（成都市勘察測繪研究院, 四川 成都 610081）

三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)處理與精度控制

韓繼旺

（成都市勘察測繪研究院, 四川 成都 610081）

三維激光掃描儀技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的技術(shù)革新。突破了傳統(tǒng)意義上的單點(diǎn)測量的方法。能夠提供物體表面的三維點(diǎn)云的數(shù)據(jù)。本文主要介紹了三維激光掃描技術(shù)以及其在數(shù)據(jù)處理和誤差精度控制上的表現(xiàn)，分析其原因。

三維激光掃描技術(shù);數(shù)據(jù)處理;精度控制

三維激光技術(shù)是一門新型的熱門高效的技術(shù)，它是繼GPS技術(shù)后又一項(xiàng)測繪技術(shù)的誕生。其在數(shù)據(jù)處理方法和獲取方法以及服務(wù)能力水平上都進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

一、三維激光掃描系統(tǒng)的分類

我國目前把三維激光掃描技術(shù)分為兩類；機(jī)載型，地面型。在測量方式上還細(xì)化成移動式激光掃描系統(tǒng)，手持式機(jī)關(guān)掃描系統(tǒng)。在當(dāng)前，地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng)是目前最重要的掃描裝置。其一般有三維激光掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺，軟件控制平臺，電源以及其它的相關(guān)的附件組成。

二、地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

三維激光掃描儀的發(fā)射器在進(jìn)行工作時(shí)會項(xiàng)目表發(fā)射一個(gè)激光脈沖信號，這個(gè)信號在接觸到物體表面是被反射回來，順著相同的路線反向的傳回到接收器中，在這之中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就是三維激光掃描儀的工作目的。當(dāng)脈沖在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)精密的時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)脈沖橫向掃描的觀測值和縱向掃描的觀測值。

三、三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在三維激光采集數(shù)據(jù)時(shí)采集的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一般包括有下列各個(gè)步驟；

（一）噪聲去除。噪聲去除就是指將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的錯誤的數(shù)據(jù)，通過掃描的過程，把它給去除掉。由于某些原因的影響，會導(dǎo)致這一現(xiàn)象的發(fā)生。比如說移動的車輛和行人還有樹木，也同樣會被掃描儀所采集到，這些都是要在后續(xù)的工作中刪除帶掉的。

（二）多視對齊。多視對齊是說被測量的物體的形狀多大或者比較復(fù)雜，那么在掃描時(shí)就不能一次性的測出所有的數(shù)據(jù)，這樣的情況需要我們從不同的位置，去進(jìn)行多視角的多次掃描，多視對齊的實(shí)質(zhì)就在于此。

（三）數(shù)據(jù)精簡。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡是指在海量的云技術(shù)數(shù)據(jù)中，在不影響曲面重構(gòu)和保持著一定精度的情況下需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，而我們比較常用的精簡模式有平均精簡，按距離精簡兩種。如若想真實(shí)的反映掃描目標(biāo)，那就需要準(zhǔn)確的將需要掃描的數(shù)據(jù)用曲面表示出來，這項(xiàng)過程就是曲面重構(gòu)。

（四）曲面重構(gòu)。我們比較常見的曲面的表示種類中有；細(xì)分曲面，暗含的函數(shù)表示，明確的函數(shù)表示，三角形網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)曲面，曲化的面片等。著里我主要說說參數(shù)曲面重構(gòu)和細(xì)分曲面重構(gòu)；參數(shù)曲面重構(gòu)是對對幾何形狀進(jìn)行的描述這項(xiàng)理論起源于60世紀(jì)，它的主要思想是用一組基函數(shù)做為分權(quán)因子，在通過一組初始的控制向量的線性組合獲得形體的連續(xù)表示，我們一般都采用的參數(shù)曲面有Bezier曲面，B樣條曲面和NURBS曲面等。細(xì)分曲面重構(gòu)主要針對復(fù)雜的物體表面模型重建和曲面的拼合問題，是從初始的多面體控制網(wǎng)絡(luò)開始的，應(yīng)用某種細(xì)分規(guī)則，對新生成的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定點(diǎn)進(jìn)行相繼歸集的計(jì)算，網(wǎng)格頂點(diǎn)生成是原始網(wǎng)格的幾個(gè)相鄰頂點(diǎn)的加權(quán)平均，通過不斷的細(xì)分，逐漸將控制網(wǎng)格磨光。在無窮多次細(xì)分后，最終將控制網(wǎng)格將收斂于一張光滑曲面，而這就是重建曲面。

