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什么是地形测量?

您需要了解的关于使用 SLAM 扫描仪进行地形测量所需的一切信息

目录
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简介

您一定听说过关于同步定位和地图构建 (SLAM) 扫描仪的传言:该技术可以帮助您更快地完成测绘,获取更丰富的站点信息,并改进您的交付成果。它甚至能够提高您在现场的安全性。

但您可能对这些传言持怀疑的态度。作为一个专业人员,您的声誉与选择正确的技术息息相关,您需要在做出承诺之前广泛了解信息。SLAM 扫描究竟是如何工作的?如何将其用于地形测量领域?它的工作流程是否复杂?它的数据是否足够准确?它看起来就像一个黑盒子技术,怎样才能相信它的结果呢?

本指南将为您一一解答这些和更多的问题。我们将首先普及地形测量的基础知识,然后介绍当今最常用的测绘工具的优缺点。接着,我们会解释什么是 SLAM 扫描、它是如何工作的、如何使用它以及它能为您做些什么。

那就让我们开始吧。

观看 NavVis 技术在实际项目幕后的应用

地形测量什么是?

地形测量,有时也称为地形图或碎部测量,它测绘的是一片土地的边界和特征。它能绘制当前地形条件的精确地图,通常用于工程或建筑项目的准备工作。

根据不同的项目,最终测绘交付成果可能包括等高线、边界线、自然环境特征、建筑物和结构、路缘、道路设施(如标志牌和灯柱)、公用设施或其他地理特征等。

工作流程:传统地形测量

工具

机器人全站仪、棱镜和全球定位系统(GPS)。机器人全站仪可精确测量距离和角度,棱镜则可反射全站仪的光束;GPS 设备可提供地球表面的精确定位。

  1. 使用 GPS 设备布设控制点并进行测绘
  2. 将这些控制点坐标转移到全站仪上,作为所有其他点的依据
  3. 将全站仪安装在能清楚看到测量区域的地方
  4. 步行前往第一个测量特征的位置
  5. 使用棱镜和 GPS 设备捕捉测量点的特征
  6. 根据需要移动棱镜和 GPS 设备,重复上述步骤直至测量完成
  7. 返回办公室
  8. 处理和分析数据
  9. 绘制测绘交付成果(地图、报告、模型等)

常见交付成果

  • 数字高程模型(DEM):地理裸露表面(不包括自然地貌)的三维表示。以固定的间隔表示海拔值。
  • 数字地形模型(DTM):用河流、植被等自然特征增强 DEM 的三维模型。
  • 3D 建筑模型:地理定位模型,可显示现场任何建筑的位置、布局和尺寸。
  • 计算机辅助制图 (CAD) 地图:二维地图使用点和线图来标示必要的细节和特征。
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工作流程:使用架站式激光扫描仪(TLS)进行虚拟测绘

工具

全站仪或架站式激光扫描仪。 这些设备能用激光雷达(光探测和测距)传感器捕捉大量现场测量的数据,创建一个密集而精确的三维数据集,即点云。全站仪或 GPS 系统通常用于建立控制网络,架站仪的点云将与该网络连接。

  1. 设置扫描仪,确保覆盖范围最大,障碍物最少
  2. 捕捉点云
  3. 将扫描仪移动到下一个位置,确保与之前的扫描重叠,以实现全面覆盖
  4. 重复以上步骤,直至扫描覆盖整个场地
  5. 返回办公室
  6. 使用专门的点云软件将各个点云配准在一起
  7. 使用虚拟测量软件进行测量
  8. 绘制测绘交付成果

常见交付成果

  • 数字高程模型(DEM):地理裸露表面(不包括自然地貌)的三维表示。以固定的间隔表示海拔值。
  • 数字地形模型(DTM):用河流、植被等自然特征增强 DEM 的三维模型。
  • 3D 建筑模型:地理定位模型,可显示现场任何建筑的位置、布局和尺寸。
  • 计算机辅助制图 (CAD) 地图:二维地图使用点和线图来标示必要的细节和特征。

查看 NavVis VLX 3 的用例!

