地面激光扫描仪的精度影响因素分析

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地面激光扫描仪的精度影响因素分析：罗德安

廖丽琼

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地面激光扫描仪的精度影响因素分析六罗德安廖丽琼(北京建筑工程学院测量工程系，北京 10 4 ) 0 04

An lsso c a y I fu n i lFa t r fTe r sra s r S a n r ay i n Ac ur c n e t co so r e tilLa e c n e s l aL o De n Lio Li i n u a a qo g

摘

要

尽管地面三维激光扫描技术正被越来越多地应用于多个领域，对其测量数据的精度评但

定，至今尚缺乏必要的理论及方法支持。从分析直接测量数据出发，对该类测量仪器误差的主要来源及其对测量数据的影响情况进行了详细分析，建了地面三维激光扫描仪单个扫描点测量数据的精度评构价模型。该模型为基于地面三维激光扫描仪高精度测量项目(变形监测 )测量成果精度评定，如的以及测量方案的优化设计提供了所必需的理论基础。 关键词地面激光扫描仪误差变形监测

地面激光扫描仪 ( ersi ae cne。称 T r ta LsrSanr简 e rl

尽管如此，国内外相关领域内的学者已经做了大

T S小型便捷、 L)精确高效、安全稳定、可操作性强，能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立

量的理论研究和相关的试验工作。从已有的研究结果来看，地面激光扫描仪并不像生产厂家所宣传的那样，具有良好的精度及稳定性，以及广泛的适应性。事实

体模型并提供准确的定量分析。鉴于其良好的技术特性，已逐步被应用于各相关领域，如快速建立局部城市三维模型、筑测量与文物保护、向工程应用、古建逆复杂建筑物施工、质研究、筑物形变监测等多个领地建

上，目前几乎所有的地面激光扫描仪器，其标称精度和试验结果都存在较大的差异。这一方面跟测量仪器的工作方式不同、测量对象不同和测量环境差异等因素有关，另一方面也可以认为其标称精度仅代表特定条件下的实验室结果，个别可能还含有部分夸大成分。鉴于 T S测量成果精度评定本身的复杂性，文 L本将根据目前已有的研究成果和本人在这一领域的一些研究成果，面概括影响 T S测量成果精

度的因素及全 L

域。随着仪器价格的逐步降低，以及仪器厂商的大力宣传和推广，来越多的机构已经采用或打算采用越T S来完成测量工作。 L 任何一项测量工作，测量结果必须满足特定工其

程的具体精度需求，如果所采用的测量仪器及数据处理方法不能产生预期的测量结果，就是说，其测量结果不能满足具体工程的精度要求，那么，所进行的}量工贝 4作是无效的，获得的测量结果也是不可信的。地面其三维激光扫描技术作为一项全新的测量技术，其相与关的仪器精度评定、量成果的精度评定、差理论及测误误差模型的研究，测量方法的研究等，还在探索以及都过程中。到目前为止， T S仪器的检验校正和测量对 L

其影响，并建立 T S L单个测量点的误差模型及其精度评定模型。

1 T S数据采集工作原理 LT S是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪 L

器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。 仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成 C D数字摄影和仪器内部校正等系统。其工作 C原理是：扫描仪对目标发射激光，据激光发射和返回根的时间差，计算出相应被测点与扫描仪的距离，跟据再水平向和垂直向的步进角距值，实时计算出被测点可的三维坐标 (图 1示 )并将其送入存储设备予以如所，

成果精度评定，还没有形成成熟的、通用的方法体系及评价理论体系。收稿日期：0 7— 5~2 20 0 2

第一作者简介：罗德安 (9 8 )男，0 2年毕业于西南交通大学工程 16一， 20测量专业，工学博士，副教授。 ★基金项目：北京市自然科学基金资助项目(编号：0 32 ) 86 0 7。北京市教育委员会科技发展计划项目(编号： M 0 6 0 10 9。 K 20 1 6 0 ) 0

