科技视野 | “轻扫”世界 智绘未来 ——记轻量级移动激光扫描系统研发历程

“轻扫”世界 智绘未来

——记轻量级移动激光扫描系统研发历程

魏占营

近年来，便携式移动激光扫描仪作为激光雷达扫描仪的重要分支，在建筑、文物保护、城市规划、环境监测等领域得到大量使用。但值得注意的是，便携式移动激光扫描工具还存在数据质量低、精度低等诸多不足，其实用性受到了较大限制。基于此，北京远见知行科技有限公司在刘先林院士指导下，紧紧跟踪业界科技前沿，进一步革新技术，成功推出了“轻扫”系列产品，能够快速、高效、高质量捕捉各种环境信息，并生成逼真的数字孪生场景，为用户提供快速、可信赖的空间数据。

研发缘起

2011年，刘先林院士带领王留召研究员、钟若飞教授参与的“地面移动激光集成关键技术方法及其软硬件产品和应用示范”获测绘科技进步一等奖，填补了我国在车载激光扫描方面的技术空白，实现了高效率、高精度的地面移动激光测量。该技术在带状测绘、道路改扩建、高精度地图测绘等领域显示出重要的应用价值。

2013年，长江水利委员会某公司老总找到刘院士，想利用扫描车进行地下停车场的三维建模，但因为扫描车的精度高度依赖GNSS，经过几个月的技术攻关，依然没有获取优质的点云成果。2016年，刘院士带领远见知行公司科研团队承接了河北永年市道路三维建模项目，但在城中村无法获取高质量点云数据，导致项目迟迟不能完成。这两个项目成果没有顺利交付，让团队久久不能释怀。

经团队深入调研，国内并没有很好的技术能支撑这种GNSS受限场景的数据获取，虽然当时也有几款国外设备引进到国内，但价格高昂，成果质量较差，场景适应性很弱。国内几家测绘大厂模仿国外设备进行研发，但研发成果同样精度不佳，难以满足项目需求。这种现状让团队倍感压力，同时有了自主研发的急迫感。

2018年10月，团队在中国测绘装备展上首次看到一款来自德国的推车式室内点云采集装备，其成果点云非常精细，难以相信是移动设备采集出来的！经询问，售价200多万，太贵了！尽管如此，市场需求依然很旺盛。这对团队形成了很大刺激，刘院士下令——成立室内外一体化轻型移动扫描系统研发小组（简称轻扫小组）。

漫漫研发路

轻扫系统的研发极为艰苦，涉及的链路太多，可供参考的资源却比较少。

2019年5月，轻扫小组设计出第一款样机，称为轻扫A3，主要传感器包括1台16线激光仪和2台单线激光仪，每台激光仪要3万多元，还要有其他元器件。轻扫小组到处“化缘”，其中2台激光仪由首都师范大学钟若飞教授提供，16线激光仪是中国测绘科学研究院研发项目留下来的，其它研发经费则由刘院士用个人资金支付（刘院士为此共支付约50万元）。

这些基础传感器只是形成样机的第一步，后面还有一万步，其中第二步是“多激光间的空间标定”。这是一件非常复杂的工作，从技术方案制定到实施、优化都极为复杂、艰苦。轻扫小组选择了一个室外篮球场——老山公园篮球场进行实验。为了消除一切可能存在的噪音，每次做实验都选择无风的中午。当时正值盛夏，只有中午篮球场才不会被占用，这是轻扫小组最高兴的时刻。

但并非努力就有收获，标定的精度一直无法满足要求，就意味着无法获取高精度的点云数据。轻扫小组没有放弃，经过近一年的方案修改和研发测试，终于创新性地找到了一种轻量级的自动标定算法。该算法后期经过改进，已可实现同类设备所有传感器的全自动标定。

在攻克空间标定这一难题后，轻扫A3终于可以采集数据了，成果点云很漂亮，比很多国外进口的设备都好。正在这时，深圳云基智慧工程公司找到刘院士，想研发一款专用于城市辅路、人行道数据采集的设备，并答应立即投入资金。刘院士的一贯作风是：需求牵引研发，当即答应了云基公司的要求。轻扫小组信心满满，面向云基公司的需求，摒弃德国的推车式结构，对A3进行了“机头可折叠、手提上高铁”的便携式、小型化改造。2019年12月，杨东辉等人高高兴兴奔赴深圳，进行了首次现场测试。

但测试结果时好时坏，暴露了很多问题。深圳道路树木茂盛，A3采用的航空天线收星太慢，而且极易掉线，定位效果也不佳，这些问题导致了精度极其不稳定。除了精度问题，还有信号串扰、电气协同和数据传输不佳、计算死机等各种问题。测试不成功让平时烟酒不沾的杨东辉，独自喝了几次闷酒。

深圳测试非常让人失望，轻扫小组快速撤回北京，立即投入到全面复盘。为了随时能够测试新设备，实验场直接搬到一个厂房进行，彼时已是隆冬，厂房只是一层铁皮，没有暖气，室外零下十度、室内零下五度。

