手持激光雷達掃描儀飛馬在地形測繪中的運用

楊學林

摘? 要：SLAM的全稱為Simultaneous Localization And Mapping即“同時定位與地圖構建”。最近幾年由于機器人、無人機、自動駕駛、AI、VR和AR技術的發展，SLAM技術逐漸被人們熟知。SLAM技術是通過激光傳感器感知周圍的環境，并將不同時刻感知的環境進行匹配套合，從而反推本體在環境中的位置及運動軌跡。隨著SLAM技術的設備及定位精度的提高，該技術逐漸在測繪行業中使用，迅速成為除RTK和全站儀采點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品，在該領域處于領先地位，為打破國外封鎖，國內的飛馬、數字綠土等公司也研發出相應的產品。該文主要通過具體的案例論述國產手持激光雷達掃描儀飛馬SLAM 100在地形測繪中的運用，側重于表述SLAM技術及SLAM100產品在運用中的優缺點。

關鍵詞：SLAM技術；手持激光雷達掃描；地形測繪；即時定位與地圖構建；三維激光技術

中圖分類號：TU99? ? ? 文獻標志碼：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

當前，在測繪行業地形圖測繪中，利用GPS的RTK技術直接采點和全站儀極坐標法為當前最常用的2種方法，但這2種方法采點單一、速度慢、用工多、效率不高。最近幾年由于機器人、無人機、自動駕駛、AI、VR和AR技術的發展，SLAM技術逐漸被人們熟知。SLAM技術通過激光傳感器感知周圍的環境，并將不同時刻感知的環境進行匹配套合，從而反推本體在環境中的位置及運動軌跡，該技術可以生成現場場景的點云，利用這些點云數據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據豐富、精度較高、帶紋理、可辨識、速度快和白天晚上可作業等優點能大大提高作業效率，作業方式可手持、可背包、可車載及可無人機搭載，該技術在地形測量、地籍測量、土方測量和老舊小區改造等領域都在逐步地推廣和運用。

本文主要通過具體的案例論述國產手持激光雷達掃描儀飛馬SLAM100在地形測繪中的運用，側重于表述SLAM技術及SLAM100產品在運用中的優缺點。

1? 三維激光技術運用前景及SLAM技術的概述

1.1? 三維激光技術運用場景

2019年1月，全國自然資源工作會議明確提出：“加快基礎測繪轉型升級，增強測繪地理信息公共服務能力，促進地理信息產業高質量發展。”三維激光技術作為一種新型測繪技術，成為建設中必不可少的采集技術及數據成果源。該技術在測繪行業被多方面廣泛運用，運用場景如圖1所示。

1.2? SLAM技術及SLAM100手持掃描儀

SLAM技術即同步定位與地圖構建技術（Simultaneous Localization and Mapping）具備從未知環境未知地點出發，在運動過程中通過重復觀測到的環境特征定位自身位置和姿態，再根據自身位置獲取空間三維數據，構建周圍環境的增量式地圖，可達到同時定位和地圖構建的目的。SLAM 不依賴GNSS，可自主定位和導航，適用于室內、室外各場景下堆積物高密度三維點云數據獲取，配合三角網法、格網法、斷面法等方量計算方法，快速、準確量取堆體體積。

手持式SLAM具有機身小巧、作業簡單等優勢，多平臺、模塊化、高兼容等特性，可在狹窄空間中靈活作業，提供有效的數據采集方式。

SLAM100是飛馬機器人推出的首款手持移動式激光雷達掃描儀（圖2）。該系統具有360°旋轉云臺，可形成270°×360°點云覆蓋，結合行業級SLAM算法，可在無光照、無GPS條件下獲取周圍環境高精度、高精細度的三維點云數據。SLAM100選用3顆500萬像素攝像頭，可形成寬200°、高100°超寬視場角，在光照條件下同時獲取紋理信息，生產彩色點云和局部全景圖。SLAM100采用一體化結構設計，內置控制和存儲系統、內置可更換鋰電池，一鍵式啟動作業，使數據獲取更加高效、便捷。

2? 項目情況及作業流程

項目為一長約150 m、寬約80 m帶院辦公區，主樓高4層，其余為平房。測區情況相對簡單，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。作業主要目的為提供測區點云，提供全院1∶500地形圖，提供辦公主樓的4個立面圖

