SLAM的原理手持SLAM的優(yōu)缺點(diǎn)講解

2021年11月11日，雙十一這一天，隨著飛馬的SLAM100手持產(chǎn)品發(fā)布，手持SLAM設(shè)備帶來(lái)的測(cè)量便利性：走到哪兒掃到哪兒，精度還挺高，首次讓不少測(cè)繪地理信息從業(yè)者感到震驚，未來(lái)的測(cè)量似乎可以讓這一款儀器代替。同一年發(fā)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(fā)布）、歐思徠SR-RL6。 2022年手持SLAM產(chǎn)品出現(xiàn)井噴現(xiàn)象，陸續(xù)發(fā)布的有數(shù)字綠土LiGripV100/H120、GOSLAM RS100S、歐思徠R8，際上導(dǎo)航GS-100G、中觀(guān)RigelSLAM、豐疆智TrionS1、其域創(chuàng)新靈光Lixel L1、Stereye Polar、GEOSLAM ZEB VISION等。這些手持產(chǎn)品有很早就做手持SLAM的，比如GEOSLAM（現(xiàn)在已經(jīng)賣(mài)給了FARO），也有本身就是三維激光測(cè)量行業(yè)的，比如數(shù)字綠土，歐思徠等。也有后起之秀，比如GOSLAM，其域創(chuàng)新等。這篇文章不談?wù)l的設(shè)備好壞，只從手持SLAM這項(xiàng)技術(shù)而言談?wù)劊欠裼锌赡艹蔀橄乱淮臏y(cè)量技術(shù)。 ? ?

一、SLAM的原理

SLAM原理參考關(guān)于手持SLAM三維激光掃描儀的一些事情

二、手持SLAM的優(yōu)點(diǎn)? ??

2.1 走到哪兒測(cè)到哪兒

手持SLAM設(shè)備最大的特點(diǎn)肯定要放到手持這個(gè)動(dòng)作上面，由于SLAM算法的優(yōu)越性，手持可以做到走到哪里測(cè)到哪里。 ? ? 當(dāng)然這種走到哪里測(cè)到哪里不是說(shuō)，你真的可以隨風(fēng)奔跑，做一個(gè)放蕩不羈愛(ài)自由的人，SLAM也有一套固有的行走規(guī)則，特別是不同廠(chǎng)家的對(duì)自己的SLAM都形成了一套完整的行走規(guī)則（行走速度，擺動(dòng)幅度，特殊區(qū)域處置，閉環(huán)等等，這些需要操作人員接受廠(chǎng)家一定程度上的培訓(xùn)）。所以這種自由是在行走規(guī)則里面的自由，但相比較于傳統(tǒng)測(cè)量來(lái)說(shuō)（架站的全站儀，掃描儀），還是更自由一些。

2.2?單次測(cè)量的作業(yè)面積大

市面上的手持SLAM的作業(yè)時(shí)間一般為10-60分鐘，在廠(chǎng)商的行走規(guī)則約束下，作業(yè)面積在10000-60000平之間（面積：時(shí)間=1000:1）。如此之高的測(cè)量效率應(yīng)該來(lái)說(shuō)是除了機(jī)載以外，最快的測(cè)量手段了。

2.3?點(diǎn)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(xiàn)束通常以16/32線(xiàn)為主，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)頻為30-64W。這個(gè)點(diǎn)頻已經(jīng)可以跟上一般的架站式掃描儀的點(diǎn)頻了。一般地面點(diǎn)的密度可以達(dá)到5000-10000W點(diǎn)/平方米。

圖片來(lái)源于VELODYNE和HESAI官網(wǎng)

2.4?全方位、無(wú)死角測(cè)量

除了點(diǎn)密度之外，全方位無(wú)死角的掃描，也是一大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槟憧梢匀サ饺魏慰梢詼y(cè)量的地方進(jìn)行掃描，可以最大限度的測(cè)量物體（而且，對(duì)物體的測(cè)量是不挑的，只要測(cè)量范圍內(nèi)的所有物體都得以測(cè)量，特別是在立面測(cè)量時(shí)，可以避免漏測(cè)以導(dǎo)致的返工），并且SLAM不需要考慮通視，拼接。無(wú)死角這里指的是有限范圍的，因?yàn)槭芟抻诘孛媸殖值慕嵌龋ù蟛糠智闆r下手持的高度都在離地1.5-1.8m），測(cè)量特別高的建筑或者只有特定角度朝向測(cè)量著時(shí)，不能無(wú)死角的測(cè)量，只能獲得一部分的點(diǎn)云信息。至于這個(gè)點(diǎn)云是否可以用，取決于你的用處~。譬如你只是測(cè)量建筑的形狀，底層建筑的點(diǎn)云完全足夠，高層的建筑用處其實(shí)不大。