美国领先测量公司 Denn Engineers 在一个复杂的城市地区测试了 NavVis 技术,并将其与传统测量方法进行了对比。

- .e57格式的点云数据

-CAD 文件格式为 .dwg 和 .dxf

- PDF 格式的绘图

- .pdf版地形测量工作流程比较

痛点

这些工作流程提供了从边到边勘测站点的可靠方法。但两种流程都会带来巨大的挑战。

以下是传统测绘中最常见的痛点。

  1. 费力而耗时
    使用全站仪进行测量是一个繁琐的过程,需要捕捉大量的测量数据才能准确定义地物特征。想像一个简单的地理特征,比如笔直的路缘:您需要每隔15-20米捕捉一个测量点来确定该线路。如果路边有弯道,则需要多捕捉三个点。对于更复杂的特征,您需要捕捉更多的点。在拥有众多复杂特征的大型工地上,测量点的数量会迅速增加,项目工期也会随之延长。而且这有时与测量次数无关,而是测量之间的行走。例如,要拍摄一条道路,您需要走过路边的长度,跟踪这一特征,再走回路边记录通道线,走到道路中心记录中心线,最后在道路的另一侧重复这些步骤。因此,一条简单道路的长度最终需要多次扫描覆盖,耗费大量时间和精力。

  2. 静态扫描仪操作缓慢
    架站式激光扫描仪比传统全站仪快得多,但仍然会让人觉得缓慢而费力。加上安装扫描仪、采集数据和移动到下一个站点的时间,您可能要花费20分钟或更久的时间才能获得一个点云。如果一次勘测需要十几次的设置,就意味着要在场地上工作很长时间。

  3. 传统测绘的覆盖范围并不全面
    全站仪测绘的最佳做法是只测绘项目范围中定义的特征。这种方法虽然在项目重点扫描的地方效率高,但如果项目要求发生变化或扩大,这种方法就会变得效率低下。因此,如果利益相关者在测绘完成后要求提供计划范围之外的特征(如边界或路边线)的详细信息时,问题就出现了。这时就需要返回现场进行第二次测绘,花费额外的时间和费用。 

  4. 数据缺口
    激光扫描仪只能捕捉视线范围内的特征。如果不仔细规划,将所有遮挡物考虑在内,并增加额外的扫描以确保良好的覆盖范围,您的扫描数据中最终可能会出现空白点。而您要测绘的部分很可能就在这些空白点中消失。
  5. 安全问题
    在勘测点附近放置实体棱镜或 GPS 设备的需要可能会带来很大的安全隐患。例如,测量道路线意味着要站在繁忙的道路中央。这在传统的测绘工作流程中是需要十分谨慎的。 
  6. 缺乏图像资料
    图片能够为测绘提供丰富而宝贵的背景资料。可惜大多数全站仪 和安装在三脚架上的激光器都不能自动捕捉图像。因此,测量人员需要手动拍摄照片。而一项复杂的测绘已经足够让您忙碌了。结果经常是拍摄工作退居其次。  
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先进的测绘技术:SLAM 扫描

同步定位和地图构建(SLAM)扫描仪有望改变我们地形测量的方式。

SLAM 扫描仪与地面扫描仪非常相似,它可以捕捉适合虚拟测绘工作流程的 3D 数据。然而,SLAM 扫描仪在一个非常重要的方面有所不同:它们利用先进的传感器和算法,极大地改进了 3D 扫描的工作流程。

这些设备可以让您以步行速度捕捉 3D 数据。它们可以生成色彩饱满、逼真的点云,实现配准流程自动化,甚至可以减少差旅费用。它的好处还不止这些。

不过,在深入探讨其优势之前,让我们先回到开头,回答一些关于 SLAM 的基本问题。

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SLAM 简介

SLAM 指的并非特定的硬件或软件,而是一种技术程序的广义术语。它开发于上世纪80年代,用于帮助机器人在没有地图的情况下在新环境中自主导航。如今,从自动驾驶汽车到智能手机增强现实应用,SLAM 已被广泛应用于各种领域。它也是新一代激光扫描仪的关键成分。

SLAM 的工作方式有很多,但所有运作方式的基本思想都是相似的。为了演示其工作原理,下面将对三维扫描中 SLAM 的运转过程进行详细说明:

