手持激光雷达扫描仪飞马在地形测绘中的运用

杨学林

摘  要：SLAM的全称为Simultaneous Localization And Mapping即“同时定位与地图构建”。最近几年由于机器人、无人机、自动驾驶、AI、VR和AR技术的发展，SLAM技术逐渐被人们熟知。SLAM技术是通过激光传感器感知周围的环境，并将不同时刻感知的环境进行匹配套合，从而反推本体在环境中的位置及运动轨迹。随着SLAM技术的设备及定位精度的提高，该技术逐渐在测绘行业中使用，迅速成为除RTK和全站仪采点成图之外的一种地形图成图手段。国外GeoSLAM等公司推出大量的产品，在该领域处于领先地位，为打破国外封锁，国内的飞马、数字绿土等公司也研发出相应的产品。该文主要通过具体的案例论述国产手持激光雷达扫描仪飞马SLAM 100在地形测绘中的运用，侧重于表述SLAM技术及SLAM100产品在运用中的优缺点。

关键词：SLAM技术；手持激光雷达扫描；地形测绘；即时定位与地图构建；三维激光技术

中图分类号：TU99      文献标志码：A          文章编号：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，在测绘行业地形图测绘中，利用GPS的RTK技术直接采点和全站仪极坐标法为当前最常用的2种方法，但这2种方法采点单一、速度慢、用工多、效率不高。最近几年由于机器人、无人机、自动驾驶、AI、VR和AR技术的发展，SLAM技术逐渐被人们熟知。SLAM技术通过激光传感器感知周围的环境，并将不同时刻感知的环境进行匹配套合，从而反推本体在环境中的位置及运动轨迹，该技术可以生成现场场景的点云，利用这些点云数据采用专用软件可直接用于地形图成图。这种地形图成图方法具有数据丰富、精度较高、带纹理、可辨识、速度快和白天晚上可作业等优点能大大提高作业效率，作业方式可手持、可背包、可车载及可无人机搭载，该技术在地形测量、地籍测量、土方测量和老旧小区改造等领域都在逐步地推广和运用。

本文主要通过具体的案例论述国产手持激光雷达扫描仪飞马SLAM100在地形测绘中的运用，侧重于表述SLAM技术及SLAM100产品在运用中的优缺点。

1  三维激光技术运用前景及SLAM技术的概述

1.1  三维激光技术运用场景

2019年1月，全国自然资源工作会议明确提出：“加快基础测绘转型升级，增强测绘地理信息公共服务能力，促进地理信息产业高质量发展。”三维激光技术作为一种新型测绘技术，成为建设中必不可少的采集技术及数据成果源。该技术在测绘行业被多方面广泛运用，运用场景如图1所示。

1.2  SLAM技术及SLAM100手持扫描仪

SLAM技术即同步定位与地图构建技术（Simultaneous Localization and Mapping）具备从未知环境未知地点出发，在运动过程中通过重复观测到的环境特征定位自身位置和姿态，再根据自身位置获取空间三维数据，构建周围环境的增量式地图，可达到同时定位和地图构建的目的。SLAM 不依赖GNSS，可自主定位和导航，适用于室内、室外各场景下堆积物高密度三维点云数据获取，配合三角网法、格网法、断面法等方量计算方法，快速、准确量取堆体体积。

手持式SLAM具有机身小巧、作业简单等优势，多平台、模块化、高兼容等特性，可在狭窄空间中灵活作业，提供有效的数据采集方式。

SLAM100是飞马机器人推出的首款手持移动式激光雷达扫描仪（图2）。该系统具有360°旋转云台，可形成270°×360°点云覆盖，结合行业级SLAM算法，可在无光照、无GPS条件下获取周围环境高精度、高精细度的三维点云数据。SLAM100选用3颗500万像素摄像头，可形成宽200°、高100°超宽视场角，在光照条件下同时获取纹理信息，生产彩色点云和局部全景图。SLAM100采用一体化结构设计，内置控制和存储系统、内置可更换锂电池，一键式启动作业，使数据获取更加高效、便捷。

2  项目情况及作业流程

项目为一长约150 m、宽约80 m带院办公区，主楼高4层，其余为平房。测区情况相对简单，地势较平坦，树木较少但较高，房屋密集，纹理相对清楚，视野较差。作业主要目的为提供测区点云，提供全院1∶500地形图，提供办公主楼的4个立面图

2.1  平面高程控制网布设及施测情况

控制情况是采用独立坐标和高程系统，等级定为图根导线和图根水准，用全球定位系统利用千寻系统的网络RTK技术做了4个控制点，用全站仪进行了点位联测。用闭合环方式布设水准，用直接水准联测4点高程。计算结果见表1。

表1  平面高程控制点成果

2.2  路径规划及数据采集

采用飞马SLAM100进行数据采集，采用单个O型闭环模式，在进行数据采集时，为了对累积误差进行收敛，需要尽可能多的数据闭环，即不同时段采集相同区域的数据。闭环的核心是要具有重叠的区域，重叠区域约在5～10 m，可以是同向重合，也可以是反向重合。扫描线路全长876 m，扫描用时25 min。在扫描过程中联测4个控制点进行校准。路径规划如图3所示。

