丁建勛，馬德富，高俊（.珠海市測(cè)繪院，廣東珠海 5905； .北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 000）

三維激光掃描數(shù)據(jù)精度影響因素分析及控制措施

丁建勛1?，馬德富1，高俊2
（1.珠海市測(cè)繪院，廣東珠海 519015； 2.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101）

三維激光掃描技術(shù)以其優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)面世，便受到各行各業(yè)的推崇。在實(shí)際工作中，筆者發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量方面存在一些影響定位的精度準(zhǔn)確性的問(wèn)題。因此，本文首先對(duì)影響三維激光掃描數(shù)據(jù)精度的因素進(jìn)行分析，通過(guò)采用激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并提出了如何提高三維激光掃描數(shù)據(jù)精度一些控制措施，以期能為從事相關(guān)工作的測(cè)量人員提供有益的參考和借鑒。

三維激光掃描；數(shù)據(jù)精度；影響因素；控制措施

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)，是通過(guò)無(wú)合作目標(biāo)激光測(cè)距儀與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)，是通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，以獲取目標(biāo)的線(xiàn)、面、體、空間等三維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行高精度的三維逆向建模。三維激光掃描技術(shù)以其優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)面世，便受到各行各業(yè)的推崇。近些年，在測(cè)繪領(lǐng)域中的變形監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、地形測(cè)量、古建筑和文物保護(hù)、斷面和體積測(cè)量等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。然而，在實(shí)際工作中，作者發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量方面存在一些影響定位的精度準(zhǔn)確性的問(wèn)題。因此，本文針對(duì)影響三維激光掃描數(shù)據(jù)精度的因素進(jìn)行分析，通過(guò)采用激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并提出了如何提高三維激光掃描數(shù)據(jù)精度一些控制措施。

2 影響掃描數(shù)據(jù)精度的因素分析

2.1 儀器自身的誤差分析

三維激光掃描儀主要由角度測(cè)量裝置和激光光束偏轉(zhuǎn)裝置兩部分構(gòu)成。其中，激光光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行是在水平方向與垂直方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)方向容易產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果偏差。光學(xué)儀器的光速偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由不相同的掃描鏡組成，這些掃描鏡的差別也會(huì)造成偏差，當(dāng)掃描器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生細(xì)小的震動(dòng)，同時(shí)掃描電機(jī)也會(huì)發(fā)生不規(guī)則的扭動(dòng)，這些細(xì)小的運(yùn)行都會(huì)造成測(cè)量結(jié)果偏差。選取傳感器的角度位置也十分關(guān)鍵，用其來(lái)判斷激光光束的水平和垂直方向上的方位。儀器的質(zhì)量以及儀器內(nèi)部的構(gòu)件、分辨率等客觀條件對(duì)測(cè)量結(jié)果都會(huì)有一定的影響。

三維激光掃描儀利用激光束來(lái)測(cè)量目標(biāo)，在計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)時(shí)，需要根據(jù)水平方向和垂直方向兩方面的角度值計(jì)算，由此可見(jiàn)，激光光束具有十分重要的作用。

由激光性質(zhì)對(duì)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的影響分布，如圖1所示。

圖1 激光性質(zhì)對(duì)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的影響分布圖

圖1中的P點(diǎn)為一個(gè)目標(biāo)待測(cè)點(diǎn)，測(cè)量時(shí)，激光光斑的大小和聚焦性會(huì)影響到結(jié)果，其實(shí)測(cè)點(diǎn)為P′點(diǎn)，水平角的影響為△φ，垂直角的影響△θ=θ′-θ，若忽略對(duì)測(cè)距的影響，則實(shí)測(cè)的坐標(biāo)值為:

設(shè)掃描距離r=10 m，角度φ=27°，θ=15°，激光性質(zhì)對(duì)測(cè)角的影響△φ=△θ=0.002°，則可求得坐標(biāo)差值:

? 收稿日期:2016—01—26

作者簡(jiǎn)介:丁建勛（1973—），男，高級(jí)工程師，主要從事城市測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用研究。

通過(guò)以上分析可看出，激光性質(zhì)對(duì)點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取質(zhì)量有著重大影響。