  1. 打开 SLAM 扫描仪
  2. 它利用激光雷达、摄像头和其他传感器捕捉周围的环境
  3. SLAM 算法会处理这些数据,以“识别”您周围的环境特征
  4. 它利用这些特征构建一个粗略的 3D 地图
  5. 推断自己在地图上的位置
  6. 当您移动设备时,它会从传感器收集新数据
  7. SLAM 算法将利用这些数据来改进其 3D 地图
  8. 这有助于提高其位置估算能力
  9. 等等

NavVis VLX 3 这样的先进 SLAM 扫描仪每秒可重复这些步骤数千次,并在您携带它的同时跟踪其自身路径。它还能绘制出清晰的三维地图,精确度极高。

点击此处查看我们的综合科普指南,了解更多有关 SLAM 的深度探讨 →

SLAM 与全站仪测绘相似

您可能在阅读了上述解释后,仍然认为 SLAM 是一种黑盒子技术。如果是这样,那么了解先进的 SLAM 扫描仪与全站仪所依赖的许多相同的原则可能会有所帮助。

前视和后视读数

在传统的全站仪测量中,前视和后视读数对精度至关重要。后视读数是将全站仪指向一个已知标高的参考点,而前视读数则是指向要测量的新点。这些读数有助于确定全站仪和测量点的位置和高度。 

SLAM 扫描仪还可参考先前建立的点来确定其三维位置。您可能隔一段时间就会进行这些计算,而 SLAM 扫描仪则会持续计算,从而提高测量的准确性和精确度。 

横向闭合扫描

使用全站仪工作时,有时会以再次测量起点来结束扫描。这就是所谓的闭合扫描,可以帮助检查和纠正测量中的差异或误差。您也可以通过 SLAM 扫描仪执行闭环扫描,来完成类似的操作。  

只需返回之前扫描过的区域即可。系统会自动将这一已知位置作为一个参考点,以读取更多读数,并纠正整个扫描过程中可能积累的误差。

控制网络

开始测绘时,首先要设置控制网络,包括建立测量点和基准。在整个测绘过程中,该网格将成为您进行其他测量读数的参考。

一些先进的 SLAM 扫描仪(如 NavVis VLX 3)还可以使用控制网络作为参考。当您处理云端的数据时,除了上面提到的读数外,复杂的算法还会使用这些控制点来提高最终点云的精度。

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工作流程:用于地形测量或碎部测量的 SLAM 扫描工作

虽然每台 SLAM 扫描仪都有自己独特的工作流程,但总体思路是相同的。下面我们来介绍一下如何使用 NavVis VLX 3 进行地形测量:

  1. 在整个工地建立测量控制网络
  2. 使用 NavVis VLX 3 在现场行走来采集 3D 数据集和高清全景图
  3. 使用内置触摸屏界面实时监控扫描进度并标记控制点
  4. 将 NavVis VLX 3 的腰带钩与控制点对准,以触发控制点的捕捉
  5. 保存数据并上传到 NavVis IVION 中进行云处理和优化
  6. 使用专业软件制作其他所需的测绘交付成果
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专题新闻

SLAM 扫描在地形测量和碎部测量中的十大优势(以及更多)

SLAM 扫描为地形测量和碎部测量带来了多项巨大优势。

1. 提高扫描速度
首先,也是最重要的一点是:速度。由于 SLAM 扫描仪可以边走边采集 3D 数据,因此大大加快了扫描工作流程。想象一下一个使用全站仪需要11个小时才能捕捉到的站点。多年的现场测试和专业经验表明, 使用 SLAM 扫描仪只需2小时即可完成同样的扫描工作。

了解 NavVis VLX 3 与架站式激光扫描仪相比速度有多快 →

2. 高精度
测量人员对早期的 SLAM 扫描仪持怀疑态度,因为它们生成的点云精度很低。如今,该技术已经非常成熟了。

NavVis VLX 3 这样先进的 SLAM 扫描系统可以生成精度为 5 毫米或更高的点云,尤其是在测量控制点的时候。这些数据非常精确,足以分辨出路缘的前方和后方等要素。在制作 DTM、DEM 或 CAD 地图等交付成果方面也是一样。

