三維激光掃描數據精度分析模型研究及應用

馮上朝

摘要：通過實驗數據對三維激光掃描儀測距和測角的精度進行分析，得出此次實驗采用的Leica Scanstation C10掃描儀在測量角度和距離時均存在系統誤差，并分析說明了實驗待測物體均在50米范圍以內，實驗采集的數據對于三維建模精度完全可靠可用。

Abstract： The experimental data are used to analyze the accuracy of the 3D laser scanner Distance measurement and Angle measurement. The Leica Scanstation C10 scanner used in this experiment has a systematic error in measuring of the angle and distance. Objects are within 50 meters range， the experimental data collected for 3D modeling accuracy is completely reliable.

關鍵詞：三維激光；誤差來源；精度分析

Key words： 3D laser；error source；precision analysis

中圖分類號：P24 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0177-02

0 引言

傳統測量主要采用全站儀、GPS、攝影測量等方法進行單點式和影像式數據采集，單點式數據獲取方式對技術人員選取特征點有較高的要求且監測面比較小，不能全面表達目標物體的整體形態信息。影像式數據獲取方式雖然采集區域較大，但采集數據精度受像控點、立體解析等環節原始精度限制，解算精度不高。目前，隨著測量、機械、電子等學科的高速發展，使得三維激光掃描儀從研制到生產等環節都有了巨大的發展，其集光、機、電等各種技術于一身，它是從傳統測繪計量技術并經過精密的傳感工藝整合及多種現代高科技手段集成而發展起來的，是對多種傳統測繪技術的概括及一體化，具有效率高、精度高、非接觸測量、信息獲取大、環境適應強等優勢得到蓬勃發展，在基礎測繪、工程測量、變形測量、數字城市、鐵路、公路、考古研究等領域得到廣泛應用。深度開發和拓展三維激光掃描技術在測繪領域的應用潛能，提高傳統測量方法的作業效率和精度目前已成為該領域一個重要研究方向[1-4]。

本文主要研究三維激光掃描儀器基本原理和誤差來源，應用誤差理論對三維激光掃描技術精度進行分析和總結。

1 數據誤差來源

掃描系統測量誤差可以分為系統誤差和偶然誤差。系統誤差引起三維激光掃描點的坐標偏差可以通過公式改正或修正系統予以消除或減小。所以，現階段偶然誤差仍然是激光掃描系統的主要來源，主要包括儀器自身誤差、數據去噪建模產生的誤差、距離誤差、植被覆蓋處的噪音誤差等[5-6]。

影響三維激光掃描儀精度的因素主要有以下兩方面：儀器誤差、外界條件及反射面引起的誤差[7]。

1.1 儀器誤差

三維激光掃描儀本身的誤差包括測距和測角因素引起的誤差。

測距引起的誤差一般是由激光測距系統造成的，主要包括：①周期性誤差。主要是由發射及接收之間的電信號、光串擾而引起的；②加常數誤差。加常數是電磁波測距儀的固有系統誤差；③相位不均勻誤差。因激光束位置不同進行距離測量造成的誤差；④比例改正誤差。基準頻率偏離設定值時，會對測距結果產生與所測距離成相應比例的改正誤差；⑤幅相誤差。由于被測物體表面變化幅度較大，掃描儀接收到的信號也是劇烈變化的，會給測距結果帶來誤差。

角度誤差一般為帶動的馬達掃描儀非勻速轉動。主要是以下幾個原因產生：①垂直度盤指標差；②視準軸誤差；③偏心差。

1.2 測量實體反射所產生的誤差

廠家在進行實驗時選擇的條件無疑是較為理想的狀態，引起誤差的主要原因包括被測物體的材質、顏色、反射面的光滑度等因素。這些條件狀態主要影響測距范圍以及儀器常數。

1.3 環境條件引起的誤差

外界氣象環境對測繪儀器測量精度的影響無法避免。三維激光掃描儀也不例外，包括氣象條件影響，激光入射角度，“黑洞”現象等，因此三維激光掃描儀有必要避開惡劣環境條件，在氣象條件穩定、適合的狀況下，進行外業數據的采集，讓外界因素造成的誤差小一些。

2 三維激光掃描儀測距量角精度分析

三維激光掃描的精度一般是指掃描點云的坐標精度，它包括絕對精度和相對定位精度兩種，同時精度還與測程有關系，點云的絕對中誤差與距離測量和角度測量的精度有關[9]。

在此只對三維激光掃描儀自身的精度進行驗證分析，因為其他影響因素可以的盡量避免，只要儀器的精度足夠可靠，通過人為的控制可以大幅提高建模的精度。

通過對Leica Scanstation C10三維激光掃描儀和Leica TS15全站儀的兩次實驗，建立如何快速準確分析三維激光掃描儀精度的模型，最終解算出Leica Scanstation C10得出的點云數據的點位精度。

主要實驗設備為：Leica Scanstation C10三維激光掃描儀以及隨機配備的標靶球，其中標靶球半徑規格為7.1cm；Leica TS15全站儀及棱鏡，其精度高于Leica Scanstation C10掃描儀，可以用于與精度分析。

分別在距離掃描儀10m，20m，30m，40m，50m處布設5個標靶球，儀器及標靶架設位置見圖1。

通過以上實驗數據并結合《城市三維建模技術規范》，可以得出的結論是：Leica Scanstation C10三維激光掃描儀至少在掃描范圍50m內，測距精度存在約3mm的系統誤差；測角的精度根據實驗數據進行計算得出儀器水平角系統誤差為。實驗測區三維模型的建立，在對目標實體掃描時，距離均在50m范圍以內，作為建模的精度來說，徠卡Scanstation C10掃描的點云數據精度是可信可用的，完全做到模型可量可測，并可以進行其他相關應用。

3 結論

本文首先通過實驗數據對三維激光掃描儀測距和測角的精度進行分析，得出此次實驗采用的Leica Scanstation C10掃描儀在測量角度和距離時均存在系統誤差，并分析說明了實驗待測物體均在50米范圍以內，實驗采集的數據對于三維建模精度完全可靠可用。

參考文獻：

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