[論文レビュー] Three dimensional unique identifier based automated georeferencing and coregistration of point clouds in underground environment

Sarvesh Kumar Singh, Bikram Pratap Banerjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

3D Surveying and Cultural Heritage参考文献 57被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、GNSS不可の地下環境における完全自動的かつ高精度な地上レーザースキャニング点群の地理参照およびコアリゲーションを可能にする、新規の3次元固有識別子（3DUID）システムと3次元登録（3DReG）ワークフローを提案する。本手法は、トンネル内に設置された受動的検出可能で電源不要の3DUIDタグを用い、独自のアルゴリズムによって自動的に同定し、対応する点群を100％の成功率と高い精度で整列させる。これにより、対称性、繰り返し、遮蔽といった課題を克服する。

ABSTRACT

Spatially and geometrically accurate laser scans are essential in modelling infrastructure for applications in civil, mining and transportation. Monitoring of underground or indoor environments such as mines or tunnels is challenging due to unavailability of a sensor positioning framework, complicated structurally symmetric layouts, repetitive features and occlusions. Current practices largely include a manual selection of discernable reference points for georeferencing and coregistration purpose. This study aims at overcoming these practical challenges in underground or indoor laser scanning. The developed approach involves automatically and uniquely identifiable three dimensional unique identifiers (3DUIDs) in laser scans, and a 3D registration (3DReG) workflow. Field testing of the method in an underground tunnel has been found accurate, effective and efficient. Additionally, a method for automatically extracting roadway tunnel profile has been exhibited. The developed 3DUID can be used in roadway profile extraction, guided automation, sensor calibration, reference targets for routine survey and deformation monitoring.

研究の動機と目的

• GNSSが利用できない地下または屋内環境において、信頼性が低く、手動による制御点選定が誤差を生じやすく、時間がかかる地理参照手法の欠如に対処すること。
• トンネルや鉱山で一般的に見られる構造的対称性、繰り返し特徴、遮蔽による点群コアリゲーションの課題を克服すること。
• レーザースキャンで自動的に同定可能な、受動的で、内在的に安全かつ電源不要の3次元固有識別子（3DUID）を設計すること。
• 3DUIDを基準対象として用いることで、複数スキャンの点群データを正確かつ自動的に整列させる、耐障害性の高い3DReGアルゴリズムを設計すること。
• 3DUIDおよび3DReGシステムの実用性と有効性を、モニタリング、自動化、インfra構築モデリングの応用を想定した実環境の地下トンネル環境で実証すること。

提案手法

• 外部電源を必要とせず、LiDAR点群で信頼性高く検出可能な、特徴的な幾何学的およびスペクトル的シグネイチャを持つ受動的3DUIDタグを考案した。
• 幾何学的特徴と強度特徴を用いて、点群データから3DUIDを自動的に検出・復号する独自の3DUID認識アルゴリズムを開発し、現地試験で100％の認識成功率を達成した。
• 3DReGアルゴリズムは、検出された3DUIDを制御点として用い、複数のレーザースキャンフレームをグローバル座標系に自動的に地理参照およびコアリゲーションする。
• 3DUIDをシミュタスローカライゼーションアンドマッピング（SLAM）パイプラインに統合し、正確なループクロージャ検出を可能にし、マッピングのずれを低減した。
• 計算コストの高い点群記述子やカメラやIMUなどの追加センサーに依存せず、検出および整列にレーザースキャナのみに依存する。
• 実地での妥当性検証を地下トンネルで実施し、3DUIDを定期的間隔で設置し、地上レーザースキャナでスキャンした後、3DReGアルゴリズムを用いて自動処理を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な地下環境において、受動的で電源不要の3DUIDタグが地上レーザースキャニング点群から信頼性高く検出され、復号可能であるか。
• RQ2 3DUIDを制御点として用いる3DReGアルゴリズムは、GNSS不可環境下で複数のレーザースキャンをどの程度正確に地理参照およびコアリゲーションできるか。
• RQ3 従来の手動またはICPベースの手法と比較して、3DUIDベースの手法は、複数スキャンの点群整列における誤差とずれをどの程度低減できるか。
• RQ4 3DUIDおよび3DReGシステムは、地下鉱山の応用におけるリアルタイムのローカライゼーションおよびマッピングのSLAMパイプラインに効果的に統合可能か。
• RQ5 高い対称性、繰り返し特徴、遮蔽が見られる環境下で、本システムの性能はいかがであるか。これはトンネルや鉱山で一般的な課題である。

主な発見

• 3DUID認識アルゴリズムは、現地試験において点群データから固有識別子を検出・復号する際、100％の成功率を達成した。
• 3DReGアルゴリズムは、3DUIDを制御点として用いることで、複数のレーザースキャンの正確な地理参照およびコアリゲーションを可能にし、人的介入を顕著に低減した。
• 本手法は、実際の地下トンネル環境で高い精度と耐障害性を示し、構造的対称性や繰り返し特徴といった課題を克服した。
• 3DUIDタグは内在的に安全で、電源が不要であり、製造および設置が簡単であるため、危険な鉱山環境に適している。
• 本システムは、変形検出や自律走行車両のナビゲーションを支援するなど、地下インfraの信頼性ある自動的で繰り返し可能なモニタリングを可能にする。
• 3DUIDおよび3DReGフレームワークは、都市インfra、交通、自律システムなど、シームレスな3次元マッピングを要する他の分野へも応用可能である。