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20 0 7年第 4期

记录储存，经过相应软件的简单处理，即可提供被测对象的三维几何模型。Z

这和一般的电磁波测距工作原理相同。与电磁波测距类似，完成测距的各个环节都会带来一定的误差，这些误差也可以分为固定误差和比例误差两部分。 2 3分辨率

.分辨率表征了仪器探测目标的最高解析能力。这

里涉及两个基本的参数，即相邻采样点间的最小角度间距和一定距离上光斑的最小尺寸。这两个参数直接

决定了激光光斑的尺寸和光斑的点间距，对模型的构建精度有着直接的影响。图 1基于仪器坐标系的点云坐标

2 4边缘效应 .不管扫描仪的聚焦能力有多高，激光脚点的光斑

事实上，L T S所得到的原始观测数据主要包括 4

都具有一定的大小，而距离测量依赖于光斑范围内的反射能量。这样就会出现两种所谓的边缘效应：一种是在不同目标的交界处，出现光斑的一部分在测量会

种： J①根据 2个连续转动用来反射脉冲激光镜的角度值得到激光束水平方向值和竖直方向值；②根据脉冲激光传播时间而计算得到的仪器到扫描点距离值； ③扫描点的反射强度；④通过内置数码相机获取的场景影像数据等。前 2种数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫描点的反射强度和场景影响数据则用来给反射点匹配颜色或给模型映射纹理。

目标内，另一部分在相邻的目标内，两部分的反射能量都能到达接受系统，造成类似于 G S P多路径效应的效果，从而使测量结果产生系统性偏差；另一种是目标边缘的背景是天空或是其他已超出了距离测量有效测程的目标，光斑部分在测量目标内，同时也只有这部分的光斑能量能返回测距接受系统，其他能量将不能返回， 造成激光测距的盲点，即无法获得该边缘点的测量

2影响 T S精度的因素分析 LT S提供的最原始信息是利用仪器厂家提供的随 L机商用软件获得的基于仪器坐标系的三维坐标数据。

信息。

2 5反射特性 .激光测距依赖于来自目的反射激光能量。在任标何情况下，反射信号的强度都将受到物体反射特性的影响。由于物体表面反射特性的差异，将导致激光测距产生一定的系统性偏差。一般情况下，物体的反射特性受到物体的材质、表面色彩 (光谱特性 )及粗糙度的影响。对某些材质的目标，由反射特性导致的系统性误差甚至会高出正常激光测距标准差的若干倍。

这些原始数据是大量悬浮在空中没有属性的离散点阵数据，常称之为“云”通点。这些点云数据往往包含了

大量的粗差和系统误差，不能直接被使用，必须经过一系列的

数据处理之后，能用于实际的工程。T S测才 L量成果的精度主要受到仪器的角度测量精度、离测距

量精度、分辨率、边缘效应、测量对象的反射特性、环境条件及后期的数据处理方法等因素的综合影响。就原

始数据本身来说，角度测量精度和距离测量精度是影响测量成果精度的两个主要因素。

2 6环境条件 .和其他测距仪器一样，L T S还将受到温度和气压的影响。T S只能正常工作在一定的温度范围，出 L超

2 1角度测量 .如前所述，水平向和垂直向角度是扫描仪直接获得的两个基本观测量，误差将直接影响所获得的点其云坐标精度。尽管目前扫描仪的角度测量精度已经能够达到亚秒级，由于仪器的制造误差或性能限制但 (如步进电机转动的不均匀、器的微小振动及读数仪

这个范围，引起系统性的误差。温度和气压还会造将

成光传播速度的改变，由于其对近距离影响较小，但通常被忽略掉了。

3 T S单个扫描点的误差模型 LT S单个扫描点的精度受到测角精度、距精度 L测

误差等)使得角度观测量中仍然包含一定量的系统，性误差。

2 2距离测量 .T S的距离测量是通过测量激光脉冲从发射出去 L到接受回来的时间，后按照相应公式来计算距离。然

及其他一些因素的综合影响。而 3 D模型的精度则主要取决于激光脚点光斑的大小和采样间距。激光脚点光斑的大小和采样间距对于仪器来说是可以调整的， 其模型精度也会随选取的标准不同而有所不同，不具

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有一致性。所以，这里对构建 3 D模型的精度影响情况不予讨论，只讨论 T S单个扫描点的误差影响因而 L素及其影响情况。

