1、三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析摘要：随着社会的发展与进步，重视三维激光扫描仪及其测量误差影响对于现实生活具有重要的意义。本文主要介绍三维激光扫描仪及其测量误差影响因素的有关内容。 关键词 ：三维激光扫描仪；误差测定；影响因素； 中图分类号： R814 文献标识码： A 文章编号： 引言 三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。又称为“实景复制技术” ，主要面向高精度逆向工程的三维建模与重构。它可以高效地采集大量的三维点。少则几万个，多则几百万个。它可以深入到复杂的现场环境中进行扫描，将各种大型的、复杂的、不规则的实景三维数据完整地采集到电脑中，从而快速重构出目标的三维点云
2、模型。此外，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。这对于有限元分析、工程力学分析、流体动力分析等是非常重要的。这种逆向工程的数据获取方式目前在我国还是个薄弱的领域。 一、三维激光扫描仪的概念 三维激光扫描技术是测绘领域继 GPS 技术之后的一次技术革命。三维激光扫描仪通过高速激光发射器运用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器。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。 二、地面型三维激光扫描系统工作原理
3、三维激光扫描仪运用了激光的方向性、单色性、高亮性、相干性等特点，实现了测量速度快，操作简单，测量精确度高等目的。对地面三维激光扫描仪来说，采用的是仪器坐标系统，即所采集到的物体表面点的空间信息是以其自身的坐标系统为准的。系统以激光束发射处为坐标原点；Z 轴位于仪器的竖向扫描面内，向上为正；X 轴位于仪器的横向扫描面内；Y 轴位于仪器的横向扫描面内且与 X 轴垂直，如图 1-1，由此可得点坐标的计算公式： 图 1 采用脉冲测距法的三维激光点坐标 图 2 目标物体倾斜引起测距偏差 二、点云数据的误差来源及分析 从误差理论来分析，径向扫描系统测量误差可分为系统误差和偶然误差。系统误差引起三维激光扫描
4、点的坐标偏差。可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。 三维激光脚点测量误差的影响因素较多。大致可分为三类：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差、外界环境条件。仪器误差是仪器本身性能缺陷造成的测量误差，包括激光测距的误差、扫描角度测量的误差；与目标物体反射面有关的误差主要包括目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响；外界环境条件主要包括温度、气压等因素。 2.1 激光测距的影响 激光测距信号处理的各个环节都会带来一定的误差，特别是光学电子电路中光脉冲回波信号处理时引起的误差，主要包括扫描仪计时的系统误差和测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差。脉
5、冲计的系统误差造成循环、混淆现象与测距的凸角误差相类似，测距技术中不确定间隔更可能造成数据突变，目前，可运用一些较好的技术（如频率倍乘、微调作用）处理这些突变的误差。激光测距误差综合体现为测距的固定误差和比例误差，可以通过仪器检定确定测距误差的大小。 2.2 扫描角的影响 扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描角度测量的影响。扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微笑震动、扫描电机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。目前扫描角测量可达到很高的精度，如徕卡的 HDS2500 三维激光扫描仪的扫描角精度达到0.5。 2.3 目标物体反射面倾斜的影响 激光扫描测距系统中激光测距单
6、元由激光发射头和激光接收器两部分组成。用于加工发射和接受窗口的孔径直径有一定的大小。由于激光发射哈接受共用一条光路，且激光光束具有一定的发散角，扫描到目标物体表面形成激光角点光斑。激光角点光斑的大小 d、激光发散孔径 D 和激光光束发散角 y 存在如下关系： （2） 式中，S 为激光发散点到物体表面上激光角点中心之间的距离。 当扫描目标物体倾斜时，则出现扫描目标物体表面法线与激光光束方向不重合。当表面切平面法线与激光光束方向的夹角为 ，根据图2，存在如下几何关系： （3） 则引起激光角点的位置的最大偏差 ds （4） 由于 y/2 很小，则 siny/2=y/2，所以 （5） 2.4 目标物体
7、反射表面粗糙程度的影响 三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙程度有密切关系。由于三维激光回波信号有多值性特点，有些三维激光扫描系统只能处理首次反射回来的回波信号，有些三维激光扫描系统只能处理最后反射回来的回波信号，也有一些三维激光扫描系统能够综合处理首次和最后反射回来的回波信号。以处理首次反射回来激光回波信号为例（如图 3 所示） ，目标物体表面粗糙程度引起激光角点位置的偏差 ds，接近于物体表面粗糙极值的 1/2. 2.5 温度、气压等外界环境条件的影响 温度、气压等外界环境条件对激光扫描的影响主要表现为温度变化对精密机械结构关系的细微影响、扫描过程中风的震动、激光在空气中传播的方向等。较
8、差的外界环境条件对三维激光扫描数据的影响也较大。径向三维激光扫描仪测量的主要误差来源于测距误差或扫描角误差。由于测距误差包含固定误差和比例误差两部分，其影响具有一定是规律性。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，扫描角对扫描点的影响随距离增大而增大。 目前，基于 TOF 测距技术的三维激光扫描仪已经成为测绘领域的一个新的研究热点，但是，对三维激光扫描仪的仪器设备及测量误差的研究还很少。本文在对三维激光扫描仪的分类基础之上，对径向三维激光扫描仪器的测量误差影响因
9、素进行了较为全面地理论分析，并指出了测距误差和扫描角误差是三维激光扫描误差的主要误差源之一。 结束语 现今，人类社会已经进入了高度文明的时代，各行各业都在寻求更好的发展途径，三维激光测量技术的应用越来越广泛，在今后的发展中，我国必定会不断完善测量技术，为相关领域的稳定收益保驾护航。三维激光扫描仪目前广泛应用于各个领域，是研究的热点。本文主要研究了三维激光测量误差来源仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界条件影响。通过实验得知了仪器 Trimble GX200 的测距精度和扫描精度。 参考文献 1 马立广. 地面三维激光扫描测量技术研究D武汉:武汉大学硕士论文.2005. 2 杨伟,刘春,刘大杰.激光扫描数据三维坐标转换的精度分析J.工程勘察,2004. 3 吴剑锋, 王文, 陈子辰. 激光三角法测量误差分析与精度提高研究J.机电工程.2003. 4 黄小川,郑慧.地面三维激光雷达点云误差分析及校正方法J.地理空间信息.2009. 5 李巧丽.三维激光扫描技术研究综述J.中国科技博览.2011（33）：620-621.
