三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)處理與精度控制

韓繼旺

摘 要：三維激光掃描儀技術(shù)又被稱(chēng)為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)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(cè)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。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；數(shù)據(jù)處理；精度控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

三維激光技術(shù)是一門(mén)新型的熱門(mén)高效的技術(shù)，它是繼GPS技術(shù)后又一項(xiàng)測(cè)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(lèi)

我國(guó)目前把三維激光掃描技術(shù)分為兩類(lèi)；機(jī)載型，地面型。在測(cè)量方式上還細(xì)化成移動(dòng)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(tái)，軟件控制平臺(tái)，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(huì)項(xiàng)目表發(fā)射一個(gè)激光脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在接觸到物體表面是被反射回來(lái)，順著相同的路線(xiàn)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(cè)量每個(gè)脈沖橫向掃描的觀測(cè)值和縱向掃描的觀測(cè)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(cuò)誤的數(shù)據(jù)，通過(guò)掃描的過(guò)程，把它給去除掉。由于某些原因的影響，會(huì)導(dǎo)致這一現(xiàn)象的發(fā)生。比如說(shuō)移動(dòng)的車(chē)輛和行人還有樹(shù)木，也同樣會(huì)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(duì)齊。多視對(duì)齊是說(shuō)被測(cè)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(cè)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(duì)齊的實(shí)質(zhì)就在于此。

（三）數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)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(jiǎn)，而我們比較常用的精簡(jiǎn)模式有平均精簡(jiǎn)，按距離精簡(jiǎn)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(lái)，這項(xiàng)過(guò)程就是曲面重構(gòu)。

（四）曲面重構(gòu)。我們比較常見(jiàn)的曲面的表示種類(lèi)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(shuō)說(shuō)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(duì)對(duì)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(guò)一組初始的控制向量的線(xiàn)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(duì)復(fù)雜的物體表面模型重建和曲面的拼合問(wèn)題，是從初始的多面體控制網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始的，應(yīng)用某種細(xì)分規(guī)則，對(duì)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(guò)不斷的細(xì)分，逐漸將控制網(wǎng)格磨光。在無(wú)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(cè)量誤差分析。三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)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(huì)引起掃描點(diǎn)的坐標(biāo)錯(cuò)誤，可以通過(guò)公式的改正后世修正系統(tǒng)來(lái)解決。測(cè)試系統(tǒng)的偶然誤差是一些隨機(jī)性的錯(cuò)誤的集中體現(xiàn)。在測(cè)量誤差上的影響因素較多，主要可以分為三類(lèi)，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(cè)距誤差，掃描角度測(cè)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(cuò)的原因后我們需要找到解決的對(duì)策來(lái)加以控制。在系統(tǒng)的測(cè)量誤差上激光測(cè)距的影響相對(duì)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(cè)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(duì)于激光測(cè)距誤差綜合體現(xiàn)為i測(cè)距中的固定誤差和比例誤差，我們可以用儀器檢定確定測(cè)距誤差的大小。在掃描角上引起的誤差可以通過(guò)保證其水平和豎直的掃描角度，在轉(zhuǎn)動(dòng)中減少其振動(dòng)，始終保持精確的角度。

（三）提高測(cè)量精度的方法。在相對(duì)一樣的條件下，通過(guò)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(lái)調(diào)整。從而達(dá)到減少坐標(biāo)系誤差的目的。通過(guò)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(lái)見(jiàn)減少誤差，利用這些方法來(lái)加強(qiáng)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)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(kāi)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(lái)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(lái)，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)有更加廣泛地發(fā)招空間以及明確的發(fā)展方向；通過(guò)自身的技術(shù)力量發(fā)展降低國(guó)內(nèi)在三維激光掃描儀器的價(jià)格，提升我國(guó)的市場(chǎng)。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(guò)與傳統(tǒng)的手段相結(jié)合，來(lái)克服精度和測(cè)距上的矛盾，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高精度的測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)方式，以及測(cè)量操作方式，從而提高測(cè)量的初始精度，采取改善數(shù)據(jù)算法的方式來(lái)不斷降低數(shù)據(jù)在計(jì)算上的誤差。

結(jié)語(yǔ)

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(dòng)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(cè)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(guò)高，在有些的數(shù)據(jù)處理和精度測(cè)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(lái)這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)在數(shù)據(jù)處理和精確度上有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)

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