李凱，黃承亮，張均

(重慶市勘測院，重慶 400020)

RIEGL VZ-1000掃描儀測量不同反射面精度研究

李凱?，黃承亮，張均

(重慶市勘測院，重慶 400020)

對RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀掃描不同反射面的測量精度進(jìn)行了研究，介紹了RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀特性，采用了掃描儀與全站儀同時(shí)測量墻面并擬合平面的試驗(yàn)方法，分析了水泥、瓷磚和保溫復(fù)合材料墻面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出了RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀對不同反射面的測量精度。

RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀；反射面；精度

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。與單純的測繪技術(shù)不同，它主要面向高精度逆向工程的三維建模與重構(gòu)。三維激光掃描數(shù)據(jù)能夠在計(jì)算機(jī)中精細(xì)地描述三維模型實(shí)體的表面特征。目前，三維激光掃描技術(shù)的測量能力、自動(dòng)化程度、人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度、測量的速度、數(shù)據(jù)處理的效力均明顯地高于其他的測量技術(shù)。在工業(yè)、計(jì)算機(jī)視覺、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

在國內(nèi)，三維激光掃描技術(shù)在建筑物三維建模中的應(yīng)用比較廣泛。當(dāng)前在建筑物修建時(shí)，其采用的表面材料各不相同，三維激光掃描儀發(fā)射的激光對不同材料的反射率也不一樣，因此獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度不同，由于掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度直接決定建筑物三維建模的精度，因此為了全面了解激光掃描儀對不同材料表面的測量精度，本文選擇了水泥、瓷磚、保溫隔熱復(fù)合板、玻璃4種具有代表性的建筑物表面材料進(jìn)行試驗(yàn)。并通過實(shí)驗(yàn)得到三維激光掃描儀對不同材料反射面建筑物的測量精度。技術(shù)和實(shí)時(shí)全波數(shù)字化處理和分析技術(shù)，每秒可發(fā)射高達(dá)300 000點(diǎn)的纖細(xì)激光束，提供高達(dá)0.000 5° (1.8″)的角分辨率。除此以外，基于RIEGL獨(dú)特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，它能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向、完全平行的掃描激光點(diǎn)云線。VZ-1000定位精度為±5 mm/100 m，測距精度為2 mm/50 m，掃描視場角為360×100。并且該儀器外置了獨(dú)立的1 200萬像素單反相機(jī)，并可以對相機(jī)進(jìn)行升級，獲得更高像素的照片。

圖1 RIEGL VZ-1000

2 儀器介紹

目前市場上的三維激光掃描儀主要是徠卡、天寶和RIEGL三個(gè)公司的產(chǎn)品，每個(gè)公司的三維激光掃描儀都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。本文根據(jù)研究要求及儀器性能選擇RIEGL VZ-1000(以下簡稱VZ-1000)三維激光掃描儀作為試驗(yàn)儀器。

圖1所示掃描儀為本次試驗(yàn)使用的VZ-1000三維激光掃描儀，其擁有RIEGL獨(dú)一無二的全波形回波

3 實(shí)驗(yàn)方案

通過測試發(fā)現(xiàn)，水泥、瓷磚、保溫隔熱復(fù)合板可以較好地反射激光信號(hào)，而玻璃對激光的反射信號(hào)較差。因此本文主要針對水泥墻面、瓷磚墻面和保溫隔熱復(fù)合板墻面進(jìn)行掃描。為了獲得較好的掃描效果，在墻面選擇時(shí)盡量選擇表面光滑、平整的立面進(jìn)行試驗(yàn)。

掃描時(shí)，在距離墻面100 m左右的位置布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，采用VZ-1000掃描儀對墻面進(jìn)行4次掃描，再采用TCA2003全站儀(0.5″，1+1PPm)對相應(yīng)墻面上的特征點(diǎn)進(jìn)行測量，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，把兩種儀器的測量數(shù)據(jù)合并到同一坐標(biāo)系下，對掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，獲得擬合平面，并對不同材質(zhì)的擬合平面進(jìn)行分析，得出三維激光掃描儀對不同材質(zhì)建筑物表面的掃描精度。墻面與特征點(diǎn)的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同材質(zhì)墻面與特征點(diǎn)的位置示意圖