2.1? 平面高程控制網布設及施測情況

控制情況是采用獨立坐標和高程系統，等級定為圖根導線和圖根水準，用全球定位系統利用千尋系統的網絡RTK技術做了4個控制點，用全站儀進行了點位聯測。用閉合環方式布設水準，用直接水準聯測4點高程。計算結果見表1。

表1? 平面高程控制點成果

2.2? 路徑規劃及數據采集

采用飛馬SLAM100進行數據采集，采用單個O型閉環模式，在進行數據采集時，為了對累積誤差進行收斂，需要盡可能多的數據閉環，即不同時段采集相同區域的數據。閉環的核心是要具有重疊的區域，重疊區域約在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25 min。在掃描過程中聯測4個控制點進行校準。路徑規劃如圖3所示。

2.3? 數據處理

SLAM-GO-POST是與SLAM100配套的PC端軟件，內嵌在無人機管家專業版中，該模塊專門對SLAM100采集的數據進行處理，生產高精度、高精細度彩色點云，生產局部全景圖，可實現點云數據進行控制點自動提取和坐標轉換，濾波優化和瀏覽等功能。本項目處理時間約為40 min。成果見點云正攝圖（圖4）。

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

2.4? 利用點云用CASS11生成數字地形圖

CASS11地形地籍成圖軟件，是由南方數碼基于 CAD 平臺技術研發，具有完全知識產權的 GIS 前端數據處理系統。廣泛應用于地形成圖、地籍成圖、工程測量應用、空間數據建庫和更新及市政監管等領域。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一步升級之外，增加裸眼3D采集、點云立采、立面采集和二三維一體化數據采集等相關功能。利用CASS11軟件1 h左右由人工生成CAD地形圖。

2.5? 制圖成果精度驗證

本次作業，使用全站儀測量點位數據跟SLAM100掃描數據套合對比。共選取60個全站儀測量散點作為本次驗證精度使用，對比發現：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? 手持激光掃描儀優勢與不足

3.1優勢明顯，應用前景廣闊

1）本次外業采集2人，外業共計耗時40余分鐘，共采集可用點云約9 000 m2，內業預處理1人單臺高性能工作站耗時約40 min，點云制圖1人1 h完成。按傳統的RTK采集方式，外業需2人0.6 h左右，內業成圖時間點云掃描略長。激光掃描技術能提高工作效率2.5倍左右。這種作業方式節約了時間，提高了作業效率，大大減少了人力、物力的投入。其也大大減少了外業時間，充分利用點云數據實現“內業跑尺”的效果，大大減緩作業人員“冬練三九、夏練三伏”的痛苦。

2）三維激光掃描技術利用了可以生成3D立體的點云數據，對現狀地形地物能夠詳盡地反映，對建筑結構的各個方位都能兼顧到，更為重要的是，成圖的精度也很大程度上得到了保證。

3）實景三維、數字孿生是現代最前沿的科技，BIM、CIM技術正在飛速發展，點云作為上述各項應用的底殼必然會大力發展，激光掃描和傾斜攝影技術必定會成為行業發展的大趨勢。

3.2缺點與不足

1）現階段三維激光掃描設備較貴，架站式基本都在50萬元以上，手持式進口產品在40萬元左右，手持國產產品約10萬左右，相比于非常便宜的GPS接收機、全站儀、掃描儀暫時還不占優勢。

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

3）在各種場景的運用中還需盡快建立相應的規范、條款、行業標準。

4? 結論

1）數字孿生、智慧城市為世界發展的前沿科技和新方向，我國在相關領域處于領先地位。隨著BIM、CIM技術飛速發展，激光掃描技術會緊跟其后，激光掃描設備也在不斷創新，設備的國產化也日新月異，越早介入會越早取得行業的優勢。

2）由于激光掃描技術處于飛速發展階段，相關的技術規范，生產流程還未成型，儀器的穩定性、模塊化還有待提高，價格還處于高位，技術被大量推廣和運用還需要一段時間。

3）本文僅簡單介紹了手持激光雷達掃描儀飛馬SL

AM100在地形測繪中的運用，有不足之處，希望多多指正。

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