеры GoSLAM позволяют оперативно получать трёхмерные данные (Рис.10) в условиях сложной растительности и отсутствия GNSS сигнала, а программное обеспечение Lidar Works с модулем Forest в автоматическом режиме позволяет определить координаты, диаметры, высоты стволов и площади крон (Рис.11).

Рис. 10. Облако точек со сканера GoSLAM M40 (GSI) лесного массива.

Рис. 11. Определение координат, диаметров, высоты стволов и площади крон.

Технические вызовы и перспективы развития
 

Компания GoSLAM, не останавливается на достигнутом и активно развивает SLAM-алгоритмы в повышении производительности и точности облаков точек. Кроме того, внедрение новых методов представления данных, таких как 3D Gaussian Splatting, открывает возможности для дальнейшего улучшения баланса между достоверностью реконструкции и производительностью в реальном времени. В будущем глубокая интеграция SLAM-технологий с сетями 5G, вычислениями на периферийных устройствах (*edge computing*) и концепцией цифровых двойников позволит расширить область применения в таких сферах, как интеллектуальное производство, «умные» города и аварийно-спасательные работы.

 

Заключение
 

Глубокая интеграция лазерных сканеров GoSLAM и SLAM-алгоритмов знаменует собой важный этап в развитии мобильных трёхмерных измерительных технологий. Благодаря объединению таких ключевых решений, как обработка в реальном времени, доработанный алгоритм уравнивания и эффективное сжатие данных, лазерные сканеры GoSLAM позволяют достигнуть одновременного повышения производительности сбора и точности результатов в самых разных областях: от измерения объёмов сыпучих материалов и маркшейдерского дела до городского моделирования и цифровизации инфраструктуры. Способность к автономному позиционированию без привязки к GNSS, большой выбор моделей лазерных сканеров для решения различных задач в традиционной геодезии и трёхмерной оцифровке. Дальнейшее развитие SLAM-алгоритмов и совершенствование аппаратной базы позволят лазерным сканерам GoSLAM играть ещё более важную роль в широком спектре прикладных задач.