隧道內(nèi)三維激光掃描反射強(qiáng)度的影響因素研究

路 易

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院 上海松江 201620）

地面三維激光掃描技術(shù)（3D Terrestrial Laser Scanning Technology，TLS）近幾年在國內(nèi)開始興起，它的出現(xiàn)引領(lǐng)了一場(chǎng)全新的技術(shù)革命。該技術(shù)采用非接觸的掃描方式，直接獲取掃描對(duì)象上全部采樣點(diǎn)的坐標(biāo)位置和反射強(qiáng)度信息，為之后的三維建模提供了切實(shí)可行的依據(jù)。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的“點(diǎn)測(cè)量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶螠y(cè)量”，滿足了更多生產(chǎn)實(shí)踐的需要，其中就包括隧道工程領(lǐng)域。

隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，特征物較多，激光反射強(qiáng)度值往往會(huì)受到眾多因素的影響，直接通過儀器測(cè)得的強(qiáng)度值并不準(zhǔn)確，會(huì)出現(xiàn)同物異譜、異物同譜的現(xiàn)象［1］。因此，利用實(shí)驗(yàn)探究反射強(qiáng)度的影響因素及相互之間的關(guān)系，對(duì)建立反射強(qiáng)度的改正模型和改善激光點(diǎn)云技術(shù)測(cè)量結(jié)果的精度具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)操作

本實(shí)驗(yàn)利用FARO Focus3D 120三維激光掃描儀和配套軟件Scene進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)配準(zhǔn)。

1.1 距離實(shí)驗(yàn)

利用白板（35 cm*40 cm）和反射片（6 cm*6 cm）制作標(biāo)靶，保持掃描儀高度H、標(biāo)靶的高度h、入射角不變，分別在2 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m、20 m、25 m、28 m、30 m處掃描標(biāo)靶三次，以三次掃描的平均值作為最終結(jié)果。

1.2 入射角實(shí)驗(yàn)

保持掃描儀高度H、標(biāo)靶的高度h、掃描距離R（3 m）不變。每組實(shí)驗(yàn)中，在DT 402L電子經(jīng)緯儀的側(cè)面分別貼上裁剪好的不同顏色的紙片（6 cm*6 cm）或反射片（6 cm*6 cm），作為目標(biāo)物，通過旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀改變?nèi)肷浣嵌取?/p>

1.3 顏色實(shí)驗(yàn)

高度H保持不變，入射角固定為0°（即垂直入射），掃描距離分別設(shè)置為2 m、4 m和6 m，在白板（60 cm*70 cm）上面貼上兩張A4紙大小的不同顏色的卡紙作為標(biāo)靶。同一距離處每?jī)煞N顏色分別掃描兩次，為了盡可能減少掃描位置所帶來的影響，途中將兩張卡紙的左右位置交換。以選定的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)的反射強(qiáng)度平均值作為該距離處的反射強(qiáng)度值。

以上三組實(shí)驗(yàn)均在室內(nèi)進(jìn)行，地面平整度較高，不考慮位置變動(dòng)所帶來的高度差的影響。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線形圖

2.1 距離實(shí)驗(yàn)

將每個(gè)距離處所測(cè)得的反射強(qiáng)度均值作為縱坐標(biāo)，距離作為橫坐標(biāo)，利用Excel 2016繪制成折線圖如圖1所示。

從圖中可以看出，線形呈現(xiàn)出先上升后下降再逐漸上升的趨勢(shì)。

2.2 入射角實(shí)驗(yàn)

依據(jù)最終整理得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)觀察和對(duì)以往實(shí)驗(yàn)的了解，去除對(duì)反光片實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考慮，以角度值為橫軸，紅、藍(lán)、黑三色卡紙的反射強(qiáng)度均值為縱軸，建立坐標(biāo)系，繪出圖像。

圖1 距離實(shí)驗(yàn)：反射強(qiáng)度均值折線圖

圖2 入射角實(shí)驗(yàn)：三色卡紙的反射強(qiáng)度均值折線圖

由圖2可以看出，盡管三種不同顏色卡紙所得出的曲線并不完全相同，但基本趨勢(shì)相同，都是隨著入射角角度的增加，反射強(qiáng)度值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。同時(shí)三者的線形基本保持一致，說明顏色因素并不會(huì)使得角度與反射強(qiáng)度之間的關(guān)系產(chǎn)生變化。

2.3 顏色實(shí)驗(yàn)

依據(jù)三組不同距離處的顏色實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以顏色為橫坐標(biāo)，以反射強(qiáng)度均值為縱坐標(biāo)，分別繪制出了線形圖（圖3）。

