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欧洲最大的洞穴之一的手持地图

将SLAM技术应用于深部地下试验

通过托马斯Blaha • 2021年7月14日

GeoSLAM的地理空间制图专家和技术已经参与了法国南部隆布里夫洞穴的测绘项目。

人类适应研究所（Human Adaption Institute）在欧洲最大的洞穴系统之一：3公里长的隆布里夫斯洞穴（Lombrives cave）进行了一项开创性的隔离实验，名为“深度时间”。在低光照条件下，环境温度为10℃⁰C和100%湿度水平，对环境的物理和心理影响进行了密切监测。这项研究得到了GeoSLAM地理空间制图专家和技术的支持。

对于Deep Time实验的15名参与者来说，最近时间真的静止了——这不仅仅是因为冠状病毒封锁。他们在法国西南部比利牛斯山脉东部阿列日的隆布里夫洞穴扎营，在那里度过了40天没有时钟、没有阳光、与外界完全隔绝的时光。这项研究旨在深入了解人类对隔离的适应能力的限制，测试了人类在挑战性环境中的耐力限制。

参与者组成了一个“深度计时器”社区，每个人都被分配了特定的角色和责任，执行任务，为他们的生活提供一种结构感。在这个项目中，每个团队成员每天进行50多项科学测试和协议，从认知能力、感觉能力测试到遗传学。他们的第一个任务是使用GeoSLAM的同步定位和测绘(SLAM)技术对位置进行深度、完整的扫描。

该项目面临许多复杂的挑战，包括缺乏技术的测量人员、苛刻的洞穴环境和完成扫描的时间压力，更不用说洞穴中没有任何GPS。传统的以三脚架为基础的数字测绘系统会给这项工作带来许多困难。除了需要专业的测量人员准确地设置设备外，不平坦、充满挑战的地形还会导致许多其他复杂情况，导致数据收集方法的劳动密集型和耗时。相比之下，ZEB地平线手持式SLAM扫描仪的优势意味着任何人都可以简单地“拾取并离开”，创建任何位置的详细点云。

具有挑战性的情况下

为了对新环境有一个清晰的了解，研究小组对复杂的洞穴系统进行了数字扫描，包括刚好可以爬行的狭窄通道和高达70米的巨大洞穴。手持ZEB Horizon扫描仪具有每秒300000个点的采集速率、1-3cm的精度（取决于扫描环境）以及100米范围内捕获复杂测量的能力，克服了这些问题。简单的设置和“步行和扫描”的数据收集方法为团队提供了蹲下、爬行和扫描洞穴深度和狭窄沟渠的灵活性。与全自动处理相结合，他们能够快速创建准确可靠的结果。

虽然扫描仪主要是手持设备，但也可以安装在无人机(UAV或“无人机”)上进行空中调查。无人机与扫描仪的使用可以在洞穴或采矿环境中为勘测员提供显著的优势。当面临容易坍塌的区域时，无人机提供了一种快速和安全的检查方法，否则人类调查员将无法进入。因此，这种方法经常被用于使矿工在计划爆炸后检查矿井，以确保结构安全。

虽然这些应用程序为保护参与者的安全提供了巨大的好处，但在洞穴和矿井中使用无人机依赖于空间和能见度，以安全地操作配备slam的无人机。在“深时”实验中，扫描仪可以安装在支架或可伸缩的杆子上，以便进入洞穴中难以到达的、有潜在危险的区域，包括黑暗的洞穴深处和高高的洞穴。这些额外的设备不仅让探险队可以进入洞穴的各个部分，还确保了他们在几乎漆黑的环境中进行调查时的健康和安全。

GeoSLAM Hub收集和处理的数据集图像。从洞穴外面看向“深度计时器”工作站的3D图像。

关闭o向身外的世界

许多传统的数字制图设备方案严重依赖GPS提供原点，以便精确计算距离和比例尺。然而，由于隆布里夫斯洞穴的部分高度在地面以下90米，这种数据收集方法是不可能的。

由于不需要卫星定位的帮助，SLAM技术可以在复杂和封闭的空间进行扫描，包括地下深处。利用统计和数学算法，SLAM设备在扫描和地图中同时定位自身，利用激光雷达源结合惯性测量单元(IMU)提供的基本位置数据，创建位置的虚拟3D图像。这种方法允许设备跟踪自己的位置，同时编译一个精确和完整的周围环境的三维点云。

ZEB地平线扫描仪自给自足的内部坐标系统在整个洞穴中使用已知的控制点。可以使用GeoSLAM的“调整到控制”(Adjust to Control)功能手动对其进行地理引用，也可以使用Connect软件自动对其进行地理引用。