孫 寧

江西中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司

天寶GX200地面三維激光掃描儀系統(tǒng)誤差分析

孫 寧

江西中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的全自動(dòng)高精度測(cè)量技術(shù)，能在短時(shí)間內(nèi)大面積高密度地獲取目標(biāo)的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，逼真細(xì)膩地描述目標(biāo)表面。但三維激光掃描儀作為一種測(cè)量?jī)x器，在使用過(guò)程中存在各種誤差導(dǎo)致影響測(cè)量結(jié)果，本文主要對(duì)三維激光掃描儀在應(yīng)用過(guò)程中誤差進(jìn)行了分析探究。

掃描儀；系統(tǒng)誤差；分析

一、三維激光掃描技術(shù)的概述

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的全自動(dòng)高精度測(cè)量技術(shù)，利用三維激光掃描儀能在短時(shí)間內(nèi)大面積高密度地精確獲取目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)，因此三維激光掃描技術(shù)也是激光技術(shù)和視覺(jué)仿真相結(jié)合的一個(gè)重要產(chǎn)物。三維激光掃描儀作為一種光學(xué)、機(jī)械、電子高度集成的精密儀器，與以傳統(tǒng)測(cè)量手段相比，三維激光掃描技術(shù)具有以下特點(diǎn)：主動(dòng)性強(qiáng)，非接觸性測(cè)量，數(shù)據(jù)獲取速度快，能適應(yīng)全天候全地形工作；數(shù)據(jù)采樣率高，突破單點(diǎn)采集模式，以高密度高分辨率獲取豐富的數(shù)據(jù)；通過(guò)海量的點(diǎn)云模擬被測(cè)物體表面，效果逼真；系統(tǒng)全數(shù)字化作業(yè)，信息的傳輸加工便捷、成果兼容性廣泛等。

二、三維激光掃描儀的工作原理

對(duì)地面三維激光掃描系統(tǒng)中最主要的硬件設(shè)備是掃描儀，以脈沖測(cè)距型掃描儀為例，工作原理如圖(1.1)所示。

圖1.1 地面激光掃描儀工作原理示意圖

在上圖，光源通過(guò)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一束激光，照到觀測(cè)目標(biāo)后返回內(nèi)置數(shù)據(jù)處理器，其物理頻率和往返時(shí)間被記錄用以計(jì)算。某點(diǎn)被掃描時(shí)激光輸出距離計(jì)算公式為D=ct/2(c為激光在空氣中的傳播速度，t為傳播時(shí)間)。同時(shí)，儀器在水平方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度β和豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度α也被度盤(pán)記錄。如圖(1.2)所示，激光發(fā)射中心為0點(diǎn)，垂直步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光鏡圍繞水平軸X旋轉(zhuǎn)，掃描扇面為YOZ，水平步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)儀器上半部分圍繞垂直軸Z旋轉(zhuǎn)，掃描扇面為XOY平面，從而實(shí)現(xiàn)在某站上儀器空間掃描范圍O-XYZ內(nèi)部坐標(biāo)系中所有目標(biāo)的觀測(cè)。水平方向觀測(cè)范圍一般為360°，由于儀器下部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)遮擋，豎直方向約為幾十度到310°。

如圖1.3所示，在右手直角坐標(biāo)系O-XYZ中，記P點(diǎn)坐標(biāo)為(x, y, z)。由空間三角關(guān)系，可得到三個(gè)坐標(biāo)軸方向的坐標(biāo)值：x=D·cosa·cosβ、y=D·cosa·sinβ、z=D·sina。

三、三維激光掃描儀誤差分析

1、誤差來(lái)源

1)儀器本身誤差。主要是掃描儀測(cè)距和角度測(cè)量誤差，主要由設(shè)計(jì)、制造缺陷或儀器老化問(wèn)題；

2)儀器配套設(shè)施的誤差。主要反射面的材質(zhì)、光譜性質(zhì)、粗糙度等對(duì)激光測(cè)距產(chǎn)生誤差，激光性質(zhì)不同的儀器，影響也不同，但整體上有一定規(guī)律；