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 水泥墻面掃描的數(shù)據(jù)處理與分析

對水泥墻面掃描的4次點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，得到每次掃描點(diǎn)云的平面模型，如圖3所示，每種顏色代表一個(gè)擬合平面。把全站儀測量的8個(gè)特征點(diǎn)與擬合平面進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，把特征點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到擬合平面所在的坐標(biāo)系統(tǒng)，通過配準(zhǔn)使兩者在同一坐標(biāo)系下，得到兩者之間的相互關(guān)系，如圖4所示，并計(jì)算特征點(diǎn)到各擬合平面的垂直距離，如表1所示。

圖3 四次掃描擬合平面示意圖

圖4 特征點(diǎn)與擬合平面位置關(guān)系示意圖

水泥墻面數(shù)據(jù)處理結(jié)果 表1

從表1可以看出，各擬合平面與特征點(diǎn)平均距離約為3 mm～4 mm，說明每次掃描數(shù)據(jù)之間的誤差約在1 mm以內(nèi)，同時(shí)可以得出激光掃描儀對水泥材質(zhì)墻面掃描誤差約為3.8 mm。

4.2 瓷磚墻面掃描的數(shù)據(jù)處理與分析

對瓷磚墻面進(jìn)行4次掃描，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。對每次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，得到每次掃描點(diǎn)云的平面模型。把全站儀測量的3個(gè)特征點(diǎn)與擬合平面進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，得到兩者之間的相互關(guān)系，并計(jì)算特征點(diǎn)到各擬合平面的距離，如表2所示。

圖5 特征點(diǎn)與瓷磚墻面位置關(guān)系示意圖

瓷磚墻面數(shù)據(jù)處理結(jié)果 表2

從表2可以看出，各擬合平面與特征點(diǎn)平均距離約為1 mm左右，說明每次掃描數(shù)據(jù)之間的誤差約在0.5 mm以內(nèi)，同時(shí)可以得出激光掃描儀對瓷磚材質(zhì)墻面掃描誤差約為1.1 mm。

4.3 保溫隔熱復(fù)合板墻面掃描的數(shù)據(jù)處理與分析

對保溫隔熱復(fù)合板墻面進(jìn)行4次掃描，掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示。對每次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，得到每次點(diǎn)云的平面模型。把全站儀測量的3個(gè)特征點(diǎn)與擬合平面進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，得到兩者之間的相互關(guān)系，并計(jì)算特征點(diǎn)到各擬合平面的距離，如表3所示。

圖6 特征點(diǎn)與保溫隔熱復(fù)合板墻面位置關(guān)系示意圖

保溫隔熱復(fù)合板墻面數(shù)據(jù)處理結(jié)果 表3

從表3可以看出，各擬合平面與特征點(diǎn)平均距離約為2 mm左右，說明每次掃描數(shù)據(jù)之間的誤差約在0.3 mm以內(nèi)，同時(shí)可以得出三維激光掃描儀對保溫隔熱復(fù)合板材質(zhì)墻面掃描誤差約為2.2 mm。

綜上所述，VZ-1000三維激光掃描儀對水泥、瓷磚、保溫隔熱復(fù)合板材質(zhì)的墻面掃描誤差均在4 mm以內(nèi)，其中掃描瓷磚材質(zhì)墻面的誤差能達(dá)到1 mm，掃描保溫隔熱復(fù)合板材質(zhì)的墻面誤差達(dá)到2 mm，對水泥墻面掃描誤差為3.8 mm。同時(shí)可以得出，在三種材料中激光對瓷磚的反射率最好，對水泥的反射率較弱。

5 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)能夠快速地獲取高密度、高精度的目標(biāo)空間信息，在三維表面重建和測量方面具有顯著的優(yōu)勢。本文得出了RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀對不同反射面的測量精度。

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The Research of Surveying Different Reflecting Plane Precision Based on RIEGL VZ-1000 Laser Scanner

Li Kai，Huang Chengliang，Zhang Jun
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

This paper researches precision of survey different reflecting plane of riegl vz-1000 laser scanner，introduced features for riegl vz-1000 laser scanner，used scanner and total station measuring wall，and fitting planemeth0d，analyzed concretewalls，ceramic tilewall，keep warm internal compositewall experimental data，finally abtained sruveying precision of different reflecting plane of riegl vz-1000 laser scanner.

RIEGL VZ-1000 laser scanner；reflecting plane；precision

1672-8262(2013)04-130-03

P234.4

B

2012—09—30

李凱(1979—)，男，工程師，主要從事GPS、變形觀測和工程測量等工作。