地面三維激光掃描儀距離測量精度試驗研究

張永彬，高祥偉，謝宏全，李衛良

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.淮海工學院測繪工程學院，江蘇 連云港 222005)

地面三維激光掃描儀距離測量精度試驗研究

張永彬1，高祥偉2，謝宏全2，李衛良2

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.淮海工學院測繪工程學院，江蘇 連云港 222005)

隨著三維激光掃描技術的不斷發展，對掃描精度的要求越來越高，儀器的測距性能是影響其掃描精度的重要因素之一。本文以徠卡C10三維激光掃描儀為研究對象，在對球形標靶中心識別精度試驗的基礎上，依據儀器的有效掃描范圍選擇10個距離進行試驗研究；采用拓普康902A全站儀獲取不同距離的數據，通過掃描儀對球形標靶掃描提取儀器中心到球形標靶中心的水平距離，分別計算出掃描儀測距的內外符合精度。研究結果表明，在150 m距離范圍內掃描儀的內符合精度相對穩定；在100 m距離范圍內掃描儀的外符合精度能夠達到5 mm以內；超出一定范圍后隨著距離的增加，內外符合精度逐漸下降。

徠卡C10；距離測量；精度；球形標靶

一、引 言

近年來，地面三維激光掃描技術應用發展迅速，已成為空間信息獲取的重要手段。測距精度是點云數據精度的重要依據，因此掃描儀的測距精度具有重要的研究意義[1]。近年來一些學者進行了相關研究，取得了一定的成果。如黃釗[2]對激光測距精度進行了研究分析；齊建偉等[3]對掃描儀測距的內符合精度進行了研究分析。掃描儀通過對標靶進行掃描，獲取標靶中心信息來對單點進行測量，同時也可以進行測距，因此掃描標靶中心的識別精度對掃描儀的應用具有非常重要的意義。謝宏全等[4]對地面三維激光掃描儀測距精度檢校進行了系統試驗研究；朱凌[5]對平面標靶進行了相關研究；蘇曉蓓等[6]對地面三維激光掃描儀標靶中心識別精度進行了研究。本文利用徠卡C10三維激光掃描儀與球形標靶，對儀器的測距精度進行試驗研究。

二、球形標靶中心識別精度試驗

依據標靶的形狀可以分為平面標靶和球形標靶。本研究采用球形標靶，它可以從任何一個方向掃描而得到中心，非常適用于各種特殊地形條件的掃描，而且不存在傾角問題帶來的各種誤差，使用非常方便，但其不能一次性獲得整個標靶表面全部的點云數據。下面對試驗過程與結果分析作簡要介紹。

1.數據采集方法

依據徠卡C10的有效掃描范圍，在校園內選擇合適的道路作為試驗場地，試驗主要技術過程如下：

1)在地面上選擇3個點(A、B、C)，大概呈正三角形，邊長約2 m，做好臨時點的標志，在點上架設球形標靶(如圖1所示)。

2)用掃描儀在距離標靶10 m、40 m、70 m、100 m、150 m、200 m、250 m的距離分別對標靶進行5次掃描。

3)在室內將掃描儀內的數據存入U盤，導入儀器配套的Cyclone軟件中進行擬合球形標靶。

4)提取每個掃描數據標靶之間的距離，具體操作是點擊多選命令，依次點擊3個擬合的標靶A、B、C，然后點擊鼠標右鍵，點選 Distance—Center To Center。軟件操作界面將會顯示標靶中心之間的距離(如圖2所示)，并將距離數據記錄在 Excel表格中。

圖1 標靶掃描的擺放位置

圖2 標靶中心之間的距離

2.試驗結果分析

在Cyclone軟件中提取不同距離的3個標靶中心之間的距離并進行整理，數據見表1。以10 m、40 m、70 m、100 m 4個觀測段5次掃描的數據平均值作為最或然值，根據中誤差計算公式計算出每個位置標靶中心識別的中誤差，根據所得中誤差數據繪制折線圖(如圖3所示)。

表1 標靶中心提取精度試驗數據 m

圖3 不同距離處標靶中心提取精度

從表1與圖3中可以看出，在100 m以內，球形標靶中心的提取精度在2 mm以內，100～200 m范圍內標靶中心的提取精度在4 mm以內，超過200 m距離以后，標靶中心的提取精度隨著距離的增加而急劇降低。總體來說，在200 m以內，球形標靶中心提取精度能夠滿足點云數據的拼接等應用。

三、距離測量精度試驗研究

本試驗采用拓普康GTS-902A測量機器人及徠卡C10三維激光掃描儀對球形標靶進行掃描，依據掃描儀的有效掃描范圍，選擇10個不同的距離進行試驗，試驗場地布置如圖4所示。

