地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度影響因素及控制措施

曹先革，張隨甲，司海燕，孟祥來，劉 妍

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050; 2.武警黃金第三支隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150069)

地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度影響因素及控制措施

曹先革1，張隨甲2，司海燕1，孟祥來1，劉 妍1

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050; 2.武警黃金第三支隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150069)

地面三維激光掃描技術(shù)雖然具有分辨率高、準(zhǔn)確度高、效率高等特點(diǎn)，但在應(yīng)用過程中存在一系列影響三維激光掃描精度的因素。文中詳細(xì)分析掃描距離、物體表面材質(zhì)、控制網(wǎng)、標(biāo)靶測量精度、光斑大小、掃描點(diǎn)間距、點(diǎn)云拼接精度、全反射物質(zhì)和外界環(huán)境等因素對三維激光掃描精度的影響，并提出對以上影響因素的控制方法。

地面三維激光；點(diǎn)云；誤差；光斑；拼接

三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，作為繼GPS之后的又一項(xiàng)技術(shù)革新，具有非接觸式測量、能夠直接獲得物體表面三維信息、測距范圍廣(一般在1～1 000 m)、采樣精度高(達(dá)毫米級(jí))等特點(diǎn)[1-2]，使得三維激光掃描技術(shù)在工程測量、古建筑和文物保護(hù)、數(shù)字城市、逆向工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。

在掃描過程中，不同工程對三維激光掃描儀的精度和相應(yīng)指標(biāo)都有嚴(yán)格的要求，影響點(diǎn)云精度的因素及各因素對工程的影響是掃描作業(yè)過程中需要注意的問題。本文主要分析探討影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的各種因素及控制各影響因素的方法。

1 地面三維激光掃描系統(tǒng)簡介

1.1 工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)采用非接觸式高速激光測量方式獲得物體表面三維點(diǎn)云信息。目前，地面三維激光掃描系統(tǒng)有相位測量法、時(shí)間差測量法和三角測量法3種掃描方式[4]。

相位測量法是根據(jù)相位差計(jì)算距離，測距精度可達(dá)毫米級(jí)。目前主要有調(diào)頻連續(xù)波法、類調(diào)頻連續(xù)波法和調(diào)幅連續(xù)波法3種。

時(shí)間差測量法是根據(jù)激光脈沖從發(fā)射到被接收的飛行時(shí)間，由光速C，時(shí)間t算出掃描儀與物體之間的距離。時(shí)間差測量法的精度隨距離的增加而降低。

三角測量法是根據(jù)物體表面位置變化時(shí)，其反射激光在掃描儀檢測器上成像也隨之變化，通過像移和實(shí)際位移的關(guān)系推算真實(shí)的物體位移[4]。

1.2 工作流程

地面三維激光掃描儀外業(yè)工作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描工作流程

2 影響地面三維激光掃描精度的因素及誤差分析

三維掃描儀在掃描過程中點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的影響因素來自多方面，主要有掃描距離、物體表面材質(zhì)、控制網(wǎng)、標(biāo)靶測量精度、光斑大小、掃描點(diǎn)間距、點(diǎn)云拼接精度、全反射物質(zhì)、外界環(huán)境等。

2.1 掃描距離和物體表面材質(zhì)對點(diǎn)云的影響及控制方法

地面三維激光掃描儀測量距離的遠(yuǎn)近與激光強(qiáng)度和物體的反射率有關(guān)，對于特定的掃描儀，其發(fā)射的激光強(qiáng)度是不可變的，這樣即使兩個(gè)具有不同反射率的物體處于相同位置處，也會(huì)導(dǎo)致量測距離的不同。圖2所示是LMS三維激光掃描系統(tǒng)掃描距離與反射率之間的關(guān)系，表1所示是部分材料的反射率[5]?？刂品椒ㄈ缦拢?/p>

圖2 LMS系統(tǒng)測量距離與反射率的關(guān)系

1)安置掃描儀測站時(shí)盡量縮短三維激光掃描儀到低反射率物體之間的距離。

2)外業(yè)掃描時(shí)，掃描儀至被掃描物體之間的距離盡量保持在50 m以內(nèi)，如果不同測站之間距離過長，可以考慮用增加測站的方式來減少掃描儀至被掃描物體之間的距離[1]。

3)使設(shè)定的掃描主距以內(nèi)點(diǎn)云采樣間隔符合技術(shù)要求。

表1 部分材質(zhì)的反射率

2.2 控制網(wǎng)及標(biāo)靶測量對測量精度的影響及其控制方法

外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接有多種方式，如果選擇通過布設(shè)控制網(wǎng)測量標(biāo)靶坐標(biāo)的方式進(jìn)行拼接，根據(jù)“高級(jí)控制低級(jí)”的原則，則需要標(biāo)靶位置的量測精度等級(jí)高于點(diǎn)云拼接的精度等級(jí)。如果標(biāo)靶位置測量的精度達(dá)不到項(xiàng)目對精度的要求，則會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的降低。而標(biāo)靶測量的精度一般受控制網(wǎng)精度、儀器精度、棱鏡反光、數(shù)據(jù)平差方法、標(biāo)靶類型等因素的影響。控制方法如下：