圖3 顏色實(shí)驗(yàn)：三個(gè)距離處不同顏色的反射強(qiáng)度均值

由以上線形圖可得，當(dāng)目標(biāo)物為黑色時(shí)反射強(qiáng)度值最低，其次是藍(lán)色，白色反射強(qiáng)度值最高，黃色其次。距離對(duì)反射強(qiáng)度值的大小有一定的影響，但對(duì)顏色所產(chǎn)生的效應(yīng)幾乎沒有作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)，分別從距離、入射角和顏色三個(gè)方面探究了其各自對(duì)激光反射強(qiáng)度的影響。首先，利用儀器配套的軟件Scene導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得了相應(yīng)的平均值并做出了對(duì)應(yīng)的線形圖，然后利用軟件IBM SPSS 24對(duì)整理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，分別得出了距離、入射角和顏色三個(gè)影響因素與激光反射強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)果證明，本實(shí)驗(yàn)所選取的幾個(gè)因素都對(duì)激光反射強(qiáng)度有較大的影響，但影響程度或影響關(guān)系并不相同。

3.1 距離實(shí)驗(yàn)

將距離作為自變量，各個(gè)距離處所整理得到的反射強(qiáng)度平均值作為因變量，利用電腦軟件SPSS作相關(guān)性分析。根據(jù)皮爾遜檢驗(yàn)的顯著性（雙尾）值遠(yuǎn)小于0.05，說明這兩個(gè)變量顯著相關(guān)。同時(shí)，肯德爾的tau-b檢驗(yàn)和斯皮爾曼檢驗(yàn)的顯著性（雙尾）值也均小于0.05，由此進(jìn)一步明確了距離和反射強(qiáng)度均值顯著相關(guān)。

以上相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，距離對(duì)反射強(qiáng)度有顯著影響，且并不呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的關(guān)系。距離，作為研究反射強(qiáng)度的系統(tǒng)變量，對(duì)反射強(qiáng)度值的影響是始終存在的，因而從“距離”入手對(duì)反射強(qiáng)度值進(jìn)行改正是十分有必要的。從另一方面來看，既然“距離”與“反射強(qiáng)度均值”之間不太好構(gòu)建函數(shù)關(guān)系，那么像譚凱等人那樣［2，7，10，11，12］，從激光雷達(dá)方程來建立包含距離的改正模型，想必是一種很理想的做法。

3.2 入射角實(shí)驗(yàn)

對(duì)紅色卡紙、黑色卡紙、藍(lán)色卡紙四種目標(biāo)物分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將入射角作為自變量，三種目標(biāo)物對(duì)應(yīng)得到的反射強(qiáng)度值作為因變量，利用電腦軟件作回歸分析，分別利用線性函數(shù)、二次型函數(shù)和三次型函數(shù)進(jìn)行擬合。經(jīng)對(duì)比和總結(jié)分析，將三次型函數(shù)最終確定為入射角和反射強(qiáng)度的關(guān)系表示。

從線形圖顏色與角度之間的交互作用并不明顯，顏色的變換并不會(huì)對(duì)角度與反射強(qiáng)度值之間的關(guān)系造成影響。因此，若只針對(duì)入射角這一單一變量來建立修正模型，既可利用入射角與反射強(qiáng)度值的這種三次型函數(shù)的關(guān)系，也可像譚凱等人那樣以激光雷達(dá)方程為基礎(chǔ)建立包含入射角因素的模型。

顏色實(shí)驗(yàn)：

本實(shí)驗(yàn)分別在2 m、4 m和6 m處進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)，對(duì)紅、黃、藍(lán)、綠、黑、白的卡紙進(jìn)行了掃描。通過線形圖可以看出，顏色的改變?cè)谕痪嚯x處對(duì)反射強(qiáng)度的影響較大。通過對(duì)數(shù)據(jù)的最大最小值和平均值與標(biāo)準(zhǔn)差和方差，得出結(jié)論：顏色和距離之間的交互影響很小，距離的變化并不會(huì)對(duì)顏色的變換而產(chǎn)生的反射強(qiáng)度的改變起到很大的作用。因此在實(shí)際測(cè)量中，為了提高點(diǎn)云的精度，應(yīng)當(dāng)盡量選取白色、黃色，或諸如此類顏色較淺的區(qū)域作為目標(biāo)物進(jìn)行測(cè)量。本人建議：應(yīng)當(dāng)選取隧道中幾種常見的顏色，針對(duì)各個(gè)顏色來建立不同的模型以適應(yīng)不同的目標(biāo)物。

4 總結(jié)和展望

本文主要通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究了三維激光掃描中反射強(qiáng)度的影響因素及影響程度。需要說明的是，本文所選取的距離、入射角、顏色三個(gè)因素并不是反射強(qiáng)度所有的影響因素，對(duì)于激光反射強(qiáng)度，無論是系統(tǒng)變量還是目標(biāo)變量，一定還有更多的影響因素及其交互作用。

由于國內(nèi)起步較晚，關(guān)于激光反射強(qiáng)度方面的研究還有很大的發(fā)展空間，目前的成果只是冰山一角，相信通過我國的專家學(xué)者們孜孜不倦的探索，三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展一定會(huì)擁有更加廣闊的前景。