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，馬德富，高?。?珠海市測繪院，廣東珠海 5905； .北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司，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.珠海市測繪院，廣東珠海 519015； 2.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司，北京 100101）

三維激光掃描技術(shù)以其優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢，一經(jīng)面世，便受到各行各業(yè)的推崇。在實際工作中，筆者發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在測量方面存在一些影響定位的精度準確性的問題。因此，本文首先對影響三維激光掃描數(shù)據(jù)精度的因素進行分析，通過采用激光掃描測量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測量結(jié)果進行了對比實驗，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)，是通過無合作目標激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動化快速測量系統(tǒng)，是通過高速激光掃描測量的方法，在復(fù)雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進行快速掃描測量，以獲取目標的線、面、體、空間等三維實測數(shù)據(jù)，并進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，一經(jīng)面世，便受到各行各業(yè)的推崇。近些年，在測繪領(lǐng)域中的變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑和文物保護、斷面和體積測量等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運用。然而，在實際工作中，作者發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在測量方面存在一些影響定位的精度準確性的問題。因此，本文針對影響三維激光掃描數(shù)據(jù)精度的因素進行分析，通過采用激光掃描測量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測量結(jié)果進行了對比實驗，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)的運行是在水平方向與垂直方向進行偏轉(zhuǎn)，兩個偏轉(zhuǎn)方向容易產(chǎn)生測量結(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造成偏差，當掃描器運轉(zhuǎn)時，會發(fā)生細小的震動，同時掃描電機也會發(fā)生不規(guī)則的扭動，這些細小的運行都會造成測量結(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測量結(jié)果都會有一定的影響。

三維激光掃描儀利用激光束來測量目標，在計算被測目標的三維坐標時，需要根據(jù)水平方向和垂直方向兩方面的角度值計算，由此可見，激光光束具有十分重要的作用。

由激光性質(zhì)對坐標測量結(jié)果的影響分布，如圖1所示。

圖1 激光性質(zhì)對坐標測量結(jié)果的影響分布圖

圖1中的P點為一個目標待測點，測量時，激光光斑的大小和聚焦性會影響到結(jié)果，其實測點為P′點，水平角的影響為△φ，垂直角的影響△θ=θ′-θ，若忽略對測距的影響，則實測的坐標值為:

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

? 收稿日期:2016—01—26

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

通過以上分析可看出，激光性質(zhì)對點位數(shù)據(jù)的獲取質(zhì)量有著重大影響。

2.2 被測目標自身特性的影響分析

（1）被測目標表面的粗糙情況

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

（2）被測物體表面傾斜情況

被測物體的傾斜角度往往不一樣，被照射后產(chǎn)生的入射光點會根據(jù)空間分布的差別而發(fā)生變化，此時就會導(dǎo)致接收透鏡在單位時間內(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的掃描儀進行掃描，但在激光焦點也會有一定大小的光斑，在測量距離時，影響因素主要在于反射能量的大小。不同目標的交界處會集中有一些光斑能量，其余能量則出現(xiàn)在附近目標，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，光斑能量接近測量目標，目標邊緣的背景已經(jīng)大于有效范圍內(nèi)的目標，與其他能量相比能夠返回測距接收系統(tǒng)，這樣不一致的情況下，產(chǎn)生了激光測距的偏離，從而影響了測量信息的獲取。

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，這些因素會影響激光在大氣中的傳播速率，最終影響到測量結(jié)果。由于光學(xué)元件會受到外部環(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，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，從而影響測量；使用全站儀進行測量時，由于空氣密度的分布不均，有一定的氣差，如不調(diào)整則會影響測量結(jié)果；全站儀因風產(chǎn)生震動，會影響信號接收的質(zhì)量［1］，出現(xiàn)測量偏差。

三維激光掃描儀的構(gòu)造十分精密，溫度的變化對儀器的影響較大。當溫度較低時，甚至低于儀器的臨界溫度，則對儀器的供電性能、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光的環(huán)境下掃描，如遇到暴雨、風沙、雪霧天氣，則會使掃描的點位數(shù)據(jù)噪聲放大，導(dǎo)致點位測量的偏差，對掃描儀的安全性也產(chǎn)生了影響。

3 三維激光掃描測量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測量結(jié)果的對比實驗

3.1 理論模型

本對比實驗采用了激光掃描測量數(shù)據(jù)與高精度全站儀的測量結(jié)果進行比較分析，以此檢驗激光掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量。傳統(tǒng)的測量工具為電子全站儀，在物體坐標測量上有明顯的優(yōu)勢，其準確度可達mm級以上的精度。因此，在實驗中使用電子全站儀對坐標進行準確的測量；將三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)結(jié)果與其對比，可以檢驗出三維激光掃描儀的準確性。在對比時采用了以下步驟:首先，布置適量的靶標，使用全站儀對這些靶標進行坐標的測量；然后使用掃描儀再次測量，分別提取坐標值x、y、z。

