馮上朝

摘要：通過實(shí)驗數(shù)據(jù)對三維激光掃描儀測距和測角的精度進(jìn)行分析，得出此次實(shí)驗采用的Leica Scanstation C10掃描儀在測量角度和距離時均存在系統(tǒng)誤差，并分析說明了實(shí)驗待測物體均在50米范圍以內(nèi)，實(shí)驗采集的數(shù)據(jù)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(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0177-02

0 引言

傳統(tǒng)測量主要采用全站儀、GPS、攝影測量等方法進(jìn)行單點(diǎn)式和影像式數(shù)據(jù)采集，單點(diǎn)式數(shù)據(jù)獲取方式對技術(shù)人員選取特征點(diǎn)有較高的要求且監(jiān)測面比較小，不能全面表達(dá)目標(biāo)物體的整體形態(tài)信息。影像式數(shù)據(jù)獲取方式雖然采集區(qū)域較大，但采集數(shù)據(jù)精度受像控點(diǎn)、立體解析等環(huán)節(jié)原始精度限制，解算精度不高。目前，隨著測量、機(jī)械、電子等學(xué)科的高速發(fā)展，使得三維激光掃描儀從研制到生產(chǎn)等環(huán)節(jié)都有了巨大的發(fā)展，其集光、機(jī)、電等各種技術(shù)于一身，它是從傳統(tǒng)測繪計量技術(shù)并經(jīng)過精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展起來的，是對多種傳統(tǒng)測繪技術(shù)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(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)勢得到蓬勃發(fā)展，在基礎(chǔ)測繪、工程測量、變形測量、數(shù)字城市、鐵路、公路、考古研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。深度開發(fā)和拓展三維激光掃描技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，提高傳統(tǒng)測量方法的作業(yè)效率和精度目前已成為該領(lǐng)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(yīng)用誤差理論對三維激光掃描技術(shù)精度進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 數(shù)據(jù)誤差來源

掃描系統(tǒng)測量誤差可以分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差可以通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。所以，現(xiàn)階段偶然誤差仍然是激光掃描系統(tǒng)的主要來源，主要包括儀器自身誤差、數(shù)據(jù)去噪建模產(chǎn)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(tǒng)造成的，主要包括：①周期性誤差。主要是由發(fā)射及接收之間的電信號、光串?dāng)_而引起的；②加常數(shù)誤差。加常數(shù)是電磁波測距儀的固有系統(tǒng)誤差；③相位不均勻誤差。因激光束位置不同進(jìn)行距離測量造成的誤差；④比例改正誤差。基準(zhǔn)頻率偏離設(shè)定值時，會對測距結(jié)果產(chǎn)生與所測距離成相應(yīng)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(jié)果帶來誤差。

角度誤差一般為帶動的馬達(dá)掃描儀非勻速轉(zhuǎn)動。主要是以下幾個原因產(chǎn)生：①垂直度盤指標(biāo)差；②視準(zhǔn)軸誤差；③偏心差。

1.2 測量實(shí)體反射所產(chǎn)生的誤差

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

1.3 環(huán)境條件引起的誤差

外界氣象環(huán)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(xiàn)象等，因此三維激光掃描儀有必要避開惡劣環(huán)境條件，在氣象條件穩(wěn)定、適合的狀況下，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)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(diǎn)云的坐標(biāo)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(guān)系，點(diǎn)云的絕對中誤差與距離測量和角度測量的精度有關(guān)[9]。

在此只對三維激光掃描儀自身的精度進(jìn)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(shí)驗，建立如何快速準(zhǔn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)位精度。

主要實(shí)驗設(shè)備為：Leica Scanstation C10三維激光掃描儀以及隨機(jī)配備的標(biāo)靶球，其中標(biāo)靶球半徑規(guī)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(shè)5個標(biāo)靶球，儀器及標(biāo)靶架設(shè)位置見圖1。

通過以上實(shí)驗數(shù)據(jù)并結(jié)合《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》，可以得出的結(jié)論是：Leica Scanstation C10三維激光掃描儀至少在掃描范圍50m內(nèi)，測距精度存在約3mm的系統(tǒng)誤差；測角的精度根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得出儀器水平角系統(tǒng)誤差為。實(shí)驗測區(qū)三維模型的建立，在對目標(biāo)實(shí)體掃描時，距離均在50m范圍以內(nèi)，作為建模的精度來說，徠卡Scanstation C10掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度是可信可用的，完全做到模型可量可測，并可以進(jìn)行其他相關(guān)應(yīng)用。

3 結(jié)論

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

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