1) 選擇2″或2″以上的全站儀進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)，標(biāo)靶測量采用免棱鏡方式測量。

2) 用滿足精度要求的相應(yīng)等級(jí)水準(zhǔn)方法測量控制點(diǎn)的高程值。

3)根據(jù)掃描項(xiàng)目對點(diǎn)云精度的要求，選擇合適的控制網(wǎng)等級(jí)進(jìn)行平面位置測量。

4)平面和高程控制網(wǎng)的平差優(yōu)先選擇整網(wǎng)平差的計(jì)算方法。

5)為提高點(diǎn)云拼接精度，建議采用球形標(biāo)靶進(jìn)行拼接，其次選擇磁性標(biāo)靶和其它標(biāo)靶。

2.3 光斑直徑和點(diǎn)云采樣間距的影響及其控制方法

地面三維激光掃描系統(tǒng)發(fā)射的激光光斑因光線的發(fā)散性，會(huì)隨著距離的增加不斷放大。如果被測物體距掃描儀比較遠(yuǎn)，掃描激光光斑就會(huì)變大，進(jìn)而影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測量精度；同時(shí)，在這種情況下同樣一個(gè)激光斑點(diǎn)照射在兩個(gè)不同的物體(如物體遠(yuǎn)近不同或反射率相差大)的可能性大,如圖3所示，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致三維掃描儀測量距離的無效性；而且隨著被測物體距離的增加，相鄰兩個(gè)測量點(diǎn)的間距也會(huì)增大[5]。圖4顯示了三維激光掃描系統(tǒng)工作時(shí)，光斑直徑和掃描點(diǎn)間距隨距離變化情況?？刂品椒ㄈ缦拢?/p>

1)三維激光掃描系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減小發(fā)射和接收光束的張角。

2)減少三維激光掃描系統(tǒng)和被掃描目標(biāo)物體之間的距離。

圖3 距離誤差示意圖

圖4 光斑直徑和光斑間距與距離的關(guān)系

2.4 點(diǎn)云拼接對測量精度的影響及其控制方法

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接有多種方式，如果通過標(biāo)靶拼接相鄰測站的點(diǎn)云，則數(shù)據(jù)的拼接質(zhì)量因受標(biāo)靶距離測站的遠(yuǎn)近、掃描時(shí)工作人員的素質(zhì)、掃描時(shí)標(biāo)靶與激光束的夾角等因素的影響將會(huì)有所不同。如果采用相互通視的標(biāo)靶進(jìn)行拼接，則對點(diǎn)云拼接精度影響最小；如果采用球形標(biāo)靶進(jìn)行拼接，則擬合球體的精度對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接質(zhì)量有較大影響；如果根據(jù)同名特征點(diǎn)拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，則點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描精度對拼接質(zhì)量有較大影響，同時(shí)拼接質(zhì)量還受其它一系列因素的影響，如被掃描物體距測站的遠(yuǎn)近、材料反射率、點(diǎn)云采樣間隔和掃描作業(yè)人員的業(yè)務(wù)水平等?？刂品椒ㄈ缦拢?/p>

1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法應(yīng)優(yōu)先選擇標(biāo)靶拼接，其次選擇同名特征點(diǎn)拼接，其中利用相互通視標(biāo)靶拼接的精度高于結(jié)合控制網(wǎng)的標(biāo)靶拼接。

2)如果采用擬合球形標(biāo)靶進(jìn)行拼接，應(yīng)首先濾除球形標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲。

3)外業(yè)掃描時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況均勻布設(shè)標(biāo)靶，并且標(biāo)靶距離掃描儀不要超過50 m。

4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)可以組合使用各拼接方式。

2.5 全反射物質(zhì)的影響及控制方法

在外業(yè)掃描過程中由于陽光的影響，會(huì)導(dǎo)致激光傳感器錯(cuò)誤讀取數(shù)據(jù)；在掃描過程中如果遇到玻璃或其它具有全反射性質(zhì)的材料時(shí)，儀器發(fā)射的激光不能被返回，此時(shí)三維掃描儀會(huì)錯(cuò)誤計(jì)算到此類物體的距離；另外，當(dāng)與激光具有相同頻率的光線被掃描儀傳感器接收時(shí)會(huì)影響儀器對反射光的處理，進(jìn)而導(dǎo)致測量結(jié)果有誤差。其次，如果空氣質(zhì)量較差，也會(huì)影響激光回波信號(hào)?？刂品椒ㄈ缦拢?/p>