圖4 掃描儀測距試驗場地示意圖

1.數據采集流程

1)將拓普康902A全站儀架設在固定點上，分別在選擇的不同距離點上架設全站儀配套棱鏡(如圖5所示)進行測距，每個點進行5次，并將數據記錄到表格。

2)將掃描儀安置在固定點上，對不同位置的球形標靶進行5次掃描(如圖6所示)。

3)將掃描儀的掃描數據在Cyclone軟件中提取出每個點上標靶中心點到儀器中心的水平距離，并將數據記錄到表格。

圖5 全站儀觀測棱鏡

圖6 掃描儀掃描標靶

2.試驗結果分析

根據試驗中全站儀觀測數據求取每個距離段內觀測數據的平均值(見表2)，再將掃描儀數據用軟件提取出每個位置標靶中心到儀器中心的平距(見表3)，并求取每個距離段內的平均值。按照中誤差計算公式分別計算出掃描儀測距的內外符合精度中誤差，如圖7、圖8所示。

表2 全站儀觀測數據m

表3 掃描儀數據m

圖7 掃描儀內符合精度分布圖

圖8 掃描儀測距外符合精度分布圖

由圖7可知，當掃描儀在150 m以內對球形標靶掃描時，其內符合精度在1 mm以內，在150 m以外隨著距離的增加，其內符合精度也相應地降低。徠卡C10測距精度相對穩定，能夠滿足一般工程的需求。

由圖8可知，在100 m以內其精度能夠達到5 mm以內，在100～200 m的范圍內，能夠達到5～10 mm的精度，在200～300 m的范圍內，能達到10～20 mm的精度。5 mm的測距精度能夠滿足較高要求的測量工程，因此在100 m以內徠卡C10能夠進行較高精度的測量工作，在200 m以內，其能夠適用于一般精度要求的工程項目，當精度要求不是很高時，如地形測量，土石方計算測量等工程當中，徠卡C10在其有效測程范圍內還是能夠達到要求的。

四、結束語

在儀器的有效掃描范圍內，球形標靶中心識別精度較高。用球形標靶進行測距，在一定距離內，測距精度相對較穩定，超出一定范圍后隨著距離的增加，內外符合精度逐漸下降。本次試驗只是對掃描儀測距精度進行分析，還有待從其他一些外界因素對掃描數據的影響作相應研究，如溫度、風速，以及目標物的材料、顏色等。

[1] 吳靜.三維激光掃描測量儀性能評價及應用研究[D].青島：山東科大學，2008.

[2] 黃釗.脈沖激光測距高精度關鍵技術研究[D].南京：南京理工大學，2012.

[3] 齊建偉，朱恩利.三維激光掃描測量內符合精度試驗研究[J].地理空間信息，2012，10(4)：20-22.

[4] 謝宏全，高祥偉，邵洋.地面三維激光掃描儀測距精度檢校試驗研究[J].測繪通報，2013(12)：25-27.

[5] 朱凌.地面三維激光掃描標靶研究[J].激光雜志，2008，29(1)：33-35.

[6] 蘇曉蓓，郝剛.地面三維激光掃描標靶中心識別算法研究[J].城市勘測，2010(3)：68-70.

都市圈獲首個三維仿真互聯網地圖“準生證”

[本刊訊]2014年11月6日，中海達旗下都市圈收到了國家測繪地理信息局地圖技術審查中心關于《濰坊市奎文區、濰城區、坊子區、寒亭區、高新區三維仿真地圖》的互聯網地圖審核批準書，這是國家測繪地理信息局批準的首個三維仿真地圖的審圖號。

地圖審圖號是電子地圖在互聯網上公開登載的許可證，相當于互聯網電子地圖的“準生證”，都市圈能獲得國家測繪地理信息局批準的首個三維仿真地圖的審圖號，彰顯了其在三維仿真地圖制作方面的實力。

都市圈長期專注于三維仿真地圖領域，能提供三維仿真地圖“數據＋平臺＋行業應用”整體解決方案。截至目前，已建成廣州、深圳、上海、北京、武漢、澳門、貴陽、昆明、太原、重慶等80個城市約7000 km2的三維仿真地圖，并與百度、四維圖新達成戰略合作。都市圈自主研發的三維仿真公共服務平臺OGIS已成功應用于100多個項目中，基于OGIS平臺開發的行業應用也覆蓋了數字城市、數字國土、網格化社區、數字校園、消防安全、環保應急、人防、電力、電信等行業，已經完成和在建的行業應用項目超過200個。

(本刊編輯部)

Test Research of Distance Measurement Accuracy of Terrestrial 3D Laser Scanner

ZHANG Yongbin，GAO Xiangwei，XIE Hongquan，LI Weiliang

P234.5

B

0494-0911(2014)12-0016-04

張永彬，高祥偉，謝宏全，等.地面三維激光掃描儀距離測量精度試驗研究[J].測繪通報，2014(12)：16-19.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0387

2014-09-09

國家自然科學基金(31270745)

張永彬(1969—)，男，河北衡水人，博士，教授，主要從事3S技術集成與應用方面的教學與研究工作。