1.全站仪与三维激光扫描技术优势对比分析

全站仪的主要工作原理是通过两个或多个已知点的坐标，在仪器内部输入预先设定的三维坐标系，然后通过不同的测站，测得不同的点在该坐标系内的坐标，然后存储在仪器内，最终导入到CAD中获得一个统一坐标系下的点的分布情况图，然后根据需要加工成我们所需要的矢量图像。

三维激光扫描仪主要指是对物体进行 “形、 色、 面” 的三维立体的扫描测量。它可以直接将各种大型的、复杂的实体三维数据完整的采集到计算机中，从而快速的重新构建出建筑物精准的三维空间点云模型，再经专业后处理软件完成三维矢量模型。

全站仪和三维激光扫描仪在测量时都是通过光的传播速度与时间的乘积得到距离，其精度误差均可以达到毫米及厘米级别。

虽然全站仪和三维激光扫描仪都可以实现对不规则物体的精确测量，但是由于全站仪采用的是通过测量坐标点连接成线的方式进行测量，对弧形及复杂空间等不规则物体，测量时需要通过多次测量大量的点才能完成，精确性和效率将大打折扣。但是三维激光扫描仪是通过扫描面来实现对物体的测量，所以对弧形及复杂空间等不规则建筑有着更高的效率，可以一次扫描完成。

全站仪在工作时存在着诸如人工成本高、空间复杂不通视、测量累计误差较大、成果形式单一等难点。但是三维激光扫描仪仅需一人就能完成整个扫描工作，并且不需要大量支点换站，使整个测量过程是一个连续且轻松的过程。

 

2.如何选择适合类型的三维激光扫描仪

2.1三维激光扫描仪的类型划分

没有任何一款三维激光扫描仪能够满足所有领域的应用。比如小范围的室内外高精度数据采集，中等测距的扫描仪比较适合；区域固定的大面积远距离数据采集，长测距扫描仪较为合适；区域不固定且面积较大的数据采集移动（车载/机载）式扫描仪为主导；封闭且复杂室内空间数据采集，背包式移动扫描仪必当首选。因此实际生产应用中要根据不同项目目的来选择合适类型的扫描仪。

 

按照扫描仪工作原理划分

（1）基于相位测量原理

相位式扫描仪是发射出一束不间断的整数波长的激光，通过计算从物体反射回来的激光波的相位差来计算和记录目标物体的距离（如faro、z+F等产品）。相位式扫描仪由于采用的是连续光源，功率一般较低，所以测量范围也较小，测量精度主要受相位比较器的精度和调制信号的频率限制，增大调制信号的频率可以提高精度，但测量范围也随之变小，所以为了在不影响测量范围的前提下提高测量精度，一般都设置多个调频频率，扫描范围通常限制在100-300m内与时间漂移原理相比，精度更优越可以达到mm级。

（2） 基于时间漂移原理

也称之为脉冲测距式激光扫描仪，其测量精度受到扫描仪系统准确的量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候，由于时间太短，就会产生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，不适合于近景扫描。大多数长距离扫描仪（激光测距＞500m）测距都是采用这种原理，这种原理测距范围可以达到几百米。甚至扫描范围达到千米也是可能的（如Iiste、optech、riegl等产品）。但是在大范围内的扫描测距，精度相对较低，一般精度为cm级。

（3）基于脉冲+相位测量原理

它是将脉冲式测距和相位式测距两种方法结合起来，产生了一种新的测距方法：脉冲-相位式测距法（如天宝TX8、莱卡P系列等产品）。这种方法利用脉冲式测距实现对距离的粗测，利用相位式测距实现对距离的精测。

（4）基于SLAM测量原理

SLAM是Simultaneous localization and mapping缩写，意为“同步定位与建图”。SLAM问题可以描述为: 扫描仪在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现扫描仪的自主定位和导航。

SLAM技术是激光扫描仪的运动轨迹是一条与工作人员行走的步态有关的非线性和高动态的曲线。按照一般的理解，激光扫描仪如果安装在移动测量系统中，一定要有一个高精度的定位系统(POS系统)与之匹配，这样，激光扫描仪得到的激光点才能得到对应的位置和姿态数据，进而合成三维的激光点云。为了能解算出激光点云数据的高动态非线性位姿，通过研究激光点云的处理算法，可从这些杂乱无章的点云中找到线索，求取其中隐含的更稳定的高阶特征点和特征向量，并连续跟踪这些特征点和特征向量，进而高精度地动态反向解算扫描仪的位置和姿态。这种高精度的动态反向解算位置和姿态的方法颠覆了传统的测绘方法，为测绘技术开拓了一种新的思路。

 

