激光雷达测量原理与误差分析

摘要：如今的测量工具，像全站仪和GPS接受机在测绘中的效率都较传统的仪器而言提高了许多，通过国内外的研究和应用显示激光雷达测量技术为测绘领域提供了先进的手段和方法。激光雷达测量技术在各个领域的应用已经有几年的时间，它最大的优点就是突破了传统单点测量的数据采集处理方法，同时又不像GPS技术需要卫星的支持，为测绘领域提供了一条新的研究方向。同时，我们还要看到作为新技术，激光雷达测量还不成熟，还需进行很多深入研究才能更好的把这一技术应用到各个领域。而且，国家一直都没有颁布激光雷达测量技术的国家标准，这使得当我们将激光雷达测量技术应用到工程领域的时候也会产生困惑。虽然有这些不足，但不难看出激光雷达测量技术的应用前景十分广阔。

*水利部“948”项目（201219）

关键词：激光雷达；测量原理；误差

中图分类号：TN958文献标识码： A

引言

激光雷达测量技术以模块化的空间信息数据采集手段取代了传统的单点空间信息采集方式。其优点非常明显，如快速、精确、无接触式测量等。但是相比传统方式，它也有一些缺陷，如扫描后的点云除噪，多站点云拼接，三维建模等，大量的数据处理工作需要在后期来完成。新的数据采集和处理方式也带来了新的误差源。本文简述激光雷达测量基本原理后，相应的介绍其误差源并分析其影响及一些初步控制措施。

一、激光雷达测量技术的工作原理

现在，主流的激光雷达测量主要有两种测距方式，脉冲式测距和相位式测距。脉冲式测距是通过测量激光在仪器到目标物体来回传送的时间来确定激光雷达测量仪到物体间的距离，原理非常简单，目前，市面上比较完整的地面激光雷达测量系统主要包括，激光扫描系统、激光测距系统、集成的CCD摄像机和仪器内部控制与校正系统。相位式测距的工作原理类似于GPS的载波相位测距，通过测定调制在激光束上的调整光的波长的相位延迟，利用波长和相位差来间接计算出仪器与反射物体之间的距离。

激光雷达测量仪不仅仅是测量仪器到物体之间的距离，还要通过仪器内部的轴系系统得到仪器与目标物体的相对位置关系，从而利用已知的仪器坐标得到未知的物体空间位置信息。

激光雷达测量仪还有一个非常重要的部分就是集成在仪器内部的CCD摄像机。由于激光雷达测量仪获取到的三维点云数据是由成千上万个空间点组成的，这些大量的点位数据如果没有相应的影像数据作为支持，后期处理起来就非常麻烦。集成在激光雷达测量仪内部的CCD摄像机在激光雷达测量仪进行空间扫描的同时就不断的记录空间影像。这些影像对于点云数据的后期处理、除噪、拼接等都是非常重要的原始资料。同时，在利用点云数据进行三维建模后，我们还可以利用这些影像数据进行贴图，从而得到空间物体的真三维模型。

二、关键技术

（一）高速度、高分辨率激光扫描技术

激光扫描是依据数据采样密度和空间分布要求。通过机械和光学扫描的方式将激光测量光束按采样要求精确投射到测量表面的过程。高密度快速精确采样测量是车载激光雷达测量测量的重要特征。而高精度、高速度、高分辨率激光扫描技术是实现高密度精确采样测量的基础。为了实现高密度快速采样。首先要求激光点频高。通常需要10KHZ以上的激光点频率。某些机载测量产品需要高达200KHZ的激光点频率。车载激光测量系统对点频率的需求是从车速、扫描角范围、要求的采样密度计算得到。其次，为了实现均匀采样，对扫描点的均匀性要严格控制。

