手持激光雷達(dá)掃描儀飛馬在地形測繪中的運(yùn)用

楊學(xué)林

摘? 要：SLAM的全稱為Simultaneous Localization And Mapping即“同時(shí)定位與地圖構(gòu)建”。最近幾年由于機(jī)器人、無人機(jī)、自動駕駛、AI、VR和AR技術(shù)的發(fā)展，SLAM技術(shù)逐漸被人們熟知。SLAM技術(shù)是通過激光傳感器感知周圍的環(huán)境，并將不同時(shí)刻感知的環(huán)境進(jìn)行匹配套合，從而反推本體在環(huán)境中的位置及運(yùn)動軌跡。隨著SLAM技術(shù)的設(shè)備及定位精度的提高，該技術(shù)逐漸在測繪行業(yè)中使用，迅速成為除RTK和全站儀采點(diǎn)成圖之外的一種地形圖成圖手段。國外GeoSLAM等公司推出大量的產(chǎn)品，在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，為打破國外封鎖，國內(nèi)的飛馬、數(shù)字綠土等公司也研發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。該文主要通過具體的案例論述國產(chǎn)手持激光雷達(dá)掃描儀飛馬SLAM 100在地形測繪中的運(yùn)用，側(cè)重于表述SLAM技術(shù)及SLAM100產(chǎn)品在運(yùn)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：SLAM技術(shù)；手持激光雷達(dá)掃描；地形測繪；即時(shí)定位與地圖構(gòu)建；三維激光技術(shù)

中圖分類號：TU99? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-00２６-0４

Abstract： The SLAM refers to "simultaneous localization and mapping". In recent years， due to the development of robot， UAV， autopilot， AI， VR and AR technology， SLAM technology is gradually known by people. SLAM technology is to perceive the surrounding environment through laser sensors， and match the perceived environment at different times， so as to deduce the position and motion trajectory of the body in the environment. With the improvement of equipment and positioning accuracy of SLAM technology， this technology is gradually used in the surveying and mapping industry， and quickly becomes a topographic mapping method in addition to RTK and total station point mapping. Foreign companies such as GeoSLAM have launched a large number of products and are in a leading position in this field. In order to break the foreign blockade， domestic companies such as Feima and Digital Green Earth have also developed corresponding products. This paper mainly discusses the application of domestic handheld LiDAR scanner Feima SLAM100 in topographic mapping through specific cases， with emphasis on the advantages and disadvantages of SLAM technology and SLAM100 products in the application.

Keywords： SLAM technology; handheld LiDAR scanning; topographic mapping; real-time positioning and map construction; 3D laser technology

當(dāng)前，在測繪行業(yè)地形圖測繪中，利用GPS的RTK技術(shù)直接采點(diǎn)和全站儀極坐標(biāo)法為當(dāng)前最常用的2種方法，但這2種方法采點(diǎn)單一、速度慢、用工多、效率不高。最近幾年由于機(jī)器人、無人機(jī)、自動駕駛、AI、VR和AR技術(shù)的發(fā)展，SLAM技術(shù)逐漸被人們熟知。SLAM技術(shù)通過激光傳感器感知周圍的環(huán)境，并將不同時(shí)刻感知的環(huán)境進(jìn)行匹配套合，從而反推本體在環(huán)境中的位置及運(yùn)動軌跡，該技術(shù)可以生成現(xiàn)場場景的點(diǎn)云，利用這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用專用軟件可直接用于地形圖成圖。這種地形圖成圖方法具有數(shù)據(jù)豐富、精度較高、帶紋理、可辨識、速度快和白天晚上可作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)能大大提高作業(yè)效率，作業(yè)方式可手持、可背包、可車載及可無人機(jī)搭載，該技術(shù)在地形測量、地籍測量、土方測量和老舊小區(qū)改造等領(lǐng)域都在逐步地推廣和運(yùn)用。

本文主要通過具體的案例論述國產(chǎn)手持激光雷達(dá)掃描儀飛馬SLAM100在地形測繪中的運(yùn)用，側(cè)重于表述SLAM技術(shù)及SLAM100產(chǎn)品在運(yùn)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

1? 三維激光技術(shù)運(yùn)用前景及SLAM技術(shù)的概述

1.1? 三維激光技術(shù)運(yùn)用場景

2019年1月，全國自然資源工作會議明確提出：“加快基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型升級，增強(qiáng)測繪地理信息公共服務(wù)能力，促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?！比S激光技術(shù)作為一種新型測繪技術(shù)，成為建設(shè)中必不可少的采集技術(shù)及數(shù)據(jù)成果源。該技術(shù)在測繪行業(yè)被多方面廣泛運(yùn)用，運(yùn)用場景如圖1所示。

