SLAM的原理 手持SLAM的優缺點講解

2021年11月11日，雙十一這一天，隨著飛馬的SLAM100手持產品發布，手持SLAM設備帶來的測量便利性：走到哪兒掃到哪兒，精度還挺高，首次讓不少測繪地理信息從業者感到震驚，未來的測量似乎可以讓這一款儀器代替。 同一年發布的還有北科天繪的星探（2021.4.19）、思拓力H8（2021.8月）、GOSLAM RS100/RS100-RTK（均為2021年發布）、歐思徠SR-RL6。 2022年手持SLAM產品出現井噴現象，陸續發布的有數字綠土LiGripV100/H120、GOSLAM RS100S、歐思徠R8，際上導航GS-100G、中觀RigelSLAM、豐疆智TrionS1、其域創新靈光Lixel L1、Stereye Polar、GEOSLAM ZEB VISION等。這些手持產品有很早就做手持SLAM的，比如GEOSLAM（現在已經賣給了FARO），也有本身就是三維激光測量行業的，比如數字綠土，歐思徠等。也有后起之秀，比如GOSLAM，其域創新等。 這篇文章不談誰的設備好壞，只從手持SLAM這項技術而言談談，他是否有可能成為下一代的測量技術。 ? ?

一、SLAM的原理

SLAM原理參考關于手持SLAM三維激光掃描儀的一些事情

二、手持SLAM的優點? ??

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2.1 走到哪兒測到哪兒

手持SLAM設備最大的特點肯定要放到手持這個動作上面，由于SLAM算法的優越性，手持可以做到走到哪里測到哪里。 ? ? 當然這種走到哪里測到哪里不是說，你真的可以隨風奔跑，做一個放蕩不羈愛自由的人，SLAM也有一套固有的行走規則，特別是不同廠家的對自己的SLAM都形成了一套完整的行走規則（行走速度，擺動幅度，特殊區域處置，閉環等等，這些需要操作人員接受廠家一定程度上的培訓）。所以這種自由是在行走規則里面的自由，但相比較于傳統測量來說（架站的全站儀，掃描儀），還是更自由一些。

2.2?單次測量的作業面積大

市面上的手持SLAM的作業時間一般為10-60分鐘，在廠商的行走規則約束下，作業面積在10000-60000平之間（面積：時間=1000:1）。如此之高的測量效率應該來說是除了機載以外，最快的測量手段了。

2.3?點密度大

我這里的手持SLAM指的是激光SLAM，而且是三維激光SLAM。市面上用于手持SLAM的三維激光大部分都以HESAI 和VELODYNE為主，這些激光器的線束通常以16/32線為主，對應的點頻為30-64W。這個點頻已經可以跟上一般的架站式掃描儀的點頻了。一般地面點的密度可以達到5000-10000W點/平方米。

圖片來源于VELODYNE和HESAI官網

2.4?全方位、無死角測量

除了點密度之外，全方位無死角的掃描，也是一大優點，因為你可以去到任何可以測量的地方進行掃描，可以最大限度的測量物體（而且，對物體的測量是不挑的，只要測量范圍內的所有物體都得以測量，特別是在立面測量時，可以避免漏測以導致的返工），并且SLAM不需要考慮通視，拼接。 無死角這里指的是有限范圍的，因為受限于地面手持的角度（大部分情況下手持的高度都在離地1.5-1.8m），測量特別高的建筑或者只有特定角度朝向測量著時，不能無死角的測量，只能獲得一部分的點云信息。至于這個點云是否可以用，取決于你的用處~。譬如你只是測量建筑的形狀，底層建筑的點云完全足夠，高層的建筑用處其實不大。

2.5?原始數據信息豐富

點云除了擁有坐標（XYZ）信息以外，還擁有：① 強度 Intensity，可用于地物屬性判斷，地面標示線繪制，精度檢查等；② RGB值，點云的彩色信息，可以真實的反映世界的色彩信息，為地物色彩判斷，屬性判斷提供依據。③ 另外，手持一般都有全景影像，是現場的拍照記錄，可用于現場環境查看，地物屬性判斷等；

真彩色

強度

全景影像

2.6 成果多樣性

這里的成果不是說，我原始的數據就有很多成果的意思，所謂成果多樣性，是手持的數據成果可以加工成多種，比如最直接的點云成果、基于點云成果的線化圖（地形圖、平面圖）、基于點云的人工三維模型，基于點云封裝和貼圖的快速實景三維模型、礦道三維模型和體積、堆體體積等等。真正做到一次測量輸出多種成果，無需反復測量。 ?

