馮上朝

摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)三維激光掃描儀測(cè)距和測(cè)角的精度進(jìn)行分析，得出此次實(shí)驗(yàn)采用的Leica Scanstation C10掃描儀在測(cè)量角度和距離時(shí)均存在系統(tǒng)誤差，并分析說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)待測(cè)物體均在50米范圍以?xún)?nèi)，實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)對(duì)于三維建模精度完全可靠可用。

Abstract： The experimental data are used to analyze the accuracy of the 3D laser scanner Distance measurement and Angle measurement. The Leica Scanstation C10 scanner used in this experiment has a systematic error in measuring of the angle and distance. Objects are within 50 meters range， the experimental data collected for 3D modeling accuracy is completely reliable.

關(guān)鍵詞：三維激光；誤差來(lái)源；精度分析

Key words： 3D laser；error source；precision analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：P24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）21-0177-02

0 引言

傳統(tǒng)測(cè)量主要采用全站儀、GPS、攝影測(cè)量等方法進(jìn)行單點(diǎn)式和影像式數(shù)據(jù)采集，單點(diǎn)式數(shù)據(jù)獲取方式對(duì)技術(shù)人員選取特征點(diǎn)有較高的要求且監(jiān)測(cè)面比較小，不能全面表達(dá)目標(biāo)物體的整體形態(tài)信息。影像式數(shù)據(jù)獲取方式雖然采集區(qū)域較大，但采集數(shù)據(jù)精度受像控點(diǎn)、立體解析等環(huán)節(jié)原始精度限制，解算精度不高。目前，隨著測(cè)量、機(jī)械、電子等學(xué)科的高速發(fā)展，使得三維激光掃描儀從研制到生產(chǎn)等環(huán)節(jié)都有了巨大的發(fā)展，其集光、機(jī)、電等各種技術(shù)于一身，它是從傳統(tǒng)測(cè)繪計(jì)量技術(shù)并經(jīng)過(guò)精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展起來(lái)的，是對(duì)多種傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的概括及一體化，具有效率高、精度高、非接觸測(cè)量、信息獲取大、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)得到蓬勃發(fā)展，在基礎(chǔ)測(cè)繪、工程測(cè)量、變形測(cè)量、數(shù)字城市、鐵路、公路、考古研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。深度開(kāi)發(fā)和拓展三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，提高傳統(tǒng)測(cè)量方法的作業(yè)效率和精度目前已成為該領(lǐng)域一個(gè)重要研究方向[1-4]。

本文主要研究三維激光掃描儀器基本原理和誤差來(lái)源，應(yīng)用誤差理論對(duì)三維激光掃描技術(shù)精度進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 數(shù)據(jù)誤差來(lái)源

掃描系統(tǒng)測(cè)量誤差可以分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差可以通過(guò)公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。所以，現(xiàn)階段偶然誤差仍然是激光掃描系統(tǒng)的主要來(lái)源，主要包括儀器自身誤差、數(shù)據(jù)去噪建模產(chǎn)生的誤差、距離誤差、植被覆蓋處的噪音誤差等[5-6]。

影響三維激光掃描儀精度的因素主要有以下兩方面：儀器誤差、外界條件及反射面引起的誤差[7]。

1.1 儀器誤差

三維激光掃描儀本身的誤差包括測(cè)距和測(cè)角因素引起的誤差。

測(cè)距引起的誤差一般是由激光測(cè)距系統(tǒng)造成的，主要包括：①周期性誤差。主要是由發(fā)射及接收之間的電信號(hào)、光串?dāng)_而引起的；②加常數(shù)誤差。加常數(shù)是電磁波測(cè)距儀的固有系統(tǒng)誤差；③相位不均勻誤差。因激光束位置不同進(jìn)行距離測(cè)量造成的誤差；④比例改正誤差?；鶞?zhǔn)頻率偏離設(shè)定值時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生與所測(cè)距離成相應(yīng)比例的改正誤差；⑤幅相誤差。由于被測(cè)物體表面變化幅度較大，掃描儀接收到的信號(hào)也是劇烈變化的，會(huì)給測(cè)距結(jié)果帶來(lái)誤差。

角度誤差一般為帶動(dòng)的馬達(dá)掃描儀非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。主要是以下幾個(gè)原因產(chǎn)生：①垂直度盤(pán)指標(biāo)差；②視準(zhǔn)軸誤差；③偏心差。

1.2 測(cè)量實(shí)體反射所產(chǎn)生的誤差

廠(chǎng)家在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇的條件無(wú)疑是較為理想的狀態(tài)，引起誤差的主要原因包括被測(cè)物體的材質(zhì)、顏色、反射面的光滑度等因素。這些條件狀態(tài)主要影響測(cè)距范圍以及儀器常數(shù)。