（二）高精度自然目标激光扫描测距技术

距离信息是激光测绘的重要参数之一，目标的坐标由距离信息计算得到。由于自然目标类型复杂、光学特征差异大等原因。针对自然目标的激光测距一般很难获得较高的测距精度。这是直接影响激光雷达测量测量精度的一个重要因素。大气扰动、目标表面的不同光学特征引起的信号起伏、相邻目标距离的剧烈变化等因素都是影响激光测距精度的重要原因。技术上，在快速扫描状态下对自然目标的高精度激光测距往往采用窄脉冲激光和恒比定时技术，以削弱主回波前沿的抖动，而为了实现稳定的恒比定时，要求系统能够有效地抑制大动态范围变化带来的信号微弱和信号饱和的快速交替变化、这是系统设计的难点。

三、激光雷达测量技术的误差影响分析

误差在我们的测量工作中是恒定存在的，误差也是我们在测量工作永远要对抗的敌人。

（一）激光雷达测量系统误差。在进行激光雷达测量仪安置的时候的对中，整平误差，这个我们可以采用强制对中和电子气泡来削弱误差。还有就是仪器内部的轴系误差，这个就需要我们对仪器经常进行调校和检定。而值得一提的是，我国一直都没有出台相应的激光雷达测量仪的检定标准，这使得目前的激光雷达测量仪市场上也没有一个统一的标准，都是由各个厂家自行制定的标准。对于应用越来越广泛的激光雷达测量仪，希望国家相关部门都能出台相应标准。

（二）外界条件影响所带来的误差。激光雷达测量仪发射出的激光经过在空气中传输后接触物体反射回到仪器接收器，这一过程都会受到气压，温度，湿度，灰尘等外界干扰因素的影响，从而影响到测距的精度。所以我们在进行激光雷达测量的时候一定要做各项气压，温度，湿度等测距改正，减小误差的影响。

（三）扫描目标物体反射的影响。如果扫描物体表面过于粗糙，容易造成激光漫反射，就会导致激光无法正常反射回到仪器或者仪器接收的激光回波信号有多值性。再者，当激光与物体反射面交角较小时，容易导致激光光斑放大，增大了激光反射点的不确定性，从而导致仪器与目标物体的相对误差增大。所以，我们再选择扫描物体时应尽量选择光滑表面进行扫描，增大激光的回波效率，提高反度。同时要避免激光与反射面交角较小的情况发生，采用多次设站扫描，多角度扫描。

（四）点云数据后期处理的影响。激光雷达测量得到的是大量的点云数据，这些数据里面有我们需要的点，也有可能是灰尘等反射的我们不需要的点。这就要求在进行点云后期数据处理的时候进行除噪，识别有用的数据与噪声，这就需要我们结合现场影像数据进行识别。一般情况下，一个物体的激光雷达测量都需要多站扫描才能完成。不同站之间的点云拼接精度也是点云数据后期处理的主要问题。我们可以在进行激光雷达测量的时候就指定好扫描的方案，确定点云拼接的共同点，在这些点上设置光标来提高点云拼接的精度。

四、激光雷达测量技术在建筑物变形监测的应用

传统的变形监测主要有近景摄影测量或者GPS+全站仪两种方法。这两种方法都需要在建筑物上设置监测点，数量有限，因此得到的信息也有限，不足以完全体现整个变形体的实际情况。而采用激光扫描技术可以方便地获取高密度高精度的观测数据，且这些观测数据可以完整地覆盖整个被监测对象。远程激光扫描仪可以用于滑坡、岩崩、河岸崩塌、矿山塌陷等危险和难以到达地方的变形监测和方量计算，有效监控其变化范围和量级，应用于防灾减灾。中程激光扫描仪多用于大坝、船闸、桥梁等的变形监测。

结束语

激光雷达测量仪作为测绘科学的领先产品，具有鲜明的优势，广泛的应用，从整体来看，激光雷达测量仪基本涵盖测绘的各个领域，具备大面积，高自动化，高速率，高精度测量的特点，但是其自身还存在诸多不足。

参考文献：

[1]马浩.机载激光雷达测量系统误差检校方法研究[D].山东科技大学,2011.

[2]吕潮峰.激光雷达三维重建与测量系统关键技术研究[D].上海交通大学,2007.