2.2 SLAM扫描仪复杂空间快速三维移动扫描

移动扫描的优势在扫描领域是众所周知的。与传统的机架式扫描仪（TLS）相比，移动扫描设备可以更好的涵盖扫描范围以及加速工作流程，这也意味着可以减少服务供应商在现场的工作时间，并减低扫描成本。

目前，常见的移动测量系统通常是基于车载或无人机载等运动载体的测量系统，需要绝对依赖于全球卫星导航系统(GNSS)和惯性导航系统，只能适用于室外露天环境扫描，无法满足在封闭无GPS卫星信号的环境中连续作业。机架式三维激光扫描仪不需要GPS辅助定位，可用于室内及室外环境扫描，但复杂空间需要大量换站，然后进行测站点云拼接，采集效率十分低下。但是，SLAM扫描仪技术在封闭空间进行移动扫描具有较好的应用，完全不依托GPS信号辅助定位，能够对室内及室外环境进行连续移动扫描。因此，SLAM技术在测绘领域中的应用降低了测量复杂性，不需要大量标记地物点，适用于在室内室外场景，对于解决现阶段复杂封闭空间的定位及场景重建测绘具有广阔前景。

由于SLAM技术无需GPS信号，对工作环境又有极强的适应性，基于SLAM技术的移动测量系统在多个测绘领域发挥作用，具体表现为：

◆数据采集速度极快，可快速获得所需点云数据，数据精度高。

◆无接触式扫描，且对采集环境具有较强适应性，可在全黑环境扫描。

◆内业点云预处理自动化程度高，无需人工干预，短时间内获得点云数据。

◆操作简单易学，无需换站，连续采集，具有连贯性，可实现室内外一体化扫描作业。

 

SLAM算法至关重要：

需要注意的是，每个制造商在其移动扫描系统中都有自己专有的SLAM算法。每一个算法在表面上看起来都非常相似，但它们之间的差异可能意味着最终数据的质量会有巨大的差异。

这也是为什么，为确保高质量的扫描结果，需要深入了解背后的SLAM算法的具体细节。了解其SLAM算法支持哪些方法来更正误差。目前，国内外已有很多基于SLAM原理研发的移动扫描产品，这其中最受欢迎的要属英国GeoSLAM公司所研发生产的GeoSLAM系列扫描仪，截止目前国内有超上百家企业和高校已购买该产品用于生产及科研研究。

 

GeoSLAM多平台移动扫描仪：

GeoSLAM Horizon 手持式移动三维激光扫描仪是由澳大利亚国家科学研究机构CSRO和英国三维激光雷达采矿行业解决方案提供者3D lasermapping公司以合资企业的形式成立，并联合研发出的目前最轻便的SLAM扫描系统。

GeoSLAM 扫描仪

 

产品特性：

•全套设备仅重2.7kg

•激光扫描头可进行270°X 360°全景扫描

•结构设计小巧，可进入低矮及狭小空间进行数据采集

•支持手持、固定杆、背负、车载、船载、无人机载等多种平台搭载方式扫描

 

数据处理软件特性：

•原始数据拖放软件内自动处理

•分块数据拼接合并

•可将3D点云数据快速转换为2D矢量数据

•支持多种主流点云格式导出

•点云数据，行进轨迹，影像资料同步查阅

 

GeoSLAM Horizon 扫描仪技术参数

 

3.GeoSLAM扫描仪快速矢量化成图技术方案

3.1整体测绘实施流程

基于SLAM技术可以对视觉信息和激光雷达数据进行三维重建与地图构建。它在测绘领域有着广泛的应用，尤其是能够更加精确地重建三维模型数据，这对于精确测量，高精度导航，特别是室内测绘中等方面的应用有着重要的意义。

GeoSLAM移动扫描测绘整体实施流程

 

3.2 测区划分及线路规划

众所周知SLAM系统没有GPS信号辅助定位，IMU长时间工作累计误差较大，最终将导致数据成果精度不达标。因此，在使用SLAM设备扫描时需合理控制扫描时间，通常单次扫描时间不宜超过30分钟为最优方案。以单次扫描时间控制在30分钟内为前提，需对大区域扫描场景进行测区划分，拆分为多个合理的区块，各区块之间保证不小于20％-30％的重叠部分，且对各区块提前进行扫描线路规划。扫描线路规划的合理性对于提高扫描成果精度至关重要。

 

GeoSLAM后端解算具体流程如下：

1) 基于IMU和激光雷达初始数据，利用SLAM 数据进行连续特征点匹配。

2) 将匹配好的SLAM 数据通过多帧匹配和闭环检测，反过来精算轨迹。

3) 将精算后的轨迹数据进行整体连续匹配。

4) 解算精密点云数据。

  