2.5?原始數(shù)據(jù)信息豐富

點(diǎn)云除了擁有坐標(biāo)（XYZ）信息以外，還擁有：① 強(qiáng)度 Intensity，可用于地物屬性判斷，地面標(biāo)示線(xiàn)繪制，精度檢查等；② RGB值，點(diǎn)云的彩色信息，可以真實(shí)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(jù)。③ 另外，手持一般都有全景影像，是現(xiàn)場(chǎng)的拍照記錄，可用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境查看，地物屬性判斷等；

真彩色

強(qiáng)度

全景影像

2.6 成果多樣性

這里的成果不是說(shuō)，我原始的數(shù)據(jù)就有很多成果的意思，所謂成果多樣性，是手持的數(shù)據(jù)成果可以加工成多種，比如最直接的點(diǎn)云成果、基于點(diǎn)云成果的線(xiàn)化圖（地形圖、平面圖）、基于點(diǎn)云的人工三維模型，基于點(diǎn)云封裝和貼圖的快速實(shí)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(cè)量輸出多種成果，無(wú)需反復(fù)測(cè)量。 ?

三、手持SLAM的缺點(diǎn)

3.1 需要一定的經(jīng)驗(yàn)

是的，SLAM測(cè)量需要一定程度上的培訓(xùn)，不是你想任意測(cè)量就能得到好的結(jié)果的，特別是閉環(huán)，很多新手在測(cè)量的時(shí)候，都不知道要閉環(huán)，導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)精度不高的情形。另外還有一個(gè)缺點(diǎn)后面再講，這些都需要測(cè)量人員需要一定的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行提前預(yù)判。我這里把他列為缺點(diǎn)其實(shí)有點(diǎn)不太合適，但是我平時(shí)遇到很多的問(wèn)題都是經(jīng)驗(yàn)缺乏導(dǎo)致的。經(jīng)驗(yàn)這個(gè)東西是好事，但是在目前SLAM設(shè)備還在普及的時(shí)候并且還未完全成熟，相關(guān)從業(yè)人員又較少時(shí)，可以說(shuō)他是一個(gè)缺點(diǎn)。

3.2?點(diǎn)云效果一般

手持SLAM的點(diǎn)云效果比站式激光掃描儀的效果肯定比不過(guò)，一方面站式掃描儀的點(diǎn)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(dá)比手持的脈沖式雷達(dá)點(diǎn)云看著更加細(xì)膩一點(diǎn)；最后手持由于需要計(jì)算行走軌跡，而這種軌跡計(jì)算的誤差肯定會(huì)帶到點(diǎn)云當(dāng)中。當(dāng)然這個(gè)SLAM點(diǎn)云效果方面也有做的比較好的廠(chǎng)家：NAVIS（https://www.navvis.com/），不過(guò)他們是穿戴式SLAM系統(tǒng)（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(nèi)容。以下為同一視角下，架站式掃描儀和SLAM掃描儀的點(diǎn)云。

SLAM點(diǎn)云效果

架站式掃描儀點(diǎn)云效果點(diǎn)云效果不好就不能用？那也也要看場(chǎng)景。如果不需要很精細(xì)的結(jié)構(gòu)反映（一般是古建筑），只需要大致的幾何結(jié)構(gòu)的話(huà)，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(shí)時(shí)

這里的實(shí)時(shí)的意思在我外業(yè)結(jié)束之后，點(diǎn)云只需要導(dǎo)出來(lái)就能用，不用再導(dǎo)入后處理軟件進(jìn)行處理。但，這個(gè)幾乎不太可能，因?yàn)槭芟抻谑殖侄说乃懔Α＃m然目前其域科技 Lixel L1宣稱(chēng)可以實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)賦色，但是因?yàn)槲覜](méi)見(jiàn)過(guò)，所以我個(gè)人至少對(duì)實(shí)時(shí)點(diǎn)云的精度和密度持懷疑態(tài)度。）為何實(shí)時(shí)如此重要：