三、手持SLAM的缺點

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3.1 需要一定的經驗

是的，SLAM測量需要一定程度上的培訓，不是你想任意測量就能得到好的結果的，特別是閉環，很多新手在測量的時候，都不知道要閉環，導致很多數據精度不高的情形。另外還有一個缺點后面再講，這些都需要測量人員需要一定的經驗來進行提前預判。我這里把他列為缺點其實有點不太合適，但是我平時遇到很多的問題都是經驗缺乏導致的。經驗這個東西是好事，但是在目前SLAM設備還在普及的時候并且還未完全成熟，相關從業人員又較少時，可以說他是一個缺點。

3.2?點云效果一般

手持SLAM的點云效果比站式激光掃描儀的效果肯定比不過，一方面站式掃描儀的點密度一般較手持的較大；另外站式的掃描儀大部分都是相位式雷達比手持的脈沖式雷達點云看著更加細膩一點；最后手持由于需要計算行走軌跡，而這種軌跡計算的誤差肯定會帶到點云當中。 當然這個SLAM點云效果方面也有做的比較好的廠家：NAVIS（https://www.navvis.com/），不過他們是穿戴式SLAM系統（手持能否做到，且看手持SLAM算法的努力了），不屬于我們這篇文章討論的內容。 以下為同一視角下，架站式掃描儀和SLAM掃描儀的點云。

SLAM點云效果

架站式掃描儀點云效果 點云效果不好就不能用？那也也要看場景。如果不需要很精細的結構反映（一般是古建筑），只需要大致的幾何結構的話，SLAM掃描儀是足夠的。至于生成平面圖和地形圖，足夠了~

3.3?不能實時

這里的實時的意思在我外業結束之后，點云只需要導出來就能用，不用再導入后處理軟件進行處理。但，這個幾乎不太可能，因為受限于手持端的算力。（雖然目前其域科技 Lixel L1宣稱可以實時處理，實時賦色，但是因為我沒見過，所以我個人至少對實時點云的精度和密度持懷疑態度。）為何實時如此重要：

① 可以實時看到掃描的結果，判斷哪些質量不好，哪些需要補測，我可以在現場實時做判斷； ② 對于一些比較應急的應用，比如消防，公安，應急測繪、房產測繪來說，我外業測量1小時，內業再處理個2-6小時，著實有點慢了，甚至還可能出錯。 ③?一個實時和一個后處理，除了處理速度的提高，提高了作業的效率，最終可以加快整個項目的進度。項目進度的加快，你就可以承接更多的項目，賺更多的米。 當然現在受限于硬件的發展，實時起來真的挺困難的，如果你非得要求很快的出結果，那么考慮使用更好的電腦（更好的CPU，更大的內存，固態硬盤）加快數據處理進度吧。 傾斜可以集群，SLAM處理可以集群嘛？可以加快處理速度？按道理，是可以的，只不過大部分SLAM工程都不大，單臺電腦1-10個小時運算就足夠，比傾斜動輒以天計的時間少不少了，因此集群的意義不大。

3.4 價格

一般手持SLAM的價格在8-40W不等，這個價格對于大部分測量公司/單位來說，其價格可能偏高，尤其是在國產手持SLAM剛出來的第一年，許多用戶并不著急于入手購買，觀望的態度態度。另外今年疫情的原因許多單位經濟較為緊張，也是一個很重要的客觀原因。 但是價格我覺得不是最主要的原因，很多客戶也會愿意購買，因為他找到了一個可以快速實現其價值的地方/項目，能夠為公司帶來一定程度上的營收和降本增效。 ?