测区划分：

以单次扫描时间控制在30分钟内为前提，需对大区域扫描场景进行测区划分，拆分为多个合理的区块，各区块之间保证不小于20％-30％的重叠部分，且对各区块提前进行扫描线路规划。在日常测绘领域应用中，测区划分主要面临两种极端环境：大区域的中央扫描；线性扫描；其余所有环境扫描遵循基本测区划分原则做适当调整即可满足测量需求。比如单个建筑物需对建筑外围主体，室内以及地下空间进行整体扫描时，保证各划分区块间具有合理重叠部分，后端软件将通过各区块重叠部分的点云进行拼接融合。

大区域的中央扫描划分原则

 

线性扫描划分原则

 

 

线路规划：

最为理想的扫描线路为“闭环扫描”。执行“闭环扫描”，只需要简单的回到一个之前扫描过的点，然后SLAM 将会识别这个重叠点。此步骤提供了其所需的信息来计算已发生的任何偏移误差或跟踪误差并进行纠正。GeoSLAM产品后端软件算法中对“闭环扫描”优化极为明显。

“闭环扫描”是非常重要的对于提高SLAM成果精度。在物体周围找到的闭合环越多，精确度就越高。另外，有助于确保在闭合环区域内采集的数据没有漏洞。

找到开始扫描的最佳地点。理想情况下，从初始起点位置的一个方向开始移动，然后从另一个方向闭合回起点位置（起始点即终点位置）。

“有始有终”的单一闭环扫描线路

 

“将匹配好的SLAM 数据通过多帧匹配和闭环检测，反过来精算轨迹。将精算后的轨迹数据进行整体连续匹配。最终解算精密点云数据”。多次线路闭环是提高SLAM解算精度最为有效的方法。对于GeoSLAM产品, 保证O型循环的闭合工作是最好的，越多的O型循环闭合能给出最准确的数据。

U型循环闭合与O型循环闭合的线路规划

 

相同的扫描环境U型循环闭合A到B的相对精度为5cm

 

相同的扫描环境O型循环闭合A到B的相对精度为1cm

 

“有始有终”的多个闭环最佳扫描线路

 

“闭环扫描”是非常重要的对于提高SLAM成果精度。如果要采集一个多层的室内建筑，垂直O型循环闭合采集是首要考虑的。这意味着，如果采集的建筑有两楼梯或多个出入口，一定要同时使用它们。

垂直循环闭合扫描线路规划

 

 

3.3 投入设备及软件

序号	仪器设备名称	规格型号	单位	数量	备注
1	全站仪	国产或进口均可	套	1	用于控制测量
2	GPS	国产或进口均可	套	1	用于控制测量
3	移动扫描仪	GeoSLAM Horizon	套	1	采集三维点云数据
4	移动工作站	戴尔或惠普等	台	3	用于三维点云数据解算及矢量成图绘制
5	点云解算软件	GeoSLAM HUB	套	1	用于三维扫描数据预处理
6	点云后处理软件	Realworks	套	1	用于三维点云数据的拼接及简化
7	点云后处理软件	GeoSLAM Draw	套	1	三维点云数据平立剖面快速生成
8	矢量成图编辑	Autodesk CAD	套	3	用于矢量成图编辑

 

3.4 GeoSLAM扫描仪控制测量

控制测量是工程建设中各项测量工作的基础。控制测量的目的是精确测定控制点的三维位置。建筑室内外整体测绘控制测量是建筑整体三维扫描的基准和框架，而且在做控制测量的同时还要和三维激光扫描控制点进行联测，保证三维激光扫描数据控制测量坐标系保持一致，同时是后期各种测绘工程的开展的依据，包括地形图的测绘。

 

控制测量原则及技术依据

控制测量原则

（1）依据《中华人民共和国测绘法》，执行国家规定的测绘技术规范和标准。

（2）坚持技术先进性、科学合理性、经济适用性与实事求是相结合。

 

控制测量技术依据

（1）《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2001；

（2）《工程测量规范》（GB 50026-93）；

（3）《城市测量规范》（CJJ 8－99）；

（4）《国家一、二等水准测量规范》（GB 12898-91）；

（5）《导线测量电子记录规定》（CH/T 2002-92）；

（6）《地面三维激光扫描作业技术规程》（CHZ3017-2015）；

 

提前探勘测区，在合理划分区块之后，对各区块进行合理控制点布设，布设原则需遵循控制点测量布设原则，均匀分布于区块范围边缘。一般来说，满足GeoSLAM产品扫描的控制点布设密度的原则为：周围环境结构特征较少的区域应为40m-50m布设一个控制点；在周围环境特征点丰富的环境中应为100 m布设一个控制点。控制点坐标可通过GPS实测或通过全站仪测量获得。针对大型商场室内或地下空间扫描，为保证三维点云数据坐标转换精度满足限差要求，需通过全站仪支导线引测控制点到室内环境，且控制点分布原则不变。