1.2? SLAM技術(shù)及SLAM100手持掃描儀

SLAM技術(shù)即同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（Simultaneous Localization and Mapping）具備從未知環(huán)境未知地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動過程中通過重復(fù)觀測到的環(huán)境特征定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置獲取空間三維數(shù)據(jù)，構(gòu)建周圍環(huán)境的增量式地圖，可達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目的。SLAM 不依賴GNSS，可自主定位和導(dǎo)航，適用于室內(nèi)、室外各場景下堆積物高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，配合三角網(wǎng)法、格網(wǎng)法、斷面法等方量計(jì)算方法，快速、準(zhǔn)確量取堆體體積。

手持式SLAM具有機(jī)身小巧、作業(yè)簡單等優(yōu)勢，多平臺、模塊化、高兼容等特性，可在狹窄空間中靈活作業(yè)，提供有效的數(shù)據(jù)采集方式。

SLAM100是飛馬機(jī)器人推出的首款手持移動式激光雷達(dá)掃描儀（圖2）。該系統(tǒng)具有360°旋轉(zhuǎn)云臺，可形成270°×360°點(diǎn)云覆蓋，結(jié)合行業(yè)級SLAM算法，可在無光照、無GPS條件下獲取周圍環(huán)境高精度、高精細(xì)度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。SLAM100選用3顆500萬像素?cái)z像頭，可形成寬200°、高100°超寬視場角，在光照條件下同時(shí)獲取紋理信息，生產(chǎn)彩色點(diǎn)云和局部全景圖。SLAM100采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)置控制和存儲系統(tǒng)、內(nèi)置可更換鋰電池，一鍵式啟動作業(yè)，使數(shù)據(jù)獲取更加高效、便捷。

2? 項(xiàng)目情況及作業(yè)流程

項(xiàng)目為一長約150 m、寬約80 m帶院辦公區(qū)，主樓高4層，其余為平房。測區(qū)情況相對簡單，地勢較平坦，樹木較少但較高，房屋密集，紋理相對清楚，視野較差。作業(yè)主要目的為提供測區(qū)點(diǎn)云，提供全院1∶500地形圖，提供辦公主樓的4個(gè)立面圖

2.1? 平面高程控制網(wǎng)布設(shè)及施測情況

控制情況是采用獨(dú)立坐標(biāo)和高程系統(tǒng)，等級定為圖根導(dǎo)線和圖根水準(zhǔn)，用全球定位系統(tǒng)利用千尋系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)做了4個(gè)控制點(diǎn)，用全站儀進(jìn)行了點(diǎn)位聯(lián)測。用閉合環(huán)方式布設(shè)水準(zhǔn)，用直接水準(zhǔn)聯(lián)測4點(diǎn)高程。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1? 平面高程控制點(diǎn)成果

2.2? 路徑規(guī)劃及數(shù)據(jù)采集

采用飛馬SLAM100進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用單個(gè)O型閉環(huán)模式，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了對累積誤差進(jìn)行收斂，需要盡可能多的數(shù)據(jù)閉環(huán)，即不同時(shí)段采集相同區(qū)域的數(shù)據(jù)。閉環(huán)的核心是要具有重疊的區(qū)域，重疊區(qū)域約在5～10 m，可以是同向重合，也可以是反向重合。掃描線路全長876 m，掃描用時(shí)25 min。在掃描過程中聯(lián)測4個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。路徑規(guī)劃如圖3所示。

2.3? 數(shù)據(jù)處理

SLAM-GO-POST是與SLAM100配套的PC端軟件，內(nèi)嵌在無人機(jī)管家專業(yè)版中，該模塊專門對SLAM100采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生產(chǎn)高精度、高精細(xì)度彩色點(diǎn)云，生產(chǎn)局部全景圖，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行控制點(diǎn)自動提取和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，濾波優(yōu)化和瀏覽等功能。本項(xiàng)目處理時(shí)間約為40 min。成果見點(diǎn)云正攝圖（圖4）。

