三維激光掃描數(shù)據(jù)精度影響因素分析及控制措施

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【摘要】三維激光掃描技術(shù)以其優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢，一經(jīng)面世，便受到各行各業(yè)的推崇.在實(shí)際工作中，筆者發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在測量方面存在一些影響定位的精度準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，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(guān)工作的測量人員提供有益的參考和借鑒.【期刊名稱】《城市勘測》【年(卷)，期】2016(000)002【總頁數(shù)】4頁(P93-96)【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;數(shù)據(jù)精度;影響因素;控制措施【作者】丁建勛;馬德富流俊【作者單位】珠海市測繪院廣東珠海519015;珠海市測繪院廣東珠海519015;北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101【正文語種】中文【中圖分類】P234.4三維激光掃描技術(shù)，是通過無合作目標(biāo)激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測量系統(tǒng)，是通過高速激光掃描測量的方法，在復(fù)雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進(jìn)行快速掃描測量，以獲取目標(biāo)的線、面、體、空間等三維實(shí)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行高精度的三維逆向建模。三維激光掃描技術(shù)以其優(yōu)異的技術(shù)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(lǐng)域中的變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑和文物保護(hù)、斷面和體積測量等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。然而，在實(shí)際工作中，作者發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在測量方面存在一些影響定位的精度準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，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。2.1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(gòu)成。其中，激光光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行是在水平方向與垂直方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)方向容易產(chǎn)生測量結(jié)果偏差。光學(xué)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(dāng)掃描器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會發(fā)生細(xì)小的震動(dòng)，同時(shí)掃描電機(jī)也會發(fā)生不規(guī)則的扭動(dòng)，這些細(xì)小的運(yùn)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(guān)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(gòu)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(biāo)，在計(jì)算被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)時(shí)，需要根據(jù)水平方向和垂直方向兩方面的角度值計(jì)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(biāo)測量結(jié)果的影響分布，如圖1所示。圖1中的P點(diǎn)為一個(gè)目標(biāo)待測點(diǎn)，測量時(shí)，激光光斑的大小和聚焦性會影響到結(jié)果，其實(shí)測點(diǎn)為P'點(diǎn)，水平角的影響為△中，垂直角的影響輜=。槌，若忽略對測距的影響，則實(shí)測的坐標(biāo)值為：設(shè)掃描距離r=10m，角度中=27。，。=15。，激光性質(zhì)對測角的影響△^=△0=0.002°，則可求得坐標(biāo)差值：通過以上分析可看出，激光性質(zhì)對點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取質(zhì)量有著重大影響。2.2被測目標(biāo)自身特性的影響分析（1）被測目標(biāo)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(dāng)物體受到激光的照射時(shí)，感應(yīng)到不同界面的物體結(jié)構(gòu)，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(dāng)受到激光光束的照射時(shí)，就會出現(xiàn)較強(qiáng)的鏡面反射，反射光強(qiáng)會引起測量報(bào)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(diǎn)會根據(jù)空間分布的差別而發(fā)生變化，此時(shí)就會導(dǎo)致接收透鏡在單位時(shí)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(dǎo)致測量結(jié)果發(fā)生變化。（3）邊緣效應(yīng)盡管使用聚焦能力較強(qiáng)的掃描儀進(jìn)行掃描，但在激光焦點(diǎn)也會有一定大小的光斑，在測量距離時(shí)，影響因素主要在于反射能量的大小。不同目標(biāo)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(biāo)，這兩種反射能量盡管分布不均，但一樣能夠感應(yīng)到接收系統(tǒng)，這樣的效應(yīng)相當(dāng)于GPS多路徑效應(yīng)，從而導(dǎo)致了結(jié)果的誤差。另一方面，光斑能量接近測量目標(biāo)，目標(biāo)邊緣的背景已經(jīng)大于有效范圍內(nèi)的目標(biāo)，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(xué)元件會受到外部環(huán)境的影響，使得元件的夕卜殼發(fā)生尺寸變化，如伸縮、變形等；同時(shí)，溫度、濕度導(dǎo)致空氣折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致激光束彎曲，從而影響測量；使用全站儀進(jìn)行測量時(shí)，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(fēng)產(chǎn)生震動(dòng)，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(gòu)造十分精密，溫度的變化對儀器的影響較大。當(dāng)溫度較低時(shí)，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(fēng)沙、雪霧天氣，則會使掃描的點(diǎn)位數(shù)據(jù)噪聲放大，導(dǎo)致點(diǎn)位測量的偏差，對掃描儀的安全性也產(chǎn)生了影響。3.1理論模型本對比實(shí)驗(yàn)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(jìn)行比較分析，以此檢驗(yàn)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(biāo)測量上有明顯的優(yōu)勢，其準(zhǔn)確度可達(dá)mm級以上的精度。