四、為啥是手持，背著不好嗎？

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首先要明白手持，畢竟是手拿著，任何一個物體手拿太久了，都會酸，何況1.5kg左右的手持產品，你測量10分鐘之后，一般都會覺得手臂酸痛，這個時候如果能夠背起來，那么勢必會減輕你的負擔。 另外手持端上玩花樣的機會就少了，比如加裝GPS，加裝RTK模組，高清全景相機等等等都你都不希望加裝在手持端吧，這樣重量可能會超過2kg。還是背著是更加舒適一點。

數字綠土手持+背負式掃描儀（圖片來源于數字綠土公眾號） 背負套件上的GNSS可以直接獲取帶有絕對位置坐標的點云，并且可以做到免控制點（PPK/RTK都可以），這是背負套件最大的價值。

五、車載與機載套件錦上添花

人們總是期望自己買的東西，物超所值，對于手持而言，許多人希望自己的掃描儀可以跟機載激光雷達一樣在天上測量，也可以跟車載激光雷達對道路及兩旁進行測量。

5.1 機載套件

手持SLAM產品用在機載上，肯定不會當做測地形用的機載激光雷達，一般用于手持數據的補充，一些人難以達到的地方比如（沼澤，橋梁底部爆破區，豎井等）。

GOSLAM機載套件（圖片來源于GOSLAM官網） 機載SLAM也有專門的這方向的產品，比如BLK2FLY，ELIOS 3。這類無人機專注于機載SLAM，因此在體積和重量以及續航方面會綜合考慮。比如ELIOS的主要應用方向在管道和豎井檢測，BLK2FLY則專注于建筑數據的獲取。 ? ?

5.2 車載套件

同樣車載套件的作用性就不是很強了，手持架設在車載上完全當車載激光雷達是不現實的，因為點密度較低，加之SLAM移動速度過快的話，最終點云都出不來。所以車載套件能用在哪兒？車載數據補測，一些車輛無法測量的道路，或者僅僅是想偷懶的（能用手持，但是能夠車載舒服些）。當然車載套件也并非只放在乘用車上面，對于SLAM應用比較成熟的礦業，車載套件架設在軌道車上時可以很方便的獲取礦井數據。 ? 我個人覺得，機載套件的場景還是蠻多的，實用性大一點，車載套件其實我個人覺得場景就較少了，可以往特定領域的車載去發展（比如礦區，機器狗）。 ?

六、應用方向

應用方向，我這里簡單描述，不做詳細的展開說明。

6.1 礦區

礦區體積測量（露天堆體，挖掘體積量），采空區平面圖，礦洞三維模型等等。

6.2?堆體測量

體積測量：只要一切能形成堆的堆體，糧食堆，沙堆，砂船，煤堆都有測量需求。

6.3?立面測量

對于簡單的立面、目前SLAM技術基本滿足需求，且國內城市更新是持續不斷的。

6.4 三維建模，重建/數字存檔

基于點云的三維/BIM建模，自動三維重建，數字存檔。以及基于手工三維模型生成的平面圖。

6.5?地下空間測量

地下空間基本很多地方沒有圖紙或者圖紙老舊，基于點云和高像素的全景，可以生成平面圖以及三維模型。

6.6 地形圖修補測

由于手持SLAM通常是小區域的測量，并且具有直接獲取帶有絕對坐標的點云的能力，因此可以用來對地形圖進行修補測。

6.7 其他

林業應用、教學、溶洞調查、竣工測量、施工進度監測。 ?

七、2023手持SLAM何去何從

從2022 各家手持的表現來看以及市場反饋來看，更加輕便，更加易用，處理速度更快是三個最為核心的需求。 另外用戶的最后一公里如何解決。我遇到很多客戶拿到點云數據之后，根本不知道怎么應用到項目當中，這是廠商和客戶需要共同去探索的，尤其是廠商要盡可能的為客戶提供最后一公里的解決方案。 最后，希望明年經濟還可以，大家才有心情去關注新技術，親自感受新技術帶來的魅力。

編輯：黃飛

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