四、三維激光掃描儀的精度分析

（一）三維激光掃描儀的測量誤差分析。三維激光掃描系統(tǒng)的測量誤差可分為兩種；系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差可能會引起掃描點(diǎn)的坐標(biāo)錯誤，可以通過公式的改正后世修正系統(tǒng)來解決。測試系統(tǒng)的偶然誤差是一些隨機(jī)性的錯誤的集中體現(xiàn)。在測量誤差上的影響因素較多，主要可以分為三類，儀器誤差，與目標(biāo)物體反射有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件。在儀器誤差上又包括激光測距誤差，掃描角度測量誤差。與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差主要是目標(biāo)物體表面粗糙的原因。外界環(huán)境因素主要包括溫度和氣壓等因素。

（二）三維激光掃描儀精度控制。在了解到了相關(guān)的可能出現(xiàn)差錯的原因后我們需要找到解決的對策來加以控制。在系統(tǒng)的測量誤差上激光測距的影響相對比較重要，我們要防止在掃描儀脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差和測距技術(shù)中的不確定間隔的缺陷所引起的誤差。需要運(yùn)用一些好的技術(shù)處理相應(yīng)發(fā)生的各種突變的誤差，相對于激光測距誤差綜合體現(xiàn)為i測距中的固定誤差和比例誤差，我們可以用儀器檢定確定測距誤差的大小。在掃描角上引起的誤差可以通過保證其水平和豎直的掃描角度，在轉(zhuǎn)動中減少其振動，始終保持精確的角度。

（三）提高測量精度的方法。在相對一樣的條件下，通過調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)設(shè)定，相應(yīng)的減少坐標(biāo)系來調(diào)整。從而達(dá)到減少坐標(biāo)系誤差的目的。通過減少坐標(biāo)系堆疊的步數(shù)去相應(yīng)的調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的誤差，相應(yīng)的減少單個(gè)曲面片坐標(biāo)系的堆疊的偏差來見減少誤差，利用這些方法來加強(qiáng)三維激光掃描技術(shù)在測量上的精確度，使三維激光掃描儀的工作能夠更加有效的開展。在這其中，數(shù)減少單個(gè)面片坐標(biāo)系堆疊便宜誤差的方法的控制效果最為明顯。

五、三維激光掃描儀技術(shù)在將來的發(fā)展

比較現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們知道在未來，這項(xiàng)技術(shù)會有更加廣泛地發(fā)招空間以及明確的發(fā)展方向；通過自身的技術(shù)力量發(fā)展降低國內(nèi)在三維激光掃描儀器的價(jià)格，提升我國的市場。規(guī)范三維激光掃描儀器的數(shù)據(jù)處理格式，制定相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。通過與傳統(tǒng)的手段相結(jié)合，來克服精度和測距上的矛盾，實(shí)現(xiàn)長距離高精度的測量標(biāo)準(zhǔn)。在不斷提高技術(shù)的基礎(chǔ)上，側(cè)重于研究技術(shù)核心下的新的測量數(shù)據(jù)方式，以及測量操作方式，從而提高測量的初始精度，采取改善數(shù)據(jù)算法的方式來不斷降低數(shù)據(jù)在計(jì)算上的誤差。

結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是時(shí)代進(jìn)步的體現(xiàn)，推動了我們身邊許多的行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步。同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)使測量技術(shù)領(lǐng)域在數(shù)據(jù)的提供上，有了更高的精準(zhǔn)度。盡管現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的價(jià)格過高，在有些的數(shù)據(jù)處理和精度測量上存在著缺陷，但我相信隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷研究發(fā)展和各種各種的不斷合理化與規(guī)范化，在不久的將來這項(xiàng)技術(shù)一定會在數(shù)據(jù)處理和精確度上有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

[1] 劉昌霖．三維激光掃描測量技術(shù)探究及應(yīng)用，[J]．科技信息, 2014, （05）, 61．

[2] 范鈞 , 王雷剛．三維激光掃描儀的測量精度控制定量分析，[J]．工具技術(shù), 2012, （06）, 73-75．

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