三維激光掃描儀測量誤差淺談

魏新元 （懷邵衡鐵路公司，湖南 長沙 410007）

1 引言

張吉懷高速鐵路的建設(shè)過程中全線推廣三維激光掃描儀的應(yīng)用，主要應(yīng)用于隧道初期支護(hù)及二次襯砌的斷面復(fù)核測量，由于前期管理或其他原因，導(dǎo)致個(gè)別標(biāo)段的測量結(jié)果與傳統(tǒng)的全站儀測量結(jié)果存在較大的差異。根據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)反映初期支護(hù)斷面最大偏差值達(dá)5.2cm,偏差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，影響施工質(zhì)量。對于上述測量結(jié)果，張吉懷鐵路建設(shè)單位、三維激光掃描儀設(shè)備廠商、監(jiān)理單位及相關(guān)施工單位在張吉懷鐵路某隧道進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測并分析。

2 三維激光掃描技術(shù)的測量原理

以法如Focus M70為例，三維激光掃描的測量原理為：三維激光掃描儀發(fā)射激光脈沖測定發(fā)射中心點(diǎn)至三維激光腳點(diǎn)之間的斜距S，通過精密時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖，在豎直方向的豎直角α，在水平方向的水平角β，其中X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直（如右圖）,三維激光腳點(diǎn)相對激光發(fā)射中心點(diǎn)坐標(biāo)增量計(jì)算公式如下:

式中：s為三維激光掃描儀激光中心點(diǎn)到靶點(diǎn)的斜距；α為豎直角；β為水平角。

由上式可見，三維激光腳點(diǎn)的坐標(biāo)精度受三維激光掃描儀激光發(fā)射中心點(diǎn)到靶點(diǎn)的斜距、豎直角、水平角的測量精度的影響。

3 現(xiàn)場測量實(shí)施方案

3.1 測量斷面里程設(shè)定

設(shè)定20m的初期支護(hù)斷面作為三維激光掃描儀的待測里程范圍，在上述里程范圍內(nèi)設(shè)定5m為一個(gè)斷面作為全站儀的測量的特征斷面。

3.2 特征標(biāo)靶點(diǎn)設(shè)定

特征標(biāo)靶點(diǎn)按順序?qū)ΨQ貼于待測段表面，共設(shè)定4個(gè)，間距為5m，用鋼筋或膠水固定。

3.3 全站儀設(shè)定

為了避免全站儀后視引起的誤差，利用同一臺全站儀進(jìn)行特征標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)測量及對比的特征斷面的斷面測量，從設(shè)站開始至測量完成，全站儀都由同一組人員進(jìn)行操作，整個(gè)過程中保證全站儀不發(fā)生移動。

3.4 三維激光掃描儀設(shè)定

用不同型號的三組三維激光掃描儀分別對待測的初期支護(hù)里程進(jìn)行掃描測量，三維激光掃描儀位置在全站儀前后15m左右。三組激光掃描儀均架設(shè)在同一位置，且標(biāo)靶球的架設(shè)高度與掃描儀的架設(shè)高度基本相同。

3.5 單組數(shù)據(jù)測量步驟及現(xiàn)場測量實(shí)施情況

單組數(shù)據(jù)測量步驟：全站儀進(jìn)行特征標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)測量及特征斷面測量→全站儀測量標(biāo)靶球坐標(biāo)→三維激光掃描儀進(jìn)行測量→全站儀再次復(fù)核測量特征標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)。

現(xiàn)場測量實(shí)施情況：第一組數(shù)據(jù)測量時(shí)空氣質(zhì)量較好，后視的標(biāo)靶球4個(gè)；第二、三組數(shù)據(jù)測量時(shí)空氣質(zhì)量一般，后視的標(biāo)靶球2個(gè)。

4 測量數(shù)據(jù)對比分析

4.1 標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對比分析

從表1中的對比數(shù)據(jù)可以看出，采用相同的硬件設(shè)備，第一組AmbergTunnel軟件分析數(shù)據(jù)最大差值為10mm，最小差值跟全站儀數(shù)據(jù)相同；第二組SCENE軟件分析數(shù)據(jù)最大差值為17mm，最小差值為4mm；第三組SCENE軟件分析數(shù)據(jù)最大差值為26mm，最小差值為1mm。由于測量硬件均為法如Focus M70，消除了硬件原始數(shù)據(jù)采集造成的誤差影響，說明分析軟件的不同也是造成誤差的一個(gè)重要方面。

4.2 特征斷面對比分析

從上圖1、表2中的對比數(shù)據(jù)分析，第一組數(shù)據(jù)與全站儀測量的斷面最為吻合，原因分析為第一組數(shù)據(jù)測量時(shí)空氣質(zhì)量好，后視的標(biāo)靶球有4個(gè)，約束點(diǎn)位多，相當(dāng)于本次三維激光掃描測量組中后視點(diǎn)位的相對精度最高，所以測量數(shù)據(jù)精度最高。

圖1 3D掃描儀與全站儀特生斷面實(shí)測對比圖

5 三維激光掃描儀測量誤差分析

經(jīng)過上述原理說明及現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行總體分析，采用三維激光掃描儀測量產(chǎn)生誤差主要有以下幾個(gè)方面。

①三維激光掃描儀本身不帶有全站儀定位的作用，所有掃描的數(shù)據(jù)絕對定位都來自全站儀坐標(biāo)傳遞，這一步驟有兩個(gè)誤差來源，一是全站儀精度不一樣，二是測量控制點(diǎn)多數(shù)為臨時(shí)控制點(diǎn)。

②三維激光掃描儀本身的精度不足產(chǎn)生的誤差，特別是標(biāo)靶球的定位裝置精度不一樣，會導(dǎo)致球棱鏡球面沒有完全對準(zhǔn)掃描儀，導(dǎo)致坐標(biāo)擬合的球心偏移產(chǎn)生誤差，即三維激光掃描儀的后視誤差，在掃描測量時(shí)會成倍放大。

③分析軟件計(jì)算方法的差異產(chǎn)生的誤差，配套的硬件與軟件能減少誤差。

④外界環(huán)境條件引起的誤差，主要包括外界環(huán)境條件引起的誤差,如空氣折光、空氣中粒子含量等因素的影響,當(dāng)外界環(huán)境比較惡劣時(shí)對三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集的精度影響較大。

6 結(jié)束語

三維激光掃描儀在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣，特別是在隧道、地下車站等受限空間結(jié)構(gòu)的斷面測量中，其快速、高效的特性有廣泛的前景，但其精度管理也需同步提高。從本文中所分述的誤差產(chǎn)生的原因，在現(xiàn)在的硬件、軟件條件下應(yīng)做好如下幾點(diǎn)，提高其精度：一是對三維激光掃描測量進(jìn)行人員專業(yè)培訓(xùn)，減少人為誤差；二是全站儀后視誤差一定要達(dá)到規(guī)范要求，減少坐標(biāo)傳遞誤差，并且應(yīng)增加標(biāo)靶球的數(shù)量來提高掃描儀的后視精度；三是每次掃描距離不應(yīng)過長，最好控制在20m～30m范圍內(nèi)；四是盡量改善測量時(shí)外界環(huán)境。

3D掃描儀與全站儀標(biāo)靶點(diǎn)測量數(shù)據(jù)對比分析數(shù)據(jù)表 表1

3D掃描儀與全站儀斷面測量數(shù)據(jù)對比分析數(shù)據(jù)表 表2