地面三維激光掃描點云數據精度影響因素及控制措施

曹先革，張隨甲，司海燕，孟祥來，劉 妍

(1.黑龍江工程學院 測繪工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050; 2.武警黃金第三支隊，黑龍江 哈爾濱 150069)

地面三維激光掃描點云數據精度影響因素及控制措施

曹先革1，張隨甲2，司海燕1，孟祥來1，劉 妍1

(1.黑龍江工程學院 測繪工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050; 2.武警黃金第三支隊，黑龍江 哈爾濱 150069)

地面三維激光掃描技術雖然具有分辨率高、準確度高、效率高等特點，但在應用過程中存在一系列影響三維激光掃描精度的因素。文中詳細分析掃描距離、物體表面材質、控制網、標靶測量精度、光斑大小、掃描點間距、點云拼接精度、全反射物質和外界環境等因素對三維激光掃描精度的影響，并提出對以上影響因素的控制方法。

地面三維激光；點云；誤差；光斑；拼接

三維激光掃描技術又稱為實景復制技術，作為繼GPS之后的又一項技術革新，具有非接觸式測量、能夠直接獲得物體表面三維信息、測距范圍廣(一般在1～1 000 m)、采樣精度高(達毫米級)等特點[1-2]，使得三維激光掃描技術在工程測量、古建筑和文物保護、數字城市、逆向工程等領域得到了廣泛應用[3]。

在掃描過程中，不同工程對三維激光掃描儀的精度和相應指標都有嚴格的要求，影響點云精度的因素及各因素對工程的影響是掃描作業過程中需要注意的問題。本文主要分析探討影響點云數據精度的各種因素及控制各影響因素的方法。

1 地面三維激光掃描系統簡介

1.1 工作原理

地面三維激光掃描系統采用非接觸式高速激光測量方式獲得物體表面三維點云信息。目前，地面三維激光掃描系統有相位測量法、時間差測量法和三角測量法3種掃描方式[4]。

相位測量法是根據相位差計算距離，測距精度可達毫米級。目前主要有調頻連續波法、類調頻連續波法和調幅連續波法3種。

時間差測量法是根據激光脈沖從發射到被接收的飛行時間，由光速C，時間t算出掃描儀與物體之間的距離。時間差測量法的精度隨距離的增加而降低。

三角測量法是根據物體表面位置變化時，其反射激光在掃描儀檢測器上成像也隨之變化，通過像移和實際位移的關系推算真實的物體位移[4]。

1.2 工作流程

地面三維激光掃描儀外業工作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描工作流程

2 影響地面三維激光掃描精度的因素及誤差分析

三維掃描儀在掃描過程中點云數據精度的影響因素來自多方面，主要有掃描距離、物體表面材質、控制網、標靶測量精度、光斑大小、掃描點間距、點云拼接精度、全反射物質、外界環境等。

2.1 掃描距離和物體表面材質對點云的影響及控制方法

地面三維激光掃描儀測量距離的遠近與激光強度和物體的反射率有關，對于特定的掃描儀，其發射的激光強度是不可變的，這樣即使兩個具有不同反射率的物體處于相同位置處，也會導致量測距離的不同。圖2所示是LMS三維激光掃描系統掃描距離與反射率之間的關系，表1所示是部分材料的反射率[5]。控制方法如下：

圖2 LMS系統測量距離與反射率的關系

1)安置掃描儀測站時盡量縮短三維激光掃描儀到低反射率物體之間的距離。

2)外業掃描時，掃描儀至被掃描物體之間的距離盡量保持在50 m以內，如果不同測站之間距離過長，可以考慮用增加測站的方式來減少掃描儀至被掃描物體之間的距離[1]。

3)使設定的掃描主距以內點云采樣間隔符合技術要求。

表1 部分材質的反射率

2.2 控制網及標靶測量對測量精度的影響及其控制方法

外業點云數據的拼接有多種方式，如果選擇通過布設控制網測量標靶坐標的方式進行拼接，根據“高級控制低級”的原則，則需要標靶位置的量測精度等級高于點云拼接的精度等級。如果標靶位置測量的精度達不到項目對精度的要求，則會導致點云數據質量的降低。而標靶測量的精度一般受控制網精度、儀器精度、棱鏡反光、數據平差方法、標靶類型等因素的影響。控制方法如下：