3. 全面扫描数据
NavVis VLX 3 这样的 SLAM 扫描仪包括一个内置触摸屏界面,可实时提供扫描进度的视觉反馈。可以轻松地在屏幕上发现数据中的阴影,并绕过遮挡物来填补阴影。扫描结果将是一个全面的 3D 数据集,包含现场所有特征的测量数据。

4. 自动配准
全站仪每扫描一次都会生成一个点云。在准备交付成果之前,您需要将这些点云配准在一起。遗憾的是,三脚架扫描仪的配准过程往往会耗费大量时间。

而 SLAM 扫描系统则可完成自动配准,为您节省时间。例如,NavVis VLX 3 可利用 NavVis IVION 的计算能力来处理、优化和地理配准点云,将人工劳动降到最少。

5. 逼真的点云图像
NavVis VLX 3 这样的 SLAM 扫描仪可使用多个360°摄像头在您行走时捕捉高清图像。在处理阶段,配套的软件 NavVis IVION 将这些图像与点云相结合,可生成如照片般逼真的三维数据集。



您可以利用这些彩色点云来查看站点周围的细节,就像查看照片一样(效果还更好,因为还可以进行测量)。您可以放大道路线形、路缘和结构,近距离观察这些特征,为您解答许多问题,例如,道路有没有开裂?路面看起来还新吗?候车亭是否需要更换?

6. CAD 可交付成果自动化
如果您想进一步加快测绘工作流程,可以在处理数据后导出点云,并使用第三方工具(如 TopoDot)自动提取线形图、环境特征和细节,以快速生成高质量的 CAD 可交付成果。

7. 提高安全性
NavVis VLX 3 这样的 SLAM 扫描仪可在100米或更远的范围内进行测量。因此您可以获得道路线路或其他环境的详细信息,而不会将自己置于危险之中。

8. 无需关闭交通
SLAM 扫描让您无需停留在道路中央,因此无需在进行道路地形测量或碎部测量时关闭交通。这样最终可以为客户节省大量费用。

9. 减少旅行时间和花费
SLAM 扫描仪可生成全面、详细和准确的三维数据集,让您在办公室也能够进行虚拟测绘。当项目利益相关者需要计划之外的新测绘数据时,您只需在软件中打开三维数据集,执行一次虚拟测绘即可,无需差旅前往场地。

10. 通用性
SLAM 扫描系统坚固耐用,可用于多种环境,包括 工业设施, 建筑工地、停车场施公用事业建筑、桥梁以及、十字路口等城市环境

11. 使现场工作人员更加高效
这是该技术的另一个巨大优势。由于技术性劳动力的稀缺,实地小组可能很难配备人员。在地形测量和详图测量中采用 SLAM 技术有很大的优势,可以提高现场工作人员的工作效率,并为现有团队提供承接更多项目的机会。您的工作质量将得到提高,而且由于大部分工作都从受天气影响的繁忙街道转移到了办公室,您的团队将对工作更加满意。

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SLAM 扫描的现实经济效益

让我们来探讨一下这些优势对测绘业务意味着什么。以下是 NavVis 客户将 NavVis VLX 3 与传统测绘方法进行对比的一些实际测试。

城市道路测绘

该案例测绘了一个道路口,该路口占地5000平方米,拥有少量障碍物和遮挡物,照明一致,通视距离长,视野广。

与传统测绘方法相比,使用 NavVis VLX 3 扫描该项目具有以下优势:

  • 采集速度提高 2.5 倍
  • 办公速度提高 2.1 倍
  • 共减少35%的人工操作时间
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NavVis 的一位客户将现场所花费的时间减少了87.5%之多,交通管理支出减少,总体成本降低。 

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停车场测绘

在此案例中,我们测绘了一个扫描条件类似的4.5万平方米的空停车场。
与传统测绘方法相比,使用 NavVis VLX 3 扫描该项目具有以下优势:

  • 快 2.5 倍的数据采集速度
  • 快 4.2 倍的办公速度
  • 共减少57%的人工操作时间
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