浅谈地面三维激光扫描仪误差

摘要：地面三维激光扫描技术是20世纪90年展起来的一种快速获取目标的空间三维坐标信息的技术手段，被称为继GPS技术后的测绘技术的又一次变革。由于地面三维激光问世较晚，结构复杂且与传统的测绘仪器相差较大因此有必要对仪器的各种误差进行系统的分析。

关键词: 三维激光扫描、误差来源、精度

中图分类号：O343.2文献标识码： A 文章编号：

一、引言

地面三维激光扫描技术是继GPS技术后测绘领域的又一次革命，传统的单点测量已无法满足现代测绘对目标真实情况反映的要求，而三维激光扫描技术以其非接触性、高效率、高精度、主动性的优点被不断应用到更多的领域之中。

二、地面三维激光扫描仪的原理

从工作方式上地面三维激光扫描仪可以看做一台高速运转的自动测角、测距的无棱镜全站仪[1]。一般包括扫描仪、控制系统和供电系统。扫描系统主要包括激光测距系统、激光测角系统、仪器内部控制校正系统和CCD相机。三维激光扫描仪通过仪器内部伺服马达系统精密控制反射棱镜的快速转动，发射并接收物体反射的激光脉冲，测量每个激光脉冲传播的时间（或相位差）并以此来计算扫描仪到被测目标的距离，同时角度编码器记录扫描瞬时的水平角、垂直角、目标的反射强度信息I。由测得的水平角、垂直角和距离根据公式（2.1）就可计算出目标点的空间三维坐标(X,Y,Z)[2]。

图2.1地面三维激光扫描仪原理

(2.1)

三、地面三维激光扫描仪的误差

与其他测量仪器相同，受扫描仪器本身构造缺陷、外界环境等其他各种因素的影响，地面三维激光扫描仪在扫描作业的过程中不可避免的存在误差。

根据误差的来源不同可将地面三维激光扫描仪误差分为4类：与仪器相关的误差、与被测物体有关的误差、与操作有关的误差以及与环境因有关的误差。

1、与仪器相关的误差：该误差主要是由于仪器本身的性能缺陷造成的，主要包括激光测距误差，测角误差。激光测距信号处理的各个环节都会带来一定误差，主要是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理引起的误差。测距误差的综合体现为测距中的固定误差和比例误差，可以通过仪器校检来确定它们的大小；测角误差主要有水平角测角误差和竖直角测量误差，该误差主要是因为扫描镜的微小震动、伺服马达的不均匀转动等综合因素引起的。

2、与被测物体有关的误差：由于地面三维激光扫描仪需要接收被测物体反射的激光信号来计算坐标。因此，目标表面的反射特性对观测结果有很大影响。不同距离、颜色、材质、粗糙度以及不同倾斜角度的物体反射率都不相同。距离的远近影响时接收到的反射信号强度，距离越近信号越强，反之，信号越弱；不同颜色的光谱特性也不相同，对激光的吸收和反射强度都不相同，一般情况下，浅色物体的反射率大，深色物体的反射率小；目标表面粗糙时能产生更多的漫反射从而有更多的信号返回；当物体倾斜时，物体表面切平面法向量与激光束方向不重合，导致激光光束返回不能被完全接收，对测距、测角都有影响[3]。因此，要根据测量目标的不同合理设置测站的位置，以减小测量物体的反射特性对测量结果的影响。

3、与操作有关的误差：操作人员的熟练和细心程度不同会引起地面三维激光扫描仪在对中、整平、目标框选以及各种扫描参数设置等各方面中产生相应的误差。对于这些误差，应认真按照规范对中、整平，根据不同的条件合理设置扫描间隔、温度、湿度、大气压强等参数以减小这些人为误差的影响。

4、与环境有关的误差：不同的温度、气压、磁场、天气状况会对地面三维激光扫描仪的内部精密部件和其发射的电磁波在空中的传播路径产生一定的影响，特别对于，大雾、阴雨天气更会影响电磁波的传播。对此，应该选择合适的天气保证在扫描仪在一定的温度、气压和磁场环境范围内工作并设置相应环境下的扫描仪参数。

四、总结

地面三维激光扫描仪以高效率、高采样率、高精度、非接触性、主动性等优点在地形测量、变形监测、逆向工程、考古、医学，公安等方面都有广泛的应用空间。但由于各种误差的存在，在利用三维激光扫描仪扫描数据的时候应该注意：

选择合适的天气条件进行扫描作业，特别温度应介于在0-40°之间；

根据不同的扫描目标，合理布设测站位置，使扫描距离一般不超过70m，特殊情况下不超过90m；

扫描时严格按照测量规范操作，精确对中整平仪器；

扫描时根据不同的外界环境设置相应的扫描参数；

参考文献：

[1]官云兰.地面三维激光数据处理中的若干问题研究[D].同济大学博士论文，2008

[2]郑德华，沈云中，刘春.三维激光及测量误差影响分析.测绘工程，2005，31（2）：32-34

[3]罗德安，廖丽琼.地面激光扫描仪的精度影响分析.铁道勘察，207,4: 5-7

作者简介：代世威（1986-）男，汉族，河南郑州人，长安大学地质工程与测绘学院，大地测量学与测量工程专业，2010级研究生。孙洋洋（1986-）女，汉族，陕西西安人，长安大学地质工程与测绘学院，大地测量学与测量工程专业，2010级研究生。