1) 選擇2″或2″以上的全站儀進行控制網布設，標靶測量采用免棱鏡方式測量。

2) 用滿足精度要求的相應等級水準方法測量控制點的高程值。

3)根據掃描項目對點云精度的要求，選擇合適的控制網等級進行平面位置測量。

4)平面和高程控制網的平差優先選擇整網平差的計算方法。

5)為提高點云拼接精度，建議采用球形標靶進行拼接，其次選擇磁性標靶和其它標靶。

2.3 光斑直徑和點云采樣間距的影響及其控制方法

地面三維激光掃描系統發射的激光光斑因光線的發散性，會隨著距離的增加不斷放大。如果被測物體距掃描儀比較遠，掃描激光光斑就會變大，進而影響點云數據的測量精度；同時，在這種情況下同樣一個激光斑點照射在兩個不同的物體(如物體遠近不同或反射率相差大)的可能性大,如圖3所示，此時會導致三維掃描儀測量距離的無效性；而且隨著被測物體距離的增加，相鄰兩個測量點的間距也會增大[5]。圖4顯示了三維激光掃描系統工作時，光斑直徑和掃描點間距隨距離變化情況。控制方法如下：

1)三維激光掃描系統在設計時盡可能減小發射和接收光束的張角。

2)減少三維激光掃描系統和被掃描目標物體之間的距離。

圖3 距離誤差示意圖

圖4 光斑直徑和光斑間距與距離的關系

2.4 點云拼接對測量精度的影響及其控制方法

點云數據的拼接有多種方式，如果通過標靶拼接相鄰測站的點云，則數據的拼接質量因受標靶距離測站的遠近、掃描時工作人員的素質、掃描時標靶與激光束的夾角等因素的影響將會有所不同。如果采用相互通視的標靶進行拼接，則對點云拼接精度影響最小；如果采用球形標靶進行拼接，則擬合球體的精度對點云數據的拼接質量有較大影響；如果根據同名特征點拼接點云數據，則點云數據的掃描精度對拼接質量有較大影響，同時拼接質量還受其它一系列因素的影響，如被掃描物體距測站的遠近、材料反射率、點云采樣間隔和掃描作業人員的業務水平等。控制方法如下：

1)點云數據拼接方法應優先選擇標靶拼接，其次選擇同名特征點拼接，其中利用相互通視標靶拼接的精度高于結合控制網的標靶拼接。

2)如果采用擬合球形標靶進行拼接，應首先濾除球形標靶點云數據的噪聲。

3)外業掃描時，應根據現場情況均勻布設標靶，并且標靶距離掃描儀不要超過50 m。

4)點云數據拼接時可以組合使用各拼接方式。

2.5 全反射物質的影響及控制方法

在外業掃描過程中由于陽光的影響，會導致激光傳感器錯誤讀取數據；在掃描過程中如果遇到玻璃或其它具有全反射性質的材料時，儀器發射的激光不能被返回，此時三維掃描儀會錯誤計算到此類物體的距離；另外，當與激光具有相同頻率的光線被掃描儀傳感器接收時會影響儀器對反射光的處理，進而導致測量結果有誤差。其次，如果空氣質量較差，也會影響激光回波信號。控制方法如下：

1)作業時為掃描儀安裝遮光裝置，減少陽光等外界因素的干擾。

2)在數據預處理中通過濾波算法進行去噪處理。

3)盡量使激光光束垂直入射。

2.6 外界環境對測量精度的影響及其控制方法

三維激光掃描儀工作時對外界溫度具有一定的要求，低溫或者高溫都影響掃描儀電子器件及機械部件的使用性能。如果外界溫度過低，三維掃描儀自檢頻率會增多，自檢時間也會變長；外界溫度過低亦會影響三維掃描儀的掃描精度和速度及電池的性能。其次，由于采用可見光的測量模式，三維激光掃描儀在特殊天氣下作業時，如雨雪等天氣，點云數據的噪聲會呈幾何倍數放大，這樣會導致點云精度的降低，同時對儀器的使用性能也有較大影響。控制方法如下：