2.3  数据处理

SLAM-GO-POST是与SLAM100配套的PC端软件，内嵌在无人机管家专业版中，该模块专门对SLAM100采集的数据进行处理，生产高精度、高精细度彩色点云，生产局部全景图，可实现点云数据进行控制点自动提取和坐标转换，滤波优化和浏览等功能。本项目处理时间约为40 min。成果见点云正摄图（图4）。

从点云中把办公主楼经过降噪、切片、拼接做成主办公楼的立面点云图（图5），利用主楼立面点云图可生成建筑物立面图。

2.4  利用点云用CASS11生成数字地形图

CASS11地形地籍成图软件，是由南方数码基于 CAD 平台技术研发，具有完全知识产权的 GIS 前端数据处理系统。广泛应用于地形成图、地籍成图、工程测量应用、空间数据建庫和更新及市政监管等领域。CASS11.0 版本相对于以前各版本除了平台、基本绘图功能上作了进一步升级之外，增加裸眼3D采集、点云立采、立面采集和二三维一体化数据采集等相关功能。利用CASS11软件1 h左右由人工生成CAD地形图。

2.5  制图成果精度验证

本次作业，使用全站仪测量点位数据跟SLAM100扫描数据套合对比。共选取60个全站仪测量散点作为本次验证精度使用，对比发现：最大误差7.1 cm，中误差3.2 cm，满足1∶500地形图精度要求。

3  手持激光扫描仪优势与不足

3.1优势明显，应用前景广阔

1）本次外业采集2人，外业共计耗时40余分钟，共采集可用点云约9 000 m2，内业预处理1人单台高性能工作站耗时约40 min，点云制图1人1 h完成。按传统的RTK采集方式，外业需2人0.6 h左右，内业成图时间点云扫描略长。激光扫描技术能提高工作效率2.5倍左右。这种作业方式节约了时间，提高了作业效率，大大减少了人力、物力的投入。其也大大减少了外业时间，充分利用点云数据实现“内业跑尺”的效果，大大减缓作业人员“冬练三九、夏练三伏”的痛苦。

2）三维激光扫描技术利用了可以生成3D立体的点云数据，对现状地形地物能够详尽地反映，对建筑结构的各个方位都能兼顾到，更为重要的是，成图的精度也很大程度上得到了保证。

3）实景三维、数字孪生是现代最前沿的科技，BIM、CIM技术正在飞速发展，点云作为上述各项应用的底壳必然会大力发展，激光扫描和倾斜摄影技术必定会成为行业发展的大趋势。

3.2缺点与不足

1）现阶段三维激光扫描设备较贵，架站式基本都在50万元以上，手持式进口产品在40万元左右，手持国产产品约10万左右，相比于非常便宜的GPS接收机、全站仪、扫描仪暂时还不占优势。

2）扫描成果只能进行简单的点云附色，没有无人机倾斜摄影所得的实景三维直观，纹理不够清晰，在判读和利用中需要进行一些处理，使用者需具备一定的经验。

3）在各种场景的运用中还需尽快建立相应的规范、条款、行业标准。

4  结论

1）数字孪生、智慧城市为世界发展的前沿科技和新方向，我国在相关领域处于领先地位。随着BIM、CIM技术飞速发展，激光扫描技术会紧跟其后，激光扫描设备也在不断创新，设备的国产化也日新月异，越早介入会越早取得行业的优势。

2）由于激光扫描技术处于飞速发展阶段，相关的技术规范，生产流程还未成型，仪器的稳定性、模块化还有待提高，价格还处于高位，技术被大量推广和运用还需要一段时间。

3）本文仅简单介绍了手持激光雷达扫描仪飞马SL

AM100在地形测绘中的运用，有不足之处，希望多多指正。

参考文献：

[1] 张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘，2011（1）：39-42.

[2] 张亚.三维激光扫描技术在三维模型重建中的应用研究[D].西安：长安大学，2011.

[3] 赵庆阳.三维激光扫描仪数据系统研制[D].西安：西安科技大学，2008.

[4] 官云兰.地面三维激光扫描数据处理中的若干问题研究[D].上海：同济大学，2008.

[5] 马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉：武汉大学，2005.

[6] 史友峰.三维激光扫描技术在测量中的应用研究[D].西安：长安大学，2007.

[7] 高秀娟，杨伟华.三维激光扫描测量技术及在测绘领域的应用[J].黑龙江科技信息，2010（35）：21.

[8] 郑德华.三维激光扫描影像拼接模型及试验分析[J].河海大学学报（自然科学版），2005（4）：466-471.

[9] 马晓泉.地面三维激光扫描技术及其在国内的应用现状[J].科技信息，2012（29）：74-75.

[10] 马素文.三维激光扫描在测量中的应用现状[J].山西建筑，2011，37（9）：207-208.