因此，在實(shí)驗(yàn)中使用電子全站儀對坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)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(yàn)出三維激光掃描儀的準(zhǔn)確性。在對比時(shí)采用了以下步驟:首先，布置適量的靶標(biāo)，使用全站儀對這些靶標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)的測量；然后使用掃描儀再次測量，分別提取坐標(biāo)值x、y、z。通過空間相似變換公式計(jì)算：對兩者的坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中，R為兩坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。另外，需要計(jì)算出變換參數(shù)R和T,取3個(gè)以上的靶標(biāo)的2套坐標(biāo)值，通過空間相似變換式（3）求值；在R的參數(shù)下，將靶標(biāo)點(diǎn)的掃描坐標(biāo)與全站儀的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后依次進(jìn)行坐標(biāo)的比較，最后判斷點(diǎn)位的數(shù)據(jù)測量質(zhì)量。以下為掃描點(diǎn)在三個(gè)軸向的誤差：式中：（x',y,z‘）為經(jīng)過R、T變換后掃描點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。若測量的點(diǎn)位不可計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)較大，則點(diǎn)位中誤差為：式中:京，頸，5分別表示第i個(gè)掃描點(diǎn)3個(gè)軸向的誤差（i=1,2,...,n）。兩者的坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中，R為兩坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。需要計(jì)算出變換參數(shù)R和T,取3個(gè)以上的靶標(biāo)的2套坐標(biāo)值，通過空間相似變換式（3）求值；在R的參數(shù)下，將靶標(biāo)點(diǎn)的掃描坐標(biāo)與全站儀的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后依次進(jìn)行坐標(biāo)的比較，最后判斷點(diǎn)位的數(shù)據(jù)測量質(zhì)量。3.2實(shí)驗(yàn)過程在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇一個(gè)墻面，在上面隨機(jī)布置一定數(shù)量的靶標(biāo)，用FaroFocus3D掃描儀精細(xì)化掃描靶標(biāo)所處區(qū)域；然后將掃描結(jié)果導(dǎo)入FaroScene軟件進(jìn)行處理，在軟件中得出靶標(biāo)的中線坐標(biāo)點(diǎn)。接著使用全站儀在單獨(dú)的坐標(biāo)系下測量出靶標(biāo)的中線點(diǎn)坐標(biāo)值，具體的靶標(biāo)的掃描坐標(biāo)成果與全站儀實(shí)測坐標(biāo)成果如表1所示。靶標(biāo)的掃描坐標(biāo)成果與全站儀實(shí)測坐標(biāo)成果表1選取14號~16號3個(gè)平面靶標(biāo)數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式（3）進(jìn)行計(jì)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(jì)算出掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至全站儀坐標(biāo)系下的變換參數(shù)為：將其余的13個(gè)靶標(biāo)數(shù)據(jù)作為對比分析點(diǎn)，利用變換參數(shù)R、T將其掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至全站儀坐標(biāo)系下，并與全站儀實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行對比，轉(zhuǎn)換后的靶標(biāo)掃描坐標(biāo)與全站儀實(shí)測坐標(biāo)的差值，具體情況如表2所示。同時(shí)，可根據(jù)式（5），計(jì)算出各軸向誤差及點(diǎn)位中誤差。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(biāo)坐標(biāo)與全站儀實(shí)測坐標(biāo)的差值（牧廣丫，立），最大相差2.6mm，最小相差0.3mm，均在3.0mm以內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證了兩者觀測結(jié)果的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)的靶標(biāo)測量時(shí)，三維激光掃描數(shù)據(jù)的精確度可達(dá)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(yàn)只選取單站進(jìn)行統(tǒng)一平面目標(biāo)的掃描情況分析，還需要進(jìn)一步擴(kuò)展在多站甚至更為復(fù)雜的物體進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)[2],從而更加深入地了解掃描儀的精確度。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(yàn)，并結(jié)合實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為提高三維激光掃描精度的措施主要包括以下幾個(gè)方面：通過三維激光掃描儀器參數(shù)的合理設(shè)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(yuǎn)近，設(shè)置合理的掃描分辨率和質(zhì)量參數(shù)。當(dāng)被測物體只需掃描一部分時(shí)，應(yīng)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。通過合理設(shè)置參考標(biāo)靶提高掃描數(shù)據(jù)的在設(shè)置參考標(biāo)靶時(shí)，如果通過標(biāo)靶球進(jìn)行測站拼接，則兩個(gè)測站間重疊標(biāo)靶球個(gè)數(shù)不能少于3個(gè)。如果條件允許，可適當(dāng)增加重疊標(biāo)靶球個(gè)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(biāo)靶球擺放的場景盡量大—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(diǎn)進(jìn)行匹配，應(yīng)在位置明顯處設(shè)點(diǎn)，且避免在同一平面上。通過避開不利的夕卜界環(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(shí)候，應(yīng)盡量避開陽光等強(qiáng)光源直射，在粉塵多的時(shí)段不進(jìn)行掃描和濕度較大的時(shí)段不進(jìn)行掃描。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(yīng)用前景。在對目標(biāo)物體進(jìn)行測量時(shí)，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(shí)際運(yùn)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(zhǔn)確?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[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(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013(