① 可以實(shí)時(shí)看到掃描的結(jié)果，判斷哪些質(zhì)量不好，哪些需要補(bǔ)測(cè)，我可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)做判斷； ② 對(duì)于一些比較應(yīng)急的應(yīng)用，比如消防，公安，應(yīng)急測(cè)繪、房產(chǎn)測(cè)繪來(lái)說(shuō)，我外業(yè)測(cè)量1小時(shí)，內(nèi)業(yè)再處理個(gè)2-6小時(shí)，著實(shí)有點(diǎn)慢了，甚至還可能出錯(cuò)。 ③?一個(gè)實(shí)時(shí)和一個(gè)后處理，除了處理速度的提高，提高了作業(yè)的效率，最終可以加快整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度。項(xiàng)目進(jìn)度的加快，你就可以承接更多的項(xiàng)目，賺更多的米。當(dāng)然現(xiàn)在受限于硬件的發(fā)展，實(shí)時(shí)起來(lái)真的挺困難的，如果你非得要求很快的出結(jié)果，那么考慮使用更好的電腦（更好的CPU，更大的內(nèi)存，固態(tài)硬盤(pán)）加快數(shù)據(jù)處理進(jìn)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(guò)大部分SLAM工程都不大，單臺(tái)電腦1-10個(gè)小時(shí)運(yùn)算就足夠，比傾斜動(dòng)輒以天計(jì)的時(shí)間少不少了，因此集群的意義不大。

3.4 價(jià)格

一般手持SLAM的價(jià)格在8-40W不等，這個(gè)價(jià)格對(duì)于大部分測(cè)量公司/單位來(lái)說(shuō)，其價(jià)格可能偏高，尤其是在國(guó)產(chǎn)手持SLAM剛出來(lái)的第一年，許多用戶(hù)并不著急于入手購(gòu)買(mǎi)，觀(guān)望的態(tài)度態(tài)度。另外今年疫情的原因許多單位經(jīng)濟(jì)較為緊張，也是一個(gè)很重要的客觀(guān)原因。但是價(jià)格我覺(jué)得不是最主要的原因，很多客戶(hù)也會(huì)愿意購(gòu)買(mǎi)，因?yàn)樗业搅艘粋€(gè)可以快速實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的地方/項(xiàng)目，能夠?yàn)楣編?lái)一定程度上的營(yíng)收和降本增效。 ?

四、為啥是手持，背著不好嗎？

首先要明白手持，畢竟是手拿著，任何一個(gè)物體手拿太久了，都會(huì)酸，何況1.5kg左右的手持產(chǎn)品，你測(cè)量10分鐘之后，一般都會(huì)覺(jué)得手臂酸痛，這個(gè)時(shí)候如果能夠背起來(lái)，那么勢(shì)必會(huì)減輕你的負(fù)擔(dān)。另外手持端上玩花樣的機(jī)會(huì)就少了，比如加裝GPS，加裝RTK模組，高清全景相機(jī)等等等都你都不希望加裝在手持端吧，這樣重量可能會(huì)超過(guò)2kg。還是背著是更加舒適一點(diǎn)。

數(shù)字綠土手持+背負(fù)式掃描儀（圖片來(lái)源于數(shù)字綠土公眾號(hào)）背負(fù)套件上的GNSS可以直接獲取帶有絕對(duì)位置坐標(biāo)的點(diǎn)云，并且可以做到免控制點(diǎn)（PPK/RTK都可以），這是背負(fù)套件最大的價(jià)值。

五、車(chē)載與機(jī)載套件錦上添花

人們總是期望自己買(mǎi)的東西，物超所值，對(duì)于手持而言，許多人希望自己的掃描儀可以跟機(jī)載激光雷達(dá)一樣在天上測(cè)量，也可以跟車(chē)載激光雷達(dá)對(duì)道路及兩旁進(jìn)行測(cè)量。

5.1 機(jī)載套件

手持SLAM產(chǎn)品用在機(jī)載上，肯定不會(huì)當(dāng)做測(cè)地形用的機(jī)載激光雷達(dá)，一般用于手持?jǐn)?shù)據(jù)的補(bǔ)充，一些人難以達(dá)到的地方比如（沼澤，橋梁底部爆破區(qū)，豎井等）。

