三维激光扫描技术及其误差影响因素分析

[摘要] 本文在阐述了三维激光扫描技术的测量原理及其扫描特点的基础上，进一步分析了其测量误差的影响因素，以供参考。

[关键字] 三维激光 扫描技术 误差 影响因素

[中图分类号]P24[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-276-10引言

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术的新突破。它以高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。能够快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。具有快速性，不接触性，穿透性，动态、实时、主动性，高精度、高密度，自动化、数字化等特性。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

1 三维激光扫描仪的测量原理

三维激光扫描仪是在激光的相干性、方向性、单色性和高亮度等特性基础上，同时注重操作简便和测量速度，从而保证测量的综合精度，测量原理主要为有测距、扫描、测角、定向四方面。

应用扫瞄技术来测量工件尺寸及形状等原理来工作。主要应用于逆向工程，负责曲面抄数，工件三维测量，针对现有三维实物在无技术文档情况下，可快速测得物体轮廓集合数据，加以建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。

2 快速扫描技术特点

快速扫描是扫描仪诞生的概念，常规测量中，对每一点测量花费时间在2-5秒，而有时对一点的坐标进行测量更达到几分钟的时间，当下对于此测量速度已经十分落后了，而改变了这一现状的正是由于三维激光扫描仪的诞生，脉冲扫描仪（scanstation2）最快速度可达到每秒50000点，而相位式扫描仪Surphaser最高速度已超120万点每秒，这种扫描技术是对物体详细描述的基本保证，深入测量的领域包括古文体，工厂管道，隧道，地形等。

无臂式手持3D扫描系统和双摄像头传感器形成了一个独特的组合，确保在实验室和工作场所能生成最精确的测量值。这一完备且功能强大的检测方案提高了测量过程的可靠性、速度和多功能性。在铰接臂方面与其他3D扫描仪相比较，光学3D扫描系统可以完全自由移动，显著提高了工作效率和质量。

3 关于径向三维激光扫描仪的测量误差分析

通过公式改正或修正系统予以消除或减小测量系统的偶然性误差是一些随机性误差的综合体现。由误差理论来分析，径向扫描系统测量误差分为偶然误差、系统误差以及系统误差引起三维激光扫描点的坐标偏差。

影响三维激光脚点测量误差的因素比较多，总的来说有仪器误差、外界环境条件、与目标物体反射面有关的误差这三类。仪器本身性能缺陷造成的测量误差是仪器误差，包括激光测距的误差、扫描角度测量的误差；温度、气压等是影响外界环境条件主要因素；而目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响是对与目标物体反射面有关的误差的主要影响因素。

3.1 关于扫描角测量的误差。竖直扫描角度以及水平扫描角度测量是影响扫描角的测量误差。而对于扫描镜的镜面平面角误差、扫描电机的非均匀转动控制误差、扫描镜转动的微小震动等因素是对引起扫描角度误差的综合反映。关于扫描角测量精度是相对高的，如徕卡的HDS2500扫描角测量精度可达±0.5″。

3.2 关于激光测距的误差。对于激光测距信号，处理的各环节都会带来一定程度上的误差，测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差和扫描仪脉冲计时的系统误差是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理时引起的主要误差。测距的凸角误差与脉冲计时的系统误差造成循环、混淆现象相类似，而造成数据突变更可能是测距技术中不确定间隔的缺陷，这些突变的误差可通过技术（如频率倍乘、微调作用）处理。测距中的固定误差和比例误差是激光测距误差综合体现，对测距误差的大小可运用仪器检定来确定。

3.3 关于温度、气压等外界环境条件的影响。扫描过程中风的震动、温度变化对精密机械结构关系的细微影响、激光在空气中传播的方向等因素是温度、气压等外界环境条件对激光扫描影响的主要体现。而对三维激光扫描数据影响较大的还有恶劣的外界环境条件。测距误差或扫描角误差是径向三维激光扫描仪测量误差的主要来源。由于测距误差包含固定误差和比例误差两部分，其影响具有一定的规律性。如HDS2500仪器的测距误差在50m以内为6mm，超过50m 后仪器测距误差随距离线性增加，在200m时达到42mm。 扫描角的误差是一种与距离有关的误差，扫描角误差对扫描点的影响随距离增大而增大。

3.4 关于目标物体反射面倾斜的影响。在扫描测距系统中，激光接收器和激光发射头两部分组成激光测距单元。 而决定激光光束起始直径的大小是用于激光发射和接收窗口的孔径直径，这直径一般小于2cm。扫描到目标物体表面形成激光脚点光斑的原因是激光发射和接收共用一条光路，且激光光束具有一定发散角。

3.5 关于目标物体反射表面粗糙程度的影响。三维激光扫描点云的精度和物体表面粗糙程度有密切关系。首次或最后反射回来的回波信号只能被某些三维激光扫描系统处理，但也有三维激光扫描系统能综合处理首次和最后反射回来的回波信号。这些都体现三维激光回波信号具有多值性特点。下面以处理首次反射回来激光回波信号为例（如图1所示），目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的偏差dS1 接近于物体表面粗糙极值max 的1/2。

4 结语

三维激光扫描仪的仪器设备及测量误差的研究目前还是不够完善，在这方面还需要相关的工作人员继续努力去完善，从而使其测量精度进一步提高。

参考文献

[1]廖志锋；逆向工程中数据测量的误差分析[J]；才智；2011年14期.

[2]王玉鹏；卢小平；葛晓天；卢遥；宋碧波；地面三维激光扫描点位精度评定[J]；测绘通报；2011年04期.