[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出了一种新型三维唯一标识符（3DUID）系统及三维配准（3DReG）工作流程，以实现在全球导航卫星系统（GNSS）不可用的地下环境中对地面激光雷达点云进行全自动、高精度的地理参考定位与配准。该方法使用被动可探测、无需供电的3DUID标签安装于隧道中，通过自定义算法自动识别，并用于点云配准，实现100%的成功率和高精度，克服了对称性、重复特征和遮挡带来的挑战。

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.

研究动机与目标

• 解决在GNSS不可用且人工控制点选择易出错、耗时的地下或室内环境中缺乏可靠、自动化地理参考定位的问题。
• 克服在隧道和矿井中常见的结构对称性、重复特征和遮挡导致的点云配准挑战。
• 开发一种被动、本质安全且无需供电的三维唯一标识符（3DUID），可在激光扫描中轻松安装并自动识别。
• 设计一种鲁棒的3DReG算法，利用3DUID作为参考目标，实现多扫描点云数据的精确、自动化对齐。
• 在真实地下隧道环境中展示3DUID与3DReG系统的可行性与有效性，适用于监测、自动化和基础设施建模等应用。

提出的方法

• 本研究提出一种具有独特几何与光谱特征的被动3DUID标签，专为在激光雷达点云中可靠检测而设计，无需外部供电。
• 开发了一种自定义的3DUID识别算法，通过几何特征与强度特征自动检测并解码点云数据中的唯一标识符，在实地测试中实现100%的识别成功率。
• 3DReG算法利用检测到的3DUID作为控制点，通过将其对齐至全局坐标系，实现多帧激光扫描数据的全自动地理参考定位与配准。
• 该方法将3DUID集成至同时定位与地图构建（SLAM）流程中，实现精确的回环检测，有效减少地图漂移。
• 系统避免依赖计算量大的点云描述子或额外传感器（如相机或IMU），仅依靠激光扫描仪完成检测与对齐。
• 在地下隧道中开展实地验证，3DUID按固定间隔安装，并使用地面激光雷达系统进行扫描，随后通过3DReG算法实现自动化处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在复杂地下环境中，被动、无源的3DUID标签能否可靠地从地面激光雷达点云中被检测并解码？
• RQ2 在无GNSS环境下，3DReG算法利用3DUID作为控制点，能否实现对多帧激光扫描的高精度地理参考定位与配准？
• RQ3 与传统人工方法或基于ICP的配准方法相比，3DUID方法在多扫描点云对齐中能多大程度上减少误差与漂移？
• RQ4 3DUID与3DReG系统能否有效集成至SLAM流程中，实现在地下采矿应用中的实时定位与地图构建？
• RQ5 在具有高对称性、重复特征和遮挡的环境中，该系统性能如何？此类环境是隧道与矿井中的常见挑战。

主要发现

• 3DUID识别算法在实地测试中实现了从点云数据中检测并解码唯一标识符的100%成功率。
• 3DReG算法通过将3DUID作为控制点，成功实现了多帧激光扫描的精确地理参考定位与配准，显著减少了人工干预。
• 该方法在真实地下隧道环境中表现出高精度与强鲁棒性，有效克服了结构对称性与重复特征带来的挑战。
• 3DUID标签本质安全，无需供电，制造与安装简便，适用于危险的采矿环境。
• 该系统可实现可靠、自动化、可重复的地下基础设施监测，支持形变检测与自动驾驶车辆导航等应用。
• 3DUID与3DReG框架可推广至其他需要无缝三维地图构建的领域，包括土木基础设施、交通运输及自主系统。