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，高俊（.珠海市測繪院，廣東珠海 5905； .北京城建勘測設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.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101）

三維激光掃描技術以其優(yōu)異的技術優(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，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。三維激光掃描技術以其優(yōu)異的技術優(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應用研究。

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，感應到不同界面的物體結(jié)構，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)心的變化導致測量結(jié)果發(fā)生變化。

（3）邊緣效應

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，但一樣能夠感應到接收系統(tǒng)，這樣的效應相當于GPS多路徑效應，從而導致了結(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、濕度導致空氣折射率發(fā)生變化，導致激光束彎曲，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）通過合理設置參考標靶提高掃描數(shù)據(jù)的

在設置參考標靶時，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，應在位置明顯處設點，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的應用［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］.東華理工大學學報·自然科學版，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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