2.2 被測(cè)目標(biāo)自身特性的影響分析

（1）被測(cè)目標(biāo)表面的粗糙情況

被測(cè)物體的表面如果十分粗糙，表面質(zhì)感不均勻，當(dāng)物體受到激光的照射時(shí)，感應(yīng)到不同界面的物體結(jié)構(gòu)，表面有不均的凹凸感，就會(huì)使光斑形態(tài)發(fā)生變化，從而影響了測(cè)量的偏差；相反的，如果被測(cè)物體的表面比較光滑，光線(xiàn)明亮，當(dāng)受到激光光束的照射時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的鏡面反射，反射光強(qiáng)會(huì)引起測(cè)量報(bào)警，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

（2）被測(cè)物體表面傾斜情況

被測(cè)物體的傾斜角度往往不一樣，被照射后產(chǎn)生的入射光點(diǎn)會(huì)根據(jù)空間分布的差別而發(fā)生變化，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致接收透鏡在單位時(shí)間內(nèi)接收到的光能產(chǎn)生變化，使光斑狀的光能質(zhì)心相對(duì)其幾何中心發(fā)生了一定的偏移，這種現(xiàn)象屬于光能分布產(chǎn)生的變化，光能質(zhì)心的變化導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果發(fā)生變化。

（3）邊緣效應(yīng)

盡管使用聚焦能力較強(qiáng)的掃描儀進(jìn)行掃描，但在激光焦點(diǎn)也會(huì)有一定大小的光斑，在測(cè)量距離時(shí)，影響因素主要在于反射能量的大小。不同目標(biāo)的交界處會(huì)集中有一些光斑能量，其余能量則出現(xiàn)在附近目標(biāo)，這兩種反射能量盡管分布不均，但一樣能夠感應(yīng)到接收系統(tǒng)，這樣的效應(yīng)相當(dāng)于GPS多路徑效應(yīng)，從而導(dǎo)致了結(jié)果的誤差。另一方面，光斑能量接近測(cè)量目標(biāo)，目標(biāo)邊緣的背景已經(jīng)大于有效范圍內(nèi)的目標(biāo)，與其他能量相比能夠返回測(cè)距接收系統(tǒng)，這樣不一致的情況下，產(chǎn)生了激光測(cè)距的偏離，從而影響了測(cè)量信息的獲取。

2.3 環(huán)境因素的影響產(chǎn)生誤差分析

產(chǎn)生誤差的原因還包括外部條件的影響，諸如光照、溫度、濕度等等，這些因素會(huì)影響激光在大氣中的傳播速率，最終影響到測(cè)量結(jié)果。由于光學(xué)元件會(huì)受到外部環(huán)境的影響，使得元件的外殼發(fā)生尺寸變化，如伸縮、變形等；同時(shí)，溫度、濕度導(dǎo)致空氣折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致激光束彎曲，從而影響測(cè)量；使用全站儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于空氣密度的分布不均，有一定的氣差，如不調(diào)整則會(huì)影響測(cè)量結(jié)果；全站儀因風(fēng)產(chǎn)生震動(dòng)，會(huì)影響信號(hào)接收的質(zhì)量［1］，出現(xiàn)測(cè)量偏差。

三維激光掃描儀的構(gòu)造十分精密，溫度的變化對(duì)儀器的影響較大。當(dāng)溫度較低時(shí)，甚至低于儀器的臨界溫度，則對(duì)儀器的供電性能、掃描儀的精度和速度產(chǎn)生影響。此外，由于掃描儀是在可見(jiàn)光的環(huán)境下掃描，如遇到暴雨、風(fēng)沙、雪霧天氣，則會(huì)使掃描的點(diǎn)位數(shù)據(jù)噪聲放大，導(dǎo)致點(diǎn)位測(cè)量的偏差，對(duì)掃描儀的安全性也產(chǎn)生了影響。

3 三維激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測(cè)量結(jié)果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 理論模型

本對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用了激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較分析，以此檢驗(yàn)激光掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量。傳統(tǒng)的測(cè)量工具為電子全站儀，在物體坐標(biāo)測(cè)量上有明顯的優(yōu)勢(shì)，其準(zhǔn)確度可達(dá)mm級(jí)以上的精度。因此，在實(shí)驗(yàn)中使用電子全站儀對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量；將三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)結(jié)果與其對(duì)比，可以檢驗(yàn)出三維激光掃描儀的準(zhǔn)確性。在對(duì)比時(shí)采用了以下步驟:首先，布置適量的靶標(biāo)，使用全站儀對(duì)這些靶標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)的測(cè)量；然后使用掃描儀再次測(cè)量，分別提取坐標(biāo)值x、y、z。