控制点分布图

 

由于GeoSLAM系列设备采集的点云数据是处于其独立的相对坐标系统，为了实现坐标转换，使点云数据拥有绝对坐标，传统三维扫描仪方法是在测区范围内布设标靶纸或标靶球。通过人工提取标靶纸中心坐标或拟合球体中心坐标实现坐标转换。该过程不但加大了外业工作量，还需要借助第三方软件进行处理，操作过于繁琐，且坐标转换的精度会受到人为干预和球体拟合偏差影响。

为了提高外业工作效率，简化内业数据处理流程，减少项目成本和时间。GeoSLAM公司现推出GeoSLAM基准标定板，结合GeoSLAM HUB软件。旨在实现快速、便捷、高精度的点云数据坐标转换处理。只需野外作业时，使基准标定板“十字”中心停留于控制点上方10秒，扫描仪将自动记录该参考点，数据导入GeoSLAM HUB中自动识别控制点对应的参考点，就能对点云数据进行精准坐标转换，并给出坐标转换后的精度报告。

 

3.5 GeoSLAM扫描仪数据采集

仪器操作：

 

作业过程注意事项：

（1）每进行下一区块工程扫描时须先测与上一区块重复边的数据以便内业点云拼接；

（2）扫描过程中仪器须保持平稳，避开无特征点区域、避免原地转圈、突然跳跃陡坎等环节突变情况，以防止出现点云分层现象；

（3）保持匀速平稳前进，避免太慢、太快情况，太慢会导致点云太厚，太快容易导致点云太稀疏或分层现象；

（4）掉头转弯时，应加大转弯半径，同时保持仪器平稳，前进速度缓慢；

（5）扫描复杂空间环境时，需多换位多角度扫描，避免扫描有遮挡，造成数据有漏洞；

 

3.6 GeoSLAM扫描仪数据处理

将GeoSLAM扫描仪采集的原始数据导入GeoSLAM HUB软件进行解算，数据解算时间与电脑配置相关，通常单台工作站对单个区块扫描数据解算时间约为外业扫描时间的1.5-2倍不等。

GeoSLAM HUB软件数据解算

 

第一遍点云数据解算完成后，导入该区块数据对应的控制点坐标，进行第二遍数据解算，即点云坐标转换并自动生成坐标转换精度报告。

GeoSLAM HUB坐标转换精度报告

 

数据解算完成后可在GeoSLAM HUB软件中以不同模式查看点云数据的整体3D效果。当同步影像与点云相匹配之后，点云数据还能够以RGB真彩色显示。

GeoSLAM HUB 软件中查看点云

 

如果扫描项目不要求点云转换到绝对坐标，按区域划分原则所划分的各扫描区块点云可直接使用GeoSLAM HUB软件完成点云拼接。

GeoSLAM HUB 软件点云拼接

 

如果扫描项目要求点云转换到绝对坐标，按区域划分原则所划分的各扫描区块点云中一部分带有控制点一部分不含控制点，完成点云拼接且保证整体数据均转换到绝对坐标需借助第三方软件。使用Realworks软件可同时导入GeoSLAM HUB软件解算的带有绝对坐标与相对坐标的点云数据，并对点云进行拼接，融合，裁剪，简化及导出等操作。

Realworks软件对各区块点云拼接

 

经Realworks软件处理导出的点云，可直接导入GeoSLAM DRAW软件中进行快速平立剖面的生成及自动矢量图的绘制，且矢量成果可直接导出Dwg的格式进入CAD进行二测编辑。

GeoSLAM DRAW软件快速平立剖面图生成

 

GeoSLAM DRAW软件自动矢量图绘制

 

Dwg成果进入CAD二次编辑成图

 

4. GeoSLAM HORIZON扫描产品彩页

 

配置清单

序号	名称	型号	单位	数量
1	手持三维激光扫描仪	ZEB-HORIZON	台	1
2	数据处理器	ZEB-HORIZON data logger	个	1
3	电池	PAG L90 SLIM	块	1
4	数据线缆	ZEB-HORIZON main cable	根	1
5	USB数据线缆	USB cable	根	1
6	电源+插头	Battery charger and power supply unit	套	1
7	车载充电线	Car charger	根	1
8	数据处理软件	GeoSLAM Hub软件	套	1
9	16G U盘（U盘里包含许可码及软件安装包）	Kingston	个	1
10	背包	Backpack	个	1