3)外界環(huán)境影響。作業(yè)環(huán)境中大氣溫度、濕度，塵埃粒子，光照變化等因素對(duì)激光的傳播有一定影響。

2、儀器誤差影響分析

掃描儀運(yùn)行結(jié)構(gòu)可近似看做一臺(tái)高性能的全站儀，檢校的誤差也可參照全站儀進(jìn)行：

1)測(cè)距乘常數(shù)是測(cè)距誤差中的比例部分，研究表明當(dāng)掃描距離小于30米時(shí)，它對(duì)測(cè)距的影響可忽略不計(jì)；

2)儀器的激光發(fā)射起算點(diǎn)M位于掃描儀的激光發(fā)射單元內(nèi)部中心，儀器的軸系中心O點(diǎn)是水平軸HH與豎軸VV、激光發(fā)射軸M0的交點(diǎn)，理論上M點(diǎn)與O點(diǎn)是同一個(gè)點(diǎn)，但是由于機(jī)械制造工藝以及結(jié)構(gòu)的固有原因，二者間有很小的距離，這是測(cè)距加常數(shù)誤差產(chǎn)生的原因，在精密測(cè)量作業(yè)中，通常要考慮該項(xiàng)對(duì)距離觀測(cè)的影響，這一小段距離記為k，如圖(1.3)所示：

3)在儀器轉(zhuǎn)動(dòng)中，由于機(jī)械安裝精度原因以及重力因素，豎直方向度盤(pán)與實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度不完全相符。

4)儀器橫軸與豎軸不垂直產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為橫軸傾斜誤差，豎軸是垂直的，而橫軸不與其正交，其產(chǎn)生原因是儀器裝配時(shí)支架兩端不等高造成，或是橫軸兩端的軸徑不相等，這樣穿過(guò)橫軸的中心直線與理論上的橫軸中心線會(huì)形成夾角，導(dǎo)致儀器在豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，支架更高的一側(cè)或者軸徑稍大的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)與理論橫軸中心線的偏離程度更大，因此出現(xiàn)誤差。

5)掃描儀觀測(cè)時(shí)無(wú)需人工照準(zhǔn)目標(biāo)，其激光發(fā)射軸類(lèi)似于全站儀望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸，由于機(jī)械加工精密度導(dǎo)致儀器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)射鏡筒會(huì)晃動(dòng)，從而使得激光發(fā)射軸不和橫軸正交，該誤差稱(chēng)為激光發(fā)射軸誤差。

3、外部因素誤差分析

除儀器本身的誤差外，觀測(cè)目標(biāo)反射面和外界環(huán)境對(duì)觀測(cè)精度也有影響。如，當(dāng)測(cè)距激光束投射到鏡像反射面時(shí)，反射面將依據(jù)光學(xué)反射定律對(duì)測(cè)距激光束進(jìn)行反射，當(dāng)測(cè)距激光束投射到一個(gè)棱邊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“彗尾”現(xiàn)象當(dāng)然，一部分激光返回，另一部分則由棱后方的障礙物處返回，接收的信號(hào)是多個(gè)返回信號(hào)的均值，通常實(shí)測(cè)距離長(zhǎng)于應(yīng)測(cè)距離；當(dāng)然，最常見(jiàn)是入射激光與目標(biāo)反射面不正交會(huì)引起激光腳點(diǎn)的偏差。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要從三維激光掃描技術(shù)的概述出發(fā)，闡述三維激光掃描儀的工作原理，最后對(duì)三維激光掃描儀的誤差進(jìn)行分析。三維激光掃描技術(shù)已成為測(cè)繪領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，加強(qiáng)其誤差分析，能有效提升在應(yīng)用中測(cè)量精度。

[1]羅德安.地面激光掃描儀的精度影響因素分析[J].鐵道勘察，2007(4)

[2]張書(shū)畢.測(cè)量平差[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008