1)根據任務工作量合理安排掃描時間，避開高溫或低溫時段。

2)避免雨、雪、沙塵暴等天氣下使用三維掃描儀。

3 提高三維激光掃描點云數據精度的方法和途徑

從地面三維激光掃描儀的工作原理和點云數據精度影響因素的分析可以看出，三維激光掃描技術的核心原理就是激光測距。三維激光掃描是一個不斷重復的數據采集和處理的過程，在該過程中可以通過以下方法和途徑提高三維激光掃描點云數據精度：

1)在掃描前進行現場踏勘，調查清楚掃描現場影響掃描精度的外界因素，如低反射率目標位置，全反射物質所處方位，并繪制位置示意圖。

2)對于較大范圍的掃描工作，在保證數據不缺失同時避免數據冗余的前提下，合理設置掃描測站位置，并根據踏勘示意圖繪制測站分布工作草圖。

3)掃描時在測站分布工作草圖上繪制標靶分布圖，內業數據拼接時根據標靶分布圖優先選擇利用相互通視的標靶拼接點云，其次選擇同名點的拼接方式。

4)在完成每測站掃描任務前對點云數據進行初步檢查，發現數據缺失或噪聲過大時需采取相應補救措施。

5)掃描時根據工作對精度的需要設置掃描參數，并且掃描時優先選用球形標靶，其次選擇其它類型的標靶。

6)如果選擇通過布設控制網測量標靶坐標的方式進行拼接，控制網的平面和高程測量精度等級應高于點云拼接的精度等級，并且標靶的位置采用免棱鏡方式測量。

7)根據工作量和天氣等因素合理安排外業掃描時間。

4 結束語

雖然地面三維激光掃描儀憑借其高分辨率、高準確度、高效率等特點，在三維重建、虛擬現實、數字地球和數字城市等領域得到了廣泛的應用，但在實際應用過程中存在一系列影響點云精度的因素。為了提高點云數據的質量，在實際掃描過程中可根據本文對每種影響因素的分析和控制方法及提高點云數據精度的方法和途徑，從現場踏勘、掃描測站設置、標靶測量及拼接和外界影響因素調查等方面下手，合理設計工作方案，盡量避免在掃描過程中外界因素的干擾，切實提高點云數據質量。

[1]李海泉,楊曉鋒,趙彥剛.地面三維激光掃描測量精度的影響因素和控制方法[J].測繪標準化,2011,27(1):29-31.

[2]梁振華,王晨,謝宏全.基于徠卡C10獲取校園三維點云數據設計[J].測繪工程,2013,22(1):47-50.

[3]劉春,張蘊靈,吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評估[J].工程勘察,2009(11):5-60.

[4]劉佳.三維激光全景掃描系統誤差分析及相機標定[D].北京：首都師范大學,2009.

[5]紀勇,齊建偉.三維激光掃描測量采樣要素關系研究[J].黃河水利職業技術學院學報,2012,24(1):44-46.

[責任編輯：劉文霞]

The influence factors and control measures on point cloud data precision of ground three-dimensional laser scanning

CAO Xian-ge1, ZHANG Sui-jia2, SI Hai-yan1, MENG Xiang-lai1, LIU Yan1

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China; 2.Wujing Golden Third Group, Harbin 150069, China)

The ground three-dimensional laser scanning technology has the characters of high resolution, high accuracy, high efficiency, etc, but there are series of factors in the application process, which affect the precision of three-dimensional laser scanning. Analysis is made on the influence of scanning distance, material surface, measurement precision of control network and the target, spot size and scanning point spacing, point cloud splicing precision, total reflection material and external environment on precision of three-dimensional laser scanning, and the control methods based on the above factors are proposed.

ground three-dimensional laser;point cloud; error; spot; splicing

2014-02-09

黑龍江省普通高等學校青年學術骨干支持計劃項目(1252G052)；黑龍江省普通高校重點實驗室空間地理信息綜合實驗室開放課題(KJKF-13-06)；黑龍江工程學院博士科研基金項目(2012BJ03)

曹先革(1979-)，男，副教授，博士.

P217

：A

：1006-7949(2014)12-0005-03