三維激光掃描技術及其誤差分析

劉 濤

（貴州民族大學 建筑工程學院，地質災害防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550025）

1 三維激光掃描系統的工作原理

現在，主流的三維激光掃描主要有兩種測距方式：脈沖式測距和相位式測距。

脈沖式測距是通過測量激光在儀器到目標物體來回傳送的時間來確定三維激光掃描儀到物體間的距離，原理非常簡單，如下式所示：

式中，S表示掃描儀到目標點的距離，C表示光束，T表示激光脈沖發射和技術的時間差。脈沖式測距通過儀器內部的激光發射裝置發射出激光經過物體反射后，通過儀器內的探測器接收并記錄發射到接收的時間，從而計算出距離。脈沖式測距的優勢在于有效測程長，能達到幾百米甚至上千米，所以在測量地形，大型建筑，礦山等比較復雜的大型物體時會采用這種方式。但是，脈沖式三維激光掃描儀目前市場價格較高，而且相對相位式測距，脈沖式的掃描速度較慢。

目前，市面上比較完整的地面三維激光掃描系統主要包括：激光掃描系統、激光測距系統、集成的CCD攝像機和儀器內部控制與校正系統，以下介紹激光掃描系統各部分的原理和功能。

相位式測距的工作原理類似于GPS的載波相位測距，通過測定調制在激光束上的調整光的波長的相位延遲，利用波長和相位差來間接計算出儀器與反射物體之間的距離。計算原理如下式所示：

式中φ為檢測的相位差，f為填充脈沖的頻率。

相位式測距由于一般功率較小，所以有效測程一般都在一百五十米到兩百米以內。但是相位式測距的優勢在于掃描速度較快，而且由于是利用光波長和相位差進行距離計算，比單純計算時間的脈沖式測距精度高。所以采用相位式測距的三維激光掃描儀一般主要是應用于文物保護，古建筑等需要比較精確的掃描方向。

三維激光掃描儀不僅僅是測量儀器到物體之間的距離，還要通過儀器內部的軸系系統得到儀器與目標物體的相對位置關系，從而利用已知的儀器坐標得到未知的物體空間位置信息。一般情況下，以三維激光掃描儀建立空間直角坐標系，如下圖所示：

S是由測距單元測量得到的掃描儀到目標物體的距離，θ和α是由三維激光掃描儀內部的軸系系統得到的角度，P是目標位置。這樣由下式就可以計算目標的坐標了。

三維激光掃描儀還有一個非常重要的部分就是集成在儀器內部的CCD攝像機。由于三維激光掃描儀獲取到的三維點云數據是由成千上萬個空間點組成的，這些大量的點位數據如果沒有相應的影像數據作為支持，后期處理起來就非常麻煩。集成在三維激光掃描儀內部的CCD攝像機在三維激光掃描儀進行空間掃描的同時就不斷的記錄空間影像。這些影像對于點云數據的后期處理、除噪、拼接等都是非常重要的原始資料。同時，在利用點云數據進行三維建模后，我們還可以利用這些影像數據進行貼圖，從而得到空間物體的真三維模型。

2 三維激光掃描技術的誤差影響分析

誤差在我們的測量工作中是恒定存在的，誤差也是我們在測量工作永遠要對抗的敵人。三維激光掃描儀的誤差主要來自三個方面：

（1）三維激光掃描系統誤差。在進行三維激光掃描儀安置的時候的對中，整平誤差，這個我們可以采用強制對中和電子氣泡來削弱誤差。還有就是儀器內部的軸系誤差，這個就需要我們對儀器經常進行調校和檢定。而值得一提的是，我國一直都沒有出臺相應的三維激光掃描儀的檢定標準，這使得目前的三維激光掃描儀市場上也沒有一個統一的標準，都是由各個廠家自行制定的標準。對于應用越來越廣泛的三維激光掃描儀，希望國家相關部門都能出臺相應標準。

（2）外界條件影響所帶來的誤差。三維激光掃描儀發射出的激光經過在空氣中傳輸后接觸物體反射回到儀器接收器，這一過程都會受到氣壓，溫度，濕度，灰塵等外界干擾因素的影響，從而影響到測距的精度。所以我們在進行三維激光掃描的時候一定要做各項氣壓，溫度，濕度等測距改正，減小誤差的影響。

（3）掃描目標物體反射的影響。如果掃描物體表面過于粗糙，容易造成激光漫反射，就會導致激光無法正常反射回到儀器或者儀器接收的激光回波信號有多值性。再者，當激光與物體反射面交角較小時，容易導致激光光斑放大，增大了激光反射點的不確定性，從而導致儀器與目標物體的相對誤差增大。所以，我們再選擇掃描物體時應盡量選擇光滑表面進行掃描，增大激光的回波效率，提高反射精度。同時要避免激光與反射面交角較小的情況發生，采用多次設站掃描，多角度掃描。

（4）點云數據后期處理的影響。三維激光掃描得到的是大量的點云數據，這些數據里面有我們需要的點，也有可能是灰塵等反射的我們不需要的點。這就要求在進行點云后期數據處理的時候進行除噪，識別有用的數據與噪聲，這就需要我們結合現場影像數據進行識別。一般情況下，一個物體的三維激光掃描都需要多站掃描才能完成。不同站之間的點云拼接精度也是點云數據后期處理的主要問題。我們可以在進行三維激光掃描的時候就指定好掃描的方案，確定點云拼接的共同點，在這些點上設置光標來提高點云拼接的精度。

3 結語

三維激光掃描技術在各個領域的應用已經有幾年的時間，它最大的優點就是突破了傳統單點測量的數據采集處理方法，同時又不像GPS技術需要衛星的支持，為測繪領域提供了一條新的研究方向。同時，我們還要看到作為新技術，三維激光掃描還不成熟，還需進行很多深入研究才能更好的把這一技術應用到各個領域。而且，國家一直都沒有頒布三維激光掃描技術的國家標準，這使得當我們將三維激光掃描技術應用到工程領域的時候也會產生困惑。雖然有這些不足，但不難看出三維激光掃描技術的應用前景十分廣闊。

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