2020年1月，新冠疫情来了，所有测试只能暂停。4月，疫情稍微缓和后，轻扫小组又进行了算法改进。5月5日，轻扫小组第二次踏上去往深圳的高铁。

二进深圳，他们进行了长达6周的测试，解决了大量问题，但现实并不像中学生作文，经过努力就能豁然开朗——点云采集精度和稳定性依然无法满足工程要求，这个核心问题让轻扫团队无比压抑，加上疫情导致的各种阻断因素，轻扫小组萌发了放弃这个项目的想法。

向刘院士汇报后，他鼓励大家：科研就是这样，像在黑暗中摸索。目前距离成功已经不远了，要坚持，不能放弃！

疫情让各种事情都慢了下来。在此后长达3个月的时间内，轻扫小组做了一个艰难的决定：否定自己！重新设计、集成了新的样机——轻扫A2，采用“双16线激光仪+大蘑菇头天线”，并研发了新的算法，显著提升了定位精度。同时，针对多线点云粗糙、杂乱的问题，创新性研发出一种精细化算法，将3厘米的点云变为3毫米，并且均匀细腻！直到现在，轻扫系统的精细化算法依然是业内领先。

在“高精度+高精细”双重强力算法支持下，2020年末，轻扫小组完成了清华大学自动驾驶地图采集项目，当看到校园里李兆基楼的细腻点云时，大家无比激动。毫无疑问，这是最好的国产数据，也必将是最好的国产设备！

在新技术的支持下，2021年初，轻扫小组先后采集制作了北航迎新AR地图、桃花岭自动泊车地图、西二旗地铁站点云地图等。同年，轻扫A2开始对外销售，其中包括中国移动、阿里达摩院、清华大学等。这些成绩给了轻扫小组极大的信心。

2021年中，轻扫小组带着新设备第三次来到深圳，给云基公司交付新设备。云基公司组织研发部、工程部对新设备进行测试，效果非常好，不仅完成了高精度数据快速采集，还实现了和主路车载点云的自动融合。云基公司工程师说：“国外200万的设备都搞不定，你们确定是68万吗？”随后，轻扫小组先后派出3个分队、4台设备前往深圳，冒着近40度高温，在3个月内完成了扫描任务，每人每天背负设备行走近3万步。

2021年到2023年，云基公司利用轻扫A2系统先后完成了深圳数千千米辅路、人行道的高质量点云数据采集，而且实现了与车载点云的全自动融合。这是业内首台具备这种技术能力的设备。

“内卷”的小伙伴

轻扫小组的小伙伴们都很敬业，这并不是被逼而为，而是为客户服务的一种责任感。

在扫描北京东方时尚驾校时，张成龙和孙振博接力扫，单次扫了7小时，国外设备要干一周的项目，用轻扫设备一天干完了！

刚来实习的研究生张伟迪独自带着设备去宁夏完成了一个变电站的扫描任务。

作为团队技术核心的刘洋博士，在华为北京坊项目中，为了达到甲方近乎苛刻的要求，亲自下场采集数据，一步一停，在寒风中采集2小时，当时气温零下10度。

为了采集狭小空间的高压电缆隧道数据，团队派娇小的女博士杨然去前期测试。她说：“会不会有危险？我得把银行卡号先给我妈妈说一下。”后来，由结构设计师姚琰 带队，他们完成了数十千米隧道数据采集。

轻扫小组接到的项目往往是同类技术无法满足的，这需要极其辛苦的付出。

拓展新应用

随着小场景空间信息采集需求旺盛，市场上出现的同类设备也多了起来，有国外进口的，有国内测绘大厂研发的，也有非测绘领域公司研发的。在竞争日益激烈的市场环境下，轻扫小组坚持高精度、高精细、高适用性的研发路线，坚持以用户为中心的研发理念，完成了轻扫A2、轻扫R1、轻扫S1、轻扫V4等多规格设备的研制，有力支撑了一批重大项目，如国家级实景三维项目、国家电网电缆隧道无人巡检项目等。

除了为测绘相关行业提供专业的服务外，轻扫小组近年来不断拓展应用领域。他们打造的中国测绘科技馆三维虚拟展厅已于2024年7月正式与公众见面，登录网站http://cloud.cybergeo.cn:8001/scene/?Bundle-Id=215即可线上云游中国测绘科技馆。在本项目中，轻扫小组采用16k高清全景影像作为“实景”，采用与全景影像精确配准的高密度彩色点云作为“三维”，既能看又能量，在手机上就能轻松操作，而且建设成本低、更新方便。中国测绘科技馆面积约5000平方米，从采集到上线发布，只用了不到两天时间。

轻扫小组利用这种“轻量级实景三维”方案，已完成了全国数十个场馆的线上展示。

原标题：《科技视野 | “轻扫”世界 智绘未来 ——记轻量级移动激光扫描系统研发历程》

阅读原文