1)作業(yè)時(shí)為掃描儀安裝遮光裝置，減少陽光等外界因素的干擾。

2)在數(shù)據(jù)預(yù)處理中通過濾波算法進(jìn)行去噪處理。

3)盡量使激光光束垂直入射。

2.6 外界環(huán)境對測量精度的影響及其控制方法

三維激光掃描儀工作時(shí)對外界溫度具有一定的要求，低溫或者高溫都影響掃描儀電子器件及機(jī)械部件的使用性能。如果外界溫度過低，三維掃描儀自檢頻率會(huì)增多，自檢時(shí)間也會(huì)變長；外界溫度過低亦會(huì)影響三維掃描儀的掃描精度和速度及電池的性能。其次，由于采用可見光的測量模式，三維激光掃描儀在特殊天氣下作業(yè)時(shí)，如雨雪等天氣，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲會(huì)呈幾何倍數(shù)放大，這樣會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云精度的降低，同時(shí)對儀器的使用性能也有較大影響。控制方法如下：

1)根據(jù)任務(wù)工作量合理安排掃描時(shí)間，避開高溫或低溫時(shí)段。

2)避免雨、雪、沙塵暴等天氣下使用三維掃描儀。

3 提高三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的方法和途徑

從地面三維激光掃描儀的工作原理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度影響因素的分析可以看出，三維激光掃描技術(shù)的核心原理就是激光測距。三維激光掃描是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理的過程，在該過程中可以通過以下方法和途徑提高三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度：

1)在掃描前進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，調(diào)查清楚掃描現(xiàn)場影響掃描精度的外界因素，如低反射率目標(biāo)位置，全反射物質(zhì)所處方位，并繪制位置示意圖。

2)對于較大范圍的掃描工作，在保證數(shù)據(jù)不缺失同時(shí)避免數(shù)據(jù)冗余的前提下，合理設(shè)置掃描測站位置，并根據(jù)踏勘示意圖繪制測站分布工作草圖。

3)掃描時(shí)在測站分布工作草圖上繪制標(biāo)靶分布圖，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)拼接時(shí)根據(jù)標(biāo)靶分布圖優(yōu)先選擇利用相互通視的標(biāo)靶拼接點(diǎn)云，其次選擇同名點(diǎn)的拼接方式。

4)在完成每測站掃描任務(wù)前對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢查，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失或噪聲過大時(shí)需采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

5)掃描時(shí)根據(jù)工作對精度的需要設(shè)置掃描參數(shù)，并且掃描時(shí)優(yōu)先選用球形標(biāo)靶，其次選擇其它類型的標(biāo)靶。

6)如果選擇通過布設(shè)控制網(wǎng)測量標(biāo)靶坐標(biāo)的方式進(jìn)行拼接，控制網(wǎng)的平面和高程測量精度等級(jí)應(yīng)高于點(diǎn)云拼接的精度等級(jí)，并且標(biāo)靶的位置采用免棱鏡方式測量。

7)根據(jù)工作量和天氣等因素合理安排外業(yè)掃描時(shí)間。

4 結(jié)束語

雖然地面三維激光掃描儀憑借其高分辨率、高準(zhǔn)確度、高效率等特點(diǎn)，在三維重建、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字地球和數(shù)字城市等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中存在一系列影響點(diǎn)云精度的因素。為了提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在實(shí)際掃描過程中可根據(jù)本文對每種影響因素的分析和控制方法及提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的方法和途徑，從現(xiàn)場踏勘、掃描測站設(shè)置、標(biāo)靶測量及拼接和外界影響因素調(diào)查等方面下手，合理設(shè)計(jì)工作方案，盡量避免在掃描過程中外界因素的干擾，切實(shí)提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。

[1]李海泉,楊曉鋒,趙彥剛.地面三維激光掃描測量精度的影響因素和控制方法[J].測繪標(biāo)準(zhǔn)化,2011,27(1):29-31.

[2]梁振華,王晨,謝宏全.基于徠卡C10獲取校園三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)[J].測繪工程,2013,22(1):47-50.

[3]劉春,張?zhí)N靈,吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評估[J].工程勘察,2009(11):5-60.

[4]劉佳.三維激光全景掃描系統(tǒng)誤差分析及相機(jī)標(biāo)定[D].北京：首都師范大學(xué),2009.

[5]紀(jì)勇,齊建偉.三維激光掃描測量采樣要素關(guān)系研究[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,24(1):44-46.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

The influence factors and control measures on point cloud data precision of ground three-dimensional laser scanning

CAO Xian-ge1, ZHANG Sui-jia2, SI Hai-yan1, MENG Xiang-lai1, LIU Yan1

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China; 2.Wujing Golden Third Group, Harbin 150069, China)

The ground three-dimensional laser scanning technology has the characters of high resolution, high accuracy, high efficiency, etc, but there are series of factors in the application process, which affect the precision of three-dimensional laser scanning. Analysis is made on the influence of scanning distance, material surface, measurement precision of control network and the target, spot size and scanning point spacing, point cloud splicing precision, total reflection material and external environment on precision of three-dimensional laser scanning, and the control methods based on the above factors are proposed.

ground three-dimensional laser;point cloud; error; spot; splicing

2014-02-09

黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目(1252G052)；黑龍江省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間地理信息綜合實(shí)驗(yàn)室開放課題(KJKF-13-06)；黑龍江工程學(xué)院博士科研基金項(xiàng)目(2012BJ03)

曹先革(1979-)，男，副教授，博士.

P217

：A

：1006-7949(2014)12-0005-03