LiDAR、SLAM 和 IMU-移动测绘

SLAM 革命

对于任何有兴趣将周围世界数字化的人来说，SLAM 已经改变了游戏规则。但这项技术到底是什么、它是如何工作的以及什么是适合您的 SLAM？

直到 20 世纪 80 年代末，商业上可行的 GPS 系统推出后，激光雷达数据才成为提供准确地理空间测量的有用工具。从那时起，研究和开发迅速推进和改进了激光雷达技术。

什么是SLAM？

SLAM 代表同步定位和建图（有时称为同步定位和建图）。这是绘制区域图并同时跟踪设备在该区域内的位置的过程。这使得移动测绘成为可能，从而可以在更短的时间内实现大面积的数字化。SLAM 系统简化了数据收集，为扫描室外或室内环境提供了途径。

绘制未知环境的复杂算法

使用 SLAM 软件，设备可以使用 SLAM 算法同时进行本地化（在地图中定位自身）和地图绘制（创建位置的虚拟地图）。

使用惯性测量单元 (IMU) 的基本位置数据

使用这些传感器数据，设备可以计算出其所在位置的“最 佳估计”。每隔几秒就会收集一次新的位置信息，特征对齐，并且估计会改进。

SLAM 有许多不同类型的算法和方法

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l图SLAM

lEFK SLAM

l快速SLAM

l拓扑SLAM

l视觉SLAM

l2D 激光雷达 SLAM

l3D 激光雷达 SLAM

l球体猛击

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移动测绘设备使用视觉和激光雷达 SLAM 来生成点云。

什么是视觉 SLAM？

视觉 SLAM 仅使用摄像机的视觉输入来计算设备相对于周围环境的位置和方向，同时绘制环境图。

基于特征的视觉 SLAM 通常通过连续的相机帧跟踪兴趣点，以对相机的 3D 位置进行三角测量。此信息构建 3D 地图。

什么是激光雷达 SLAM？

基于激光雷达的 SLAM 系统使用激光传感器生成其环境的 3D 地图。激光雷达（光探测和测距）通过发送光脉冲、将光脉冲从物体反射回传感器并记录飞行时间 (ToF) 来测量到物体的距离。

激光雷达快速、准确，非常适合各种环境和条件。通过这种方法生成的激光传感器点云非常准确，非常适合多个行业。

地图绘制发生了怎样的变化

对于任何参与地理空间数据获取的人来说，SLAM 因其多功能性而成为一个重要的游戏规则改变者。它补充了其他形式的 3D 激光雷达数据捕获，例如地面激光扫描，填补了难以到达区域的空白。

随处绘制地图 - 只需在环境中行走，边走边构建数字地图

什么是适合您的 SLAM？

以下是需要考虑的五个方面：

l速度和准确性

l质量失真

l灵活性和部署

l实时数据采集

l多种环境下的使用

SLAM的不断完善

在众所周知的困难扫描环境（例如重复的走廊、光滑的隧道和有人移动的空间）中测试 SLAM 技术，有助于完善、磨练和突破其极限。其结果是不断改进的 SLAM 算法，该算法非常强大，现在在室外开放环境中与室内一样有效。

使用SLAM有什么好处？

基于 SLAM 的系统本质上是移动的——在移动中使用时它们才能发挥最 佳性能。借助 SLAM 移动地图系统，您可以轻松地在环境中行走并构建数字地图，从而节省时间并提供经济高效的解决方案。基于 SLAM 的移动地图系统获取数据的速度提高了 10 倍。

GPS 拒绝区域中的 SLAM

GPS 需要至少三颗卫星的视线才能发挥作用，因此无法在地下或室内工作。此外，茂密森林等环境很难绘制地图，因为树冠阻挡了天空的视线，城市峡谷或高层建筑也阻挡了建成区的信号。SLAM 技术通过完全消除 GPS 来克服这些障碍。

LiDAR、SLAM 和 IMU

LiDAR SLAM 依靠光波来构建周围区域的图像。LiDAR 用于构建地图并创建所收集数据的 3D 点云。SLAM 算法有助于计算最 佳位置估计，并通过惯性测量单元 (IMU) 进一步增强。IMU 包括加速计、陀螺仪，有时还包括磁力计。

这些工具相结合，可以测量物体在 3D 空间中如何移动、旋转或改变位置。该技术通常嵌入到各种产品中，包括无人机、智能手机，甚至“智能”运动器材，以帮助实时跟踪物体的位置行踪。该技术在 GPS 三角测量困难或不可能的情况下最为理想，例如在采矿或林业中，茂密的树冠阻挡了全球定位数据。

它还可用于无人驾驶汽车、无人机、增强现实和虚拟现实应用、建筑物或封闭空间内的室内导航、建筑、工程和施工以及长期城市规划，其中“像森林一样，” “混凝土丛林”可能会阻挡或部分干扰 GPS 信号。

除了基于 LiDAR 的 SLAM（包括 2D 和 3D 映射）之外，还有视觉 SLAM 或 vSLAM。顾名思义，视觉 SLAM 仅使用相机来计算设备相对于周围环境的位置和方向，同时绘制环境图。同时，基于特征的视觉 SLAM 通过连续的相机帧跟踪兴趣点，以三角测量相机的 3D 位置。然后，该信息用于构建 3D 地图。

移动扫描与 SLAM 的价值

通过基于 SLAM 的移动扫描，可以更快地扫描更多位置，现场人员更少，数据缺口的风险更小，从而减少或消除重复现场访问。增强的吞吐量和项目间的敏捷性（得益于速度、准确性、易用性和便携性）可能意味着在现有和尚未开发的市场中带来重要的新商机。

SLAM 技术将继续进步，速度和准确性将提高，其应用领域将继续拓宽。

所有这些都表明，在绘制和测量室内外物理世界方面，SLAM 技术正在迅速成为“灌篮高手”。