GOSLAM機(jī)載套件（圖片來(lái)源于GOSLAM官網(wǎng)）機(jī)載SLAM也有專(zhuān)門(mén)的這方向的產(chǎn)品，比如BLK2FLY，ELIOS 3。這類(lèi)無(wú)人機(jī)專(zhuān)注于機(jī)載SLAM，因此在體積和重量以及續(xù)航方面會(huì)綜合考慮。比如ELIOS的主要應(yīng)用方向在管道和豎井檢測(cè)，BLK2FLY則專(zhuān)注于建筑數(shù)據(jù)的獲取。 ? ?

5.2 車(chē)載套件

同樣車(chē)載套件的作用性就不是很強(qiáng)了，手持架設(shè)在車(chē)載上完全當(dāng)車(chē)載激光雷達(dá)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)辄c(diǎn)密度較低，加之SLAM移動(dòng)速度過(guò)快的話(huà)，最終點(diǎn)云都出不來(lái)。所以車(chē)載套件能用在哪兒？車(chē)載數(shù)據(jù)補(bǔ)測(cè)，一些車(chē)輛無(wú)法測(cè)量的道路，或者僅僅是想偷懶的（能用手持，但是能夠車(chē)載舒服些）。當(dāng)然車(chē)載套件也并非只放在乘用車(chē)上面，對(duì)于SLAM應(yīng)用比較成熟的礦業(yè)，車(chē)載套件架設(shè)在軌道車(chē)上時(shí)可以很方便的獲取礦井?dāng)?shù)據(jù)。 ? 我個(gè)人覺(jué)得，機(jī)載套件的場(chǎng)景還是蠻多的，實(shí)用性大一點(diǎn)，車(chē)載套件其實(shí)我個(gè)人覺(jué)得場(chǎng)景就較少了，可以往特定領(lǐng)域的車(chē)載去發(fā)展（比如礦區(qū)，機(jī)器狗）。 ?

六、應(yīng)用方向

應(yīng)用方向，我這里簡(jiǎn)單描述，不做詳細(xì)的展開(kāi)說(shuō)明。

6.1 礦區(qū)

礦區(qū)體積測(cè)量（露天堆體，挖掘體積量），采空區(qū)平面圖，礦洞三維模型等等。

6.2?堆體測(cè)量

體積測(cè)量：只要一切能形成堆的堆體，糧食堆，沙堆，砂船，煤堆都有測(cè)量需求。

6.3?立面測(cè)量

對(duì)于簡(jiǎn)單的立面、目前SLAM技術(shù)基本滿(mǎn)足需求，且國(guó)內(nèi)城市更新是持續(xù)不斷的。

6.4 三維建模，重建/數(shù)字存檔

基于點(diǎn)云的三維/BIM建模，自動(dòng)三維重建，數(shù)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(cè)量

地下空間基本很多地方?jīng)]有圖紙或者圖紙老舊，基于點(diǎn)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(bǔ)測(cè)

由于手持SLAM通常是小區(qū)域的測(cè)量，并且具有直接獲取帶有絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云的能力，因此可以用來(lái)對(duì)地形圖進(jìn)行修補(bǔ)測(cè)。

6.7 其他

林業(yè)應(yīng)用、教學(xué)、溶洞調(diào)查、竣工測(cè)量、施工進(jìn)度監(jiān)測(cè)。 ?

七、2023手持SLAM何去何從

從2022 各家手持的表現(xiàn)來(lái)看以及市場(chǎng)反饋來(lái)看，更加輕便，更加易用，處理速度更快是三個(gè)最為核心的需求。另外用戶(hù)的最后一公里如何解決。我遇到很多客戶(hù)拿到點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，根本不知道怎么應(yīng)用到項(xiàng)目當(dāng)中，這是廠(chǎng)商和客戶(hù)需要共同去探索的，尤其是廠(chǎng)商要盡可能的為客戶(hù)提供最后一公里的解決方案。最后，希望明年經(jīng)濟(jì)還可以，大家才有心情去關(guān)注新技術(shù)，親自感受新技術(shù)帶來(lái)的魅力。

編輯：黃飛

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