三维激光扫描仪测量精度的室内准确性评价

摘要：在民用建筑监测中变形监测至关重要。三维激光扫描仪拥有一定能力去监测一些难以预料的变形，而这种变形是传统测量仪器（如全站仪和水准仪）所不能检测到的。三维激光扫描仪可以提供用于显示单点测量准确性的专门数据表，而且这个数据表可以被用于提高点云数据拟合表面的质量。本文将使用一个程序去检测拟合表面技术所能达到的真实精度。这个程序是使用一个精密马达去驱动一个铝盘，而这个铝盘的转动量可以被大地测量仪器所识别。它的精度可以按马达固有的数值和大地测量仪器提供的数值的差值进行计算。在本实验中，采用Riegl LMS Z3901i型激光扫描仪和徕卡TCR 1102型全站仪进行对比验证。在两次试验中得到了精度相差小于1mm的相似结果。这个试验证明Riegl型激光扫描仪可以检测出小变形，并可以用于民用建筑物变形监测。在单点测量试验中，可以证明激光扫描仪提供的数据精度大约为6mm。

关键词：变形三维激光扫描仪 精度检测

Abstract: Deformation monitoring is critical for the inspection of civil engineering structures. Three-dimensional laser-scanning systems can provide the ability to control unexpected deformations that cannot be monitored with traditional topographic instruments, such as total stations or levels. Technical datasheets provided by laser manufacturers typically give the accuracy of single-point measurements, but these specifications can be improved using surface-fitting of the data points. In this study, a procedure is used to detect the true accuracy that can be achieved using surface-fitting techniques. The procedure uses a precision actuator that moves an aluminium plate whose shift can be measured by the geodetic instrumentation. Accuracy is calculated as the difference between the values given by the actuator and the values from the geodetic instruments. The procedure is tested using a laser scanner, Riegl LMS Z390i and a total station, Leica TCR 1102. Similar results are obtained in both cases and accuracies are less than 1 mm. The results confirm that this Riegl system can be used to detect small deformations and can be applied to monitor civil engineering structures. The single point measurements confirm the data provided by the laser scanner manufacturer with an accuracy of approximately 6 mm.

Keywords: deformationLiDARaccuracydetect

中图分类号：TK01+2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

1 引言

最近十年，用于测绘的非接触式技术得到了飞速的发展。尤其是三维激光扫描仪和近景摄影测量技术。这两种技术都提供mm级精度的成千上万的覆盖建筑物表面的点云数据。这些技术弥补了传统的测量方法在工民建应用中的不足。从某种意义上说，地面三维激光扫描仪使用方便，获取数据速度快[1]。它可以获取一个物体全部几何模型。在无参考点情况下，可以离散化一个对象[2]。这将使它能够监测到一些难以预料的变形。

激光扫描仪获得的单点精度低于全站仪，仅达到5~10mm的精度[3]；这种精度在监测微小变形时是不足的。然而，需要提及的是它拟合的物体表面的平均精度却很高。有一些学者称模型化后地面三维激光扫描仪点云数据可以获得高于单点坐标精度20倍的精度[4-5]。这种结果与传统测量方法获得精度相当，这也意味着这个系统可以用于工民建变形监测。

在这个实验中，用高精度电子马达作为替代，在野外数据获取之前，运用室内程序去预估变形监测精度。这个程序目的是为仪器选择和仪器校准提供信息支持。结果通过与TCR1102全站仪提供的结果进行对比，这个程序可以用于Riegl LMS Z390i系列地面激光扫描仪检校。

2实验

这个实验程序主要是用于评估激光扫描仪系统精度，他包括三个部分：实验设备、数据获取和数据处理。其中全站仪和激光扫描仪被用于完成几何信息获取，马达驱动装置被用于驱动度盘获得精密位移以模仿小变形。试验中从不同测距进行测量。图1是系统的示意图。

图1 实验安排

实验设备主要包括一个电子马达，它产生标靶平面的高精度变化。精密直角被用于将铝盘固定在马达上，这个铝盘的尺寸为100*100*2mm，可以很轻易被激光扫描仪和全站仪所识别测量。整个系统被固定在一个三脚架上。

在实验中，测距被大致分为10、25和50m三种，对于每种测距的马达替代为0.1、0.3、0.6、1.0、3.0、6.0、10.0、20.0和30.0mm。这些分布最大分辨率为0.1mm（0-1mm），1mm（1-10mm）和不同间隔（10-30mm），运用不同组合再次实验。最终，可以组合成42种不同的组合替代。其中，最大被限制为30.0mm，因为在工民建上发现的最大变形为30.0mm。另外，显而易见超过30.0mm的变形可以很轻易被激光扫描仪所发现。

图2 试验设备

图3Riegl LMS Z-390i型地面激光扫描仪图4徕卡TCR1102型全站仪

3结果和讨论

3.1数据采集

首先设置好三个激光扫描仪的采集点，然后获得全景数据。这种模式目的是找出目标物体在空间的位置。它在1分29秒时间里，以垂直和水平方向角步距0.2度间隔，采集到了713261个点。图5显示了用Riegl LMS Z-390i在全景模式下扫描。