1.3 環(huán)境條件引起的誤差

外界氣象環(huán)境對(duì)測(cè)繪儀器測(cè)量精度的影響無(wú)法避免。三維激光掃描儀也不例外，包括氣象條件影響，激光入射角度，“黑洞”現(xiàn)象等，因此三維激光掃描儀有必要避開(kāi)惡劣環(huán)境條件，在氣象條件穩(wěn)定、適合的狀況下，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，讓外界因素造成的誤差小一些。

2 三維激光掃描儀測(cè)距量角精度分析

三維激光掃描的精度一般是指掃描點(diǎn)云的坐標(biāo)精度，它包括絕對(duì)精度和相對(duì)定位精度兩種，同時(shí)精度還與測(cè)程有關(guān)系，點(diǎn)云的絕對(duì)中誤差與距離測(cè)量和角度測(cè)量的精度有關(guān)[9]。

在此只對(duì)三維激光掃描儀自身的精度進(jìn)行驗(yàn)證分析，因?yàn)槠渌绊懸蛩乜梢缘谋M量避免，只要儀器的精度足夠可靠，通過(guò)人為的控制可以大幅提高建模的精度。

通過(guò)對(duì)Leica Scanstation C10三維激光掃描儀和Leica TS15全站儀的兩次實(shí)驗(yàn)，建立如何快速準(zhǔn)確分析三維激光掃描儀精度的模型，最終解算出Leica Scanstation C10得出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)位精度。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：Leica Scanstation C10三維激光掃描儀以及隨機(jī)配備的標(biāo)靶球，其中標(biāo)靶球半徑規(guī)格為7.1cm；Leica TS15全站儀及棱鏡，其精度高于Leica Scanstation C10掃描儀，可以用于與精度分析。

分別在距離掃描儀10m，20m，30m，40m，50m處布設(shè)5個(gè)標(biāo)靶球，儀器及標(biāo)靶架設(shè)位置見(jiàn)圖1。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》，可以得出的結(jié)論是：Leica Scanstation C10三維激光掃描儀至少在掃描范圍50m內(nèi)，測(cè)距精度存在約3mm的系統(tǒng)誤差；測(cè)角的精度根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出儀器水平角系統(tǒng)誤差為。實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)三維模型的建立，在對(duì)目標(biāo)實(shí)體掃描時(shí)，距離均在50m范圍以?xún)?nèi)，作為建模的精度來(lái)說(shuō)，徠卡Scanstation C10掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度是可信可用的，完全做到模型可量可測(cè)，并可以進(jìn)行其他相關(guān)應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)三維激光掃描儀測(cè)距和測(cè)角的精度進(jìn)行分析，得出此次實(shí)驗(yàn)采用的Leica Scanstation C10掃描儀在測(cè)量角度和距離時(shí)均存在系統(tǒng)誤差，并分析說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)待測(cè)物體均在50米范圍以?xún)?nèi)，實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)對(duì)于三維建模精度完全可靠可用。

參考文獻(xiàn)：

[1]戚萬(wàn)叔.徠卡SanStationC10導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量法在大型掃描項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2013（6）：115-116.

[2]秦臻，朱號(hào)東，羌云娟，等.三維激光掃描噪聲點(diǎn)分步剔除技術(shù)[J].測(cè)繪科學(xué)，2013，38（6）：140-142.

[3]丁延輝.地面三維激光數(shù)據(jù)配準(zhǔn)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2009（2）：57-59.

[4]陳良良，隋立春，蔣濤，等.地面三維激光掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2014（5）：80-82.

[5]宮麗瑋，張毅，閆利.基于Cyclone和PolyWorks的三維建模實(shí)現(xiàn)[J].地理空間信息，2012，10（4）：30-49.

[6]張洪棟，劉翔，時(shí)振偉.影響地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素分析[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（2）：183-186.

[7]向娟，李鋼，黃承亮，等.三維激光掃描單點(diǎn)定位精度評(píng)定方法研究[J].海洋測(cè)繪，2009，29（2）：68-73.

[8]劉萬(wàn)里，歐陽(yáng)健飛，曲興華，等.激光光束入射角度變化對(duì)角錐棱鏡測(cè)量精度的影響[J].光學(xué)精密工程，2009，17（2）：2874-2885.

[9]徐源強(qiáng)，高井祥，王堅(jiān).三維激光掃描技術(shù)[J].測(cè)繪信息與工程，2010，35（4）：5-6.