從點(diǎn)云中把辦公主樓經(jīng)過降噪、切片、拼接做成主辦公樓的立面點(diǎn)云圖（圖5），利用主樓立面點(diǎn)云圖可生成建筑物立面圖。

2.4? 利用點(diǎn)云用CASS11生成數(shù)字地形圖

CASS11地形地籍成圖軟件，是由南方數(shù)碼基于 CAD 平臺技術(shù)研發(fā)，具有完全知識產(chǎn)權(quán)的 GIS 前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于地形成圖、地籍成圖、工程測量應(yīng)用、空間數(shù)據(jù)建庫和更新及市政監(jiān)管等領(lǐng)域。CASS11.0 版本相對于以前各版本除了平臺、基本繪圖功能上作了進(jìn)一步升級之外，增加裸眼3D采集、點(diǎn)云立采、立面采集和二三維一體化數(shù)據(jù)采集等相關(guān)功能。利用CASS11軟件1 h左右由人工生成CAD地形圖。

2.5? 制圖成果精度驗(yàn)證

本次作業(yè)，使用全站儀測量點(diǎn)位數(shù)據(jù)跟SLAM100掃描數(shù)據(jù)套合對比。共選取60個(gè)全站儀測量散點(diǎn)作為本次驗(yàn)證精度使用，對比發(fā)現(xiàn)：最大誤差7.1 cm，中誤差3.2 cm，滿足1∶500地形圖精度要求。

3? 手持激光掃描儀優(yōu)勢與不足

3.1優(yōu)勢明顯，應(yīng)用前景廣闊

1）本次外業(yè)采集2人，外業(yè)共計(jì)耗時(shí)40余分鐘，共采集可用點(diǎn)云約9 000 m2，內(nèi)業(yè)預(yù)處理1人單臺高性能工作站耗時(shí)約40 min，點(diǎn)云制圖1人1 h完成。按傳統(tǒng)的RTK采集方式，外業(yè)需2人0.6 h左右，內(nèi)業(yè)成圖時(shí)間點(diǎn)云掃描略長。激光掃描技術(shù)能提高工作效率2.5倍左右。這種作業(yè)方式節(jié)約了時(shí)間，提高了作業(yè)效率，大大減少了人力、物力的投入。其也大大減少了外業(yè)時(shí)間，充分利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“內(nèi)業(yè)跑尺”的效果，大大減緩作業(yè)人員“冬練三九、夏練三伏”的痛苦。

2）三維激光掃描技術(shù)利用了可以生成3D立體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對現(xiàn)狀地形地物能夠詳盡地反映，對建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)方位都能兼顧到，更為重要的是，成圖的精度也很大程度上得到了保證。

3）實(shí)景三維、數(shù)字孿生是現(xiàn)代最前沿的科技，BIM、CIM技術(shù)正在飛速發(fā)展，點(diǎn)云作為上述各項(xiàng)應(yīng)用的底殼必然會大力發(fā)展，激光掃描和傾斜攝影技術(shù)必定會成為行業(yè)發(fā)展的大趨勢。

3.2缺點(diǎn)與不足

1）現(xiàn)階段三維激光掃描設(shè)備較貴，架站式基本都在50萬元以上，手持式進(jìn)口產(chǎn)品在40萬元左右，手持國產(chǎn)產(chǎn)品約10萬左右，相比于非常便宜的GPS接收機(jī)、全站儀、掃描儀暫時(shí)還不占優(yōu)勢。

2）掃描成果只能進(jìn)行簡單的點(diǎn)云附色，沒有無人機(jī)傾斜攝影所得的實(shí)景三維直觀，紋理不夠清晰，在判讀和利用中需要進(jìn)行一些處理，使用者需具備一定的經(jīng)驗(yàn)。

3）在各種場景的運(yùn)用中還需盡快建立相應(yīng)的規(guī)范、條款、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4? 結(jié)論

1）數(shù)字孿生、智慧城市為世界發(fā)展的前沿科技和新方向，我國在相關(guān)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。隨著BIM、CIM技術(shù)飛速發(fā)展，激光掃描技術(shù)會緊跟其后，激光掃描設(shè)備也在不斷創(chuàng)新，設(shè)備的國產(chǎn)化也日新月異，越早介入會越早取得行業(yè)的優(yōu)勢。

2）由于激光掃描技術(shù)處于飛速發(fā)展階段，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，生產(chǎn)流程還未成型，儀器的穩(wěn)定性、模塊化還有待提高，價(jià)格還處于高位，技術(shù)被大量推廣和運(yùn)用還需要一段時(shí)間。

3）本文僅簡單介紹了手持激光雷達(dá)掃描儀飛馬SL

AM100在地形測繪中的運(yùn)用，有不足之處，希望多多指正。

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