三維激光掃描儀精度測試及應用

張鐵軍，沈家海，申文永

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

三維激光掃描技術，又稱為“實景復制技術”，是繼GPS定位技術后又一項測繪技術革新[1]。某工程招標文件中要求采用此技術進行樁基測量，本次有針對性地對其精度進行測試分析，探索其在工程測量中的應用。

1 三維激光掃描儀介紹

三維激光掃描是基于面的數據采集方式，采用極坐標法采集數據，數據包括物體表面點的三維坐標信息和激光反射強度。三維激光掃描儀連續掃描，組成了大量掃描離散點集合的點云數據；主要由1臺高速精確的激光測距儀，配上1組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡組成。

1.1 測距原理

激光測距作為激光掃描技術的關鍵組成部分，對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。

目前，測距方法主要有：三角法、脈沖法、相位法。脈沖測量的距離最長，但精度隨距離的增加而降低；相位法適合中程測量，具有較高的測量精度；三角測量測程最短，但其精度最高，適合近距離、室內的測量。

1.2 測角原理

1）角位移測量：通過改變激光光路獲得掃描角度。把兩個步進電機和掃描棱鏡安裝在一起，分別實現水平和垂直方向掃描。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移的控制微電機，可以實現對激光掃描儀的精確定位。

2）線位移測量：激光發射器將激光束入射到直角棱鏡上，激光束經棱鏡折射后射向被測的目標，當儀器轉動時，出射的激光束形成線性的掃描區域，通過CCD元件記錄線位移量，獲得掃描角度值。

1.3 掃描原理

儀器通過內置伺服驅動馬達系統精密控制多面掃描棱鏡的轉動，決定激光束出射方向，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。

1.4 儀器定向

將掃描坐標系轉換到大地坐標系的過程，稱為三維激光掃描儀的定向。

2 精度測試

按照招標文件要求，在陸地選擇類似場地和目標，建立測量基準，以全站儀和水準儀常規測量值為基準，比對三維激光掃描儀測量值，以檢驗其精度[2]。

2.1 場地布置

在珠海某高架橋下選擇4排圓形墩柱作為測量目標，每排2根墩柱，編號分別為：0#1、0#2、1#1、1#2、2#1、2#2、3#1、3#2，實測墩柱直徑為1.2 m。在保證三維激光掃描儀所測的最遠墩柱大于招標圖紙中110 m作業距離的前提下，共布設5個控制點，分別為K1、K2、K3、K4、K5，其中K1、K2為三維激光掃描儀架站點，K3、K4為標靶架設點，K5為全站儀架站點，墩柱編號與控制點平面布置見圖1。

2.2 基準的建立

建立獨立平面坐標系和高程基準，用Leica TS30全站儀測量5個控制點的平面坐標，用Leica NA2水準儀測量高程[3]。

控制點的坐標和高程如表1所示。

圖1 墩柱編號與控制點平面布置示意圖Fig.1 Theplanelayout of piers′numbersand control points

表1 控制點坐標和高程Table 1 Coordinate and elevation of control points m

2.3 測試方法

在墩柱測出11 m和14 m兩個標高。使用全站儀測量墩柱左、右切方位角，并將其水平角轉至左、右切方位角的平均值處，用免棱鏡模式測量平距，記錄相關數據后，計算墩柱圓心坐標。選擇具有代表性的0號和3號數據，整理后見表2所示。

表2 墩柱圓心坐標值Table 2 Center coordinatesof piers m

三維激光掃描儀架設在K1點上，標靶架設在K3點上，首先掃描K3點上的標靶，然后掃描墩柱。

然后再將三維激光掃描儀架設到K2點上，標靶架設在K4點上，首先掃描K4點上的標靶，然后掃描墩柱。

最后經過內業處理，得到11 m和14 m標高處單站測量擬合圓心坐標和兩站測量拼接擬合圓心坐標。

2.4 精度分析

2.4.1 墩柱圓心坐標比較

三維激光掃描儀單站測量、兩站測量拼接擬合墩柱圓心坐標與Leica TS30全站儀測量值的差值，見表3所示。

表3 圓心數據比較表Table 3 Data comparison of circle center mm

從表3可以看出，單站測量擬合圓心的點位偏差最大為21.8 mm，最小為11.2 mm；兩站拼接測量擬合圓心的點位偏差最大為13.8 mm，最小為4.1 mm。

2.4.2 精度分析

以全站儀測量為基準，按照中誤差公式[4]計算單站測量精度mK1、mK2和雙站測量精度m2。

式中：Δ為觀測值真誤差，n為觀測值個數。

3 結語

本次針對性測試是在三維激光掃描儀廠家專業技術人員的配合下完成，得到了儀器在樁基測量時的精度值，驗證了該測量方法能滿足招標文件要求，對該種類儀器在樁基偏位檢測方面的應用進行了有益探索。下一步可以繼續從影響三維激光掃描儀精度的因素和提高精度的措施等方面進行進一步研究和測試，擴展其在工程測量其他方面的應用。