通過(guò)空間相似變換公式計(jì)算:

對(duì)兩者的坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中，R為兩坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。

另外，需要計(jì)算出變換參數(shù)R和T，取3個(gè)以上的靶標(biāo)的2套坐標(biāo)值，通過(guò)空間相似變換式（3）求值；在R的參數(shù)下，將靶標(biāo)點(diǎn)的掃描坐標(biāo)與全站儀的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后依次進(jìn)行坐標(biāo)的比較，最后判斷點(diǎn)位的數(shù)據(jù)測(cè)量質(zhì)量。

以下為掃描點(diǎn)在三個(gè)軸向的誤差:

式中:（x′，y′，z′）為經(jīng)過(guò)R、T變換后掃描點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

若測(cè)量的點(diǎn)位不可計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)較大，則點(diǎn)位中誤差為:

式中:△xi，△yi，△zi分別表示第i個(gè)掃描點(diǎn)3個(gè)軸向的誤差（i=1，2，…，n）。

兩者的坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中，R為兩坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。

需要計(jì)算出變換參數(shù)R和T，取3個(gè)以上的靶標(biāo)的2套坐標(biāo)值，通過(guò)空間相似變換式（3）求值；在R的參數(shù)下，將靶標(biāo)點(diǎn)的掃描坐標(biāo)與全站儀的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后依次進(jìn)行坐標(biāo)的比較，最后判斷點(diǎn)位的數(shù)據(jù)測(cè)量質(zhì)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇一個(gè)墻面，在上面隨機(jī)布置一定數(shù)量的靶標(biāo)，用FaroFocus3D掃描儀精細(xì)化掃描靶標(biāo)所處區(qū)域；然后將掃描結(jié)果導(dǎo)入Faro Scene軟件進(jìn)行處理，在軟件中得出靶標(biāo)的中線(xiàn)坐標(biāo)點(diǎn)。接著使用全站儀在單獨(dú)的坐標(biāo)系下測(cè)量出靶標(biāo)的中線(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)值，具體的靶標(biāo)的掃描坐標(biāo)成果與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)成果如表1所示。

靶標(biāo)的掃描坐標(biāo)成果與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)成果 表1

備注：本次測(cè)量環(huán)境為：溫度20℃、偏北風(fēng)3級(jí)、多云。

選取14號(hào)～16號(hào)3個(gè)平面靶標(biāo)數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式（3）進(jìn)行計(jì)算以及最小二乘間接平差原理得出結(jié)果，再通過(guò)Matlab編程計(jì)算出掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至全站儀坐標(biāo)系下的變換參數(shù)為:

將其余的13個(gè)靶標(biāo)數(shù)據(jù)作為對(duì)比分析點(diǎn)，利用變換參數(shù)R、T將其掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至全站儀坐標(biāo)系下，并與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，轉(zhuǎn)換后的靶標(biāo)掃描坐標(biāo)與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值，具體情況如表2所示。

同時(shí)，可根據(jù)式（5），計(jì)算出各軸向誤差及點(diǎn)位中誤差。

轉(zhuǎn)換后靶標(biāo)的掃描坐標(biāo)與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值 表2

3.3 數(shù)據(jù)成果質(zhì)量分析

從表1和表2的數(shù)據(jù)成果可以看出，通過(guò)三維激光掃描獲取的靶標(biāo)坐標(biāo)與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值（△X，△Y，△Z），最大相差2.6 mm，最小相差0.3 mm，均在 3.0 mm以?xún)?nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了兩者觀測(cè)結(jié)果的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)的靶標(biāo)測(cè)量時(shí)，三維激光掃描數(shù)據(jù)的精確度可達(dá)mm級(jí)以上的精度，具有較高的性能。需要注意的是，本次比對(duì)試驗(yàn)只選取單站進(jìn)行統(tǒng)一平面目標(biāo)的掃描情況分析，還需要進(jìn)一步擴(kuò)展在多站甚至更為復(fù)雜的物體進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)［2］，從而更加深入地了解掃描儀的精確度。

4 提高三維激光掃描數(shù)據(jù)精度的幾項(xiàng)控制措施

筆者通過(guò)對(duì)影響三維激光掃描精度的理論分析和對(duì)比試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為提高三維激光掃描精度的措施主要包括以下幾個(gè)方面:

（1）通過(guò)三維激光掃描儀器參數(shù)的合理設(shè)置提高掃描數(shù)據(jù)的精度

在每次觀測(cè)前，需要根據(jù)被測(cè)物體離掃描儀的距離遠(yuǎn)近，設(shè)置合理的掃描分辨率和質(zhì)量參數(shù)。當(dāng)被測(cè)物體只需掃描一部分時(shí)，應(yīng)縮小掃描儀的掃描范圍，降低掃描速度來(lái)提高掃描質(zhì)量。另外，掃描前調(diào)整掃描儀使其置于水平方向，也能提高掃描的精度。

（2）通過(guò)合理設(shè)置參考標(biāo)靶提高掃描數(shù)據(jù)的

在設(shè)置參考標(biāo)靶時(shí)，如果通過(guò)標(biāo)靶球進(jìn)行測(cè)站拼接，則兩個(gè)測(cè)站間重疊標(biāo)靶球個(gè)數(shù)不能少于3個(gè)。如果條件允許，可適當(dāng)增加重疊標(biāo)靶球個(gè)數(shù)，通過(guò)引入多余觀測(cè)量的方式，后期通過(guò)平差提高拼接精度。另外，還要注意標(biāo)靶球擺放的場(chǎng)景盡量大一些，高度上不要在同一水平面上，這樣可以提高被測(cè)物體在空間三維上的拼接精度。同理，如果通過(guò)選取兩測(cè)站中同名觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行匹配，應(yīng)在位置明顯處設(shè)點(diǎn)，且避免在同一平面上。

（3）通過(guò)避開(kāi)不利的外界環(huán)境提高掃描數(shù)據(jù)的精度

三維激光掃描精度受外界的環(huán)境影響較大。常見(jiàn)的影響因素有光照影響，粉塵影響，濕度影響。所以?huà)呙璧臅r(shí)候，應(yīng)盡量避開(kāi)陽(yáng)光等強(qiáng)光源直射，在粉塵多的時(shí)段不進(jìn)行掃描和濕度較大的時(shí)段不進(jìn)行掃描。

5 結(jié) 語(yǔ)

三維激光掃描儀作為一種新型的測(cè)繪儀器，具有比較廣闊的應(yīng)用前景。在對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，三維激光掃描儀的精確度較高，且掃描的數(shù)據(jù)量大，速度快，質(zhì)量有保障，相對(duì)其他同性質(zhì)的儀器具有一定的優(yōu)勢(shì)。但另一方面，三維激光掃描儀在實(shí)際運(yùn)用中也需要注意一些問(wèn)題，需要工作人員熟練掌握儀器的使用，采用一些合理的措施提高掃描數(shù)據(jù)的精度，確保三維激光掃描的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

［1］王俊杰.三維激光掃描數(shù)據(jù)采集誤差來(lái)源及精度分析［J］.科協(xié)論壇（下半月），2011（5）.

［2］蘇鷹濱，宋飛鳳，田世乾.影響三維激光數(shù)據(jù)采集精度的因素研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013（6）：1030～1033.

［3］李鵬，張文斌，李靜.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用［J］.科技信息，2009（31）：45～46.

［4］鄭德華，沈云中，劉春.三維激光及測(cè)量誤差影響分析［J］.測(cè)繪工程，2005，31（2）：32～34.

［5］李巧麗.三維激光掃描技術(shù)研究綜述［J］.中國(guó)科技博覽，2011（33）：620～621.

［6］楊態(tài)婧.地面三維激光掃描儀的測(cè)量誤差分析［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2013（2）2：228～232.

Analysis Upon the Influential Factors of 3-D Laser Scanner Data Accuracy and Control Measures

Ding Jianxun1，Ma Defu1，Gao Jun2
（1.Zhuhai Surveying and Mapping Institute，Zhuhai 519015，China；
2.Beijing Urban Construction Exploration&Surveying Design Research Institute Co.，Ltd，Beijing 100101，China）

This article aims to make experimental analysis upon the influential factors and control measures of 3-D laser scanner data accuracy，illustrate the influential factors of laser scanner data accuracy，and analyze in terms of experiment the quality of the positional accuracy of the 3-D laser scanner data.In addition，it also puts forward some control measures accordingly，so as to provide beneficial reference and play the role of mirror to some specific needs.

3-D laser scanner；data accuracy；influential factors；control measures

1672-8262（2016）02-93-04中圖分類(lèi)號(hào)：P234.4

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