面倾斜 )所产生的误差 (图 3必须予以适当的考虑。如 ) 郑德华在文献[]已对该问题做了较详细的论述， 4中 并给出了相应的公式S ds= .1一 .=一 . s s——

3 1角度误差模型 .由于激光光柱具有一定的尺寸，光脚点具有一激定的大小，理论上认为， L T S所获得的观测量 (角度和

××a三 y t善 n——— ———

() 2

距离)应该是激光光柱中心轴线投射到目标上位置所

对应的读数，但事实上并非如此。T S L测量是根据第一

次回波来确定角度和距离观测值的。通常情况下， 的任何位置，必然导致一定量的偏离中心轴线的系这

捕获到的首次能量反射可以来自激光脚点光斑范围内统误差。如图 2所示，约定激光脚点为一直径为 d的圆，虑最大偏离中心轴线情况，夹角为，用弧考设值.

,

度表示，则有=。对于另一个方向的角度影响情 L】

况，设夹角为， 与此类似，同理可得= 詈。图 3目标反射面倾斜所产生的误差

T S测距误差至少应包含以下 3部分误差： L约定Pf

距离测量误差为 m,离测量系统误差 (固有误差 距含

和比例误差 ) m为m

,离测量的随机误差为距

,由于入射激光和目标表面不正交 (目标反即

\\y

射面倾斜 )产生的误差 (过式 ( )算获取 )所通 2计为 m 则 T S距离观测误差可表达为 Lm s=

￣ m蹦 )+ m。 (s ) 3/ s (s d)+ ml () (

图 2观测点偏离中心轴线引起的角度误差

3 3点位误差模型 .由图 1可知，激光脚点在仪器坐标系中的坐标 P(,,可以表示为 l z),=

如前所述，这种实际观测点偏离中心轴线的误差

存在不确定性，通常和观测对象的光谱特征、表面粗糙度及表面法线与入射激光所形成的夹角有关。此外，仪器本身具有一定的系统误差和测角误差。T S角度 L

. 0 0 o、 s sc s c

Y=S o0i xI c ssm z: S i sn

() 4

误差至少应包含以下 3部分误差：定角度测量误差约为m, 角度测量系统误差为 m ,角度测量的随机误

J

差为 m

,由于激光光柱宽度引起的偏离中心轴线

如果已知距离及角度测量误差，根据误差传播定律，以方便地计算出激光脚点的点位误差。约定距可离误差为 m,角度误差分别为 m和 m,有 则m =

误差 (通过式 ( ) 1计算获取 ) m w, T S角度为 i则 L观测误差可表达如下m A=

￣( )/m+( r。) ma+( Bmi ) 1 n d m

ewI ( ) ad h

其中，

3 2距离误差模型 .由前面的分析可知， L T S距离测量误差主要包含系统性误差 (含固有误差和比例误差 )随机误差包和

M x=￣(o cs) s+(sOo )i+ So s a i/cs o Snc a日 (c O n)n 0am i s n si

M=￣ y=

) s+ s口 i+ ss0 ) 2 (is )日 ( 0c m s i c口鲫 i nn n n() 5

两项。此外，L距也是以第一次俘获到足够反射 T S测能量来确定测量值的，而反射能量在很大程度上和目标表面特性及表面法线与入射激光所成的夹角相关。 所以，由于入射激光和目标表面不正交 (目标反射即

根据上述误差模型，即可对测站内某些最弱点( T S视窗边缘点 )行精度估计，而决定其取如 L进从

舍。对于高精度的 T S L测量(如变形监测 )尤其显得，

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2 0年第 4期 07

GP S网中已知国家点可靠性判定吴杭舜(铁道第五勘察设计院，北京 120 ) 0 60

Dee m i a i n l b l y o o o nd Pon si t r n tn o Rei i t fKn wn Gr u i t n GPS n t r a i ewo kW u Ha g h n n su

摘

要对 G S测量 WG一 4地心坐标转换至我国常用地面参心坐标系的方法进行了论述， P S 8介

绍了目前常用的判定地面已知点的方法和国内学者讨论的方法，探讨了这些方法的实用性。提出了在平面坐标系中，用与 i点相关的转换尺度因子的平均值作为统计量进行 M假设检验，以判定 i点可靠性的方法。