通過空間相似變換公式計算:

對兩者的坐標值進行轉(zhuǎn)換。其中，R為兩坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。

另外，需要計算出變換參數(shù)R和T，取3個以上的靶標的2套坐標值，通過空間相似變換式（3）求值；在R的參數(shù)下，將靶標點的掃描坐標與全站儀的坐標進行轉(zhuǎn)換，然后依次進行坐標的比較，最后判斷點位的數(shù)據(jù)測量質(zhì)量。

以下為掃描點在三個軸向的誤差:

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

若測量的點位不可計數(shù)，數(shù)據(jù)較大，則點位中誤差為:

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

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

需要計算出變換參數(shù)R和T，取3個以上的靶標的2套坐標值，通過空間相似變換式（3）求值；在R的參數(shù)下，將靶標點的掃描坐標與全站儀的坐標進行轉(zhuǎn)換，然后依次進行坐標的比較，最后判斷點位的數(shù)據(jù)測量質(zhì)量。

3.2 實驗過程

在實驗過程中，選擇一個墻面，在上面隨機布置一定數(shù)量的靶標，用FaroFocus3D掃描儀精細化掃描靶標所處區(qū)域；然后將掃描結(jié)果導(dǎo)入Faro Scene軟件進行處理，在軟件中得出靶標的中線坐標點。接著使用全站儀在單獨的坐標系下測量出靶標的中線點坐標值，具體的靶標的掃描坐標成果與全站儀實測坐標成果如表1所示。

靶標的掃描坐標成果與全站儀實測坐標成果 表1

備注：本次測量環(huán)境為：溫度20℃、偏北風3級、多云。

選取14號～16號3個平面靶標數(shù)據(jù)作為控制點，通過坐標轉(zhuǎn)換式（3）進行計算以及最小二乘間接平差原理得出結(jié)果，再通過Matlab編程計算出掃描儀坐標系轉(zhuǎn)換至全站儀坐標系下的變換參數(shù)為:

將其余的13個靶標數(shù)據(jù)作為對比分析點，利用變換參數(shù)R、T將其掃描坐標轉(zhuǎn)換至全站儀坐標系下，并與全站儀實測坐標進行對比，轉(zhuǎn)換后的靶標掃描坐標與全站儀實測坐標的差值，具體情況如表2所示。

同時，可根據(jù)式（5），計算出各軸向誤差及點位中誤差。

轉(zhuǎn)換后靶標的掃描坐標與全站儀實測坐標的差值 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，通過三維激光掃描獲取的靶標坐標與全站儀實測坐標的差值（△X，△Y，△Z），最大相差2.6 mm，最小相差0.3 mm，均在 3.0 mm以內(nèi)，通過實驗對比驗證了兩者觀測結(jié)果的一致性。實驗結(jié)果表明，單獨的靶標測量時，三維激光掃描數(shù)據(jù)的精確度可達mm級以上的精度，具有較高的性能。需要注意的是，本次比對試驗只選取單站進行統(tǒng)一平面目標的掃描情況分析，還需要進一步擴展在多站甚至更為復(fù)雜的物體進行掃描實驗［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)精度的幾項控制措施

筆者通過對影響三維激光掃描精度的理論分析和對比試驗，并結(jié)合實際的工作經(jīng)驗，認為提高三維激光掃描精度的措施主要包括以下幾個方面:

（1）通過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

在每次觀測前，需要根據(jù)被測物體離掃描儀的距離遠近，設(shè)置合理的掃描分辨率和質(zhì)量參數(shù)。當被測物體只需掃描一部分時，應(yīng)縮小掃描儀的掃描范圍，降低掃描速度來提高掃描質(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）通過合理設(shè)置參考標靶提高掃描數(shù)據(jù)的

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

（3）通過避開不利的外界環(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。常見的影響因素有光照影響，粉塵影響，濕度影響。所以掃描的時候，應(yīng)盡量避開陽光等強光源直射，在粉塵多的時段不進行掃描和濕度較大的時段不進行掃描。

5 結(jié) 語

三維激光掃描儀作為一種新型的測繪儀器，具有比較廣闊的應(yīng)用前景。在對目標物體進行測量時，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，相對其他同性質(zhì)的儀器具有一定的優(yōu)勢。但另一方面，三維激光掃描儀在實際運用中也需要注意一些問題，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)果更加準確。

［1］王俊杰.三維激光掃描數(shù)據(jù)采集誤差來源及精度分析［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］.計算機與數(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.三維激光及測量誤差影響分析［J］.測繪工程，2005，31（2）：32～34.

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

［6］楊態(tài)婧.地面三維激光掃描儀的測量誤差分析［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報·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中圖分類號：P234.4

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