关键词

G S网地面网地面已知点 P

尺度因子

G S测量的成果为 WG一8 P S 4坐标系坐标，而我国的测量成果为 1 8 9 0西安坐标系成果 ( 15或 9 4年北京

点)将地面平面已知点的坐标作为约束条件， G S,把 P网观测成果强制附合到 18 90西安坐标系中。G S网 P转换中地面平面已知点自身的可靠性，直接影响将

坐标系 )因此，工程领域，多需要将 G S的 WG ,在大 P S一

8 4坐标成果转换成 18 90西安坐标系成果 ( 15或 94

G S网最终成

果的可靠性， P如地面平面已知点存在较大的误差或粗差，必然会歪曲高精度的 G S测量成果 P而使其失去应用价值。本文提出一种合理量化的 G S P网转换中地面平面已知点可靠性的判定方法，于提对

年北京坐标系)。常用的转换方法是利用 G S网联测 P

的国家等级平面控制点 (即地面平面已知点或三角收稿日期：0 7— 4— 3 20 0 2

作者简介：吴杭舜( 9 O )男，9 1年毕业于西南交通大学航空摄影 17一， 19测量专业，高级工程师，工程硕士。

高勘测资料质量和工作效率，有其深远的意义。

重要，可以在测量后数据处理中根据最弱点精度不但

基础。

来做出采样点的适当取舍，而且可以在项目测量设计书里根据预期要达到的精度、器视窗的大小及最弱仪点坐标精度估算，确选择测量方案 (括测站的选正包择，重叠度的配置及其他一些相关的技术设计细节 )。

参

考

文

献

【] Hus g 1 in,E.J,ad Pri, L M.G r￣ ad acrc s i . n ee a . r .E o n cuayet imae fl s rd t c ui d b a iu a e c n i g s se rtp ts o a e aa a q r y v ro sl rs a n n y t msf o o e s o

gahcapia osJ .IP SJ h t rmm. 02 5 ( ) 2 5 rp i pl t n【] S R .P oo a ci g,20, 3 5: 4—

2 61

4结束语T S具有效率高、 L全覆盖、真三维测量等优良的技术特性，有着良好的应用前景。从其技术特性来看，不仅可以用于房屋建筑、路、梁、坝等地形测绘及公桥大变形监测等领域，且可以于工业测量、物保护、而文

【] Lct .D. tw r 2 ih,D i,Se at,M. . skr P,Ta i,M. nw . airtn i,S o,A JC l ai b o a dtsn f reta e c nrJ.It rh f htga - n t go t rsila rsa e【] n A c o P o rm ei ae r l s n o me yadR mo esn,0 0 3 ( )4 5— 9 t e t S nig2 0,35:8 4 2 rn e【] Cak . osn .A

crc f au metmaewt C R X 3 l,J,R bo,S cu yo s r ns d i Y A r a me e h 2 0 e sa nr gis sr cs f nw o u【] h t n 50l r c e ant uf e o o ncl rJ .T eI e a s a n a a k o nri M c ie f P oo r mmer . Re t e sn d S a M r 0. t n Ar h v so h tg a o ty moe S n i g a p t I f r n i l

mai n c e c s 0 4 to S in e,2 0,Vo L XXXV,Co mmiso W, Pa t 4,P sin r B P. 13 0 1— 1 3 07

C D设计与动画制作等领域。本文全面而系统地阐 A述了影响 T S测量成果精度的各种因素，构建了 L并

【]郑德华， 4沈云中，刘

春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素

TS L单点测量数据精度估算模型，该模型为基于 T S L的高精度测量项目(变形监测 )如的测量成果精度评定，以及测量方案的优化设计提供了所必需的理论

分析【]测绘工程，0 5 1 () 3 3 J. 2 0,4 2:2— 5[】廖丽琼， 5罗德安地面激光雷达的数据处理及其精度分析【]四 J.川测绘，0 4 2 ( ) 13—15 2 0,7 4:5 5

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1l31.html