天寶GX200地面三維激光掃描儀系統(tǒng)誤差分析

孫 寧

江西中煤建設集團有限公司

天寶GX200地面三維激光掃描儀系統(tǒng)誤差分析

孫 寧

江西中煤建設集團有限公司

三維激光掃描技術是一種新興的全自動高精度測量技術，能在短時間內大面積高密度地獲取目標的空間點云數(shù)據(jù)，逼真細膩地描述目標表面。但三維激光掃描儀作為一種測量儀器，在使用過程中存在各種誤差導致影響測量結果，本文主要對三維激光掃描儀在應用過程中誤差進行了分析探究。

掃描儀；系統(tǒng)誤差；分析

一、三維激光掃描技術的概述

三維激光掃描技術是一種新興的全自動高精度測量技術，利用三維激光掃描儀能在短時間內大面積高密度地精確獲取目標的空間數(shù)據(jù)，因此三維激光掃描技術也是激光技術和視覺仿真相結合的一個重要產物。三維激光掃描儀作為一種光學、機械、電子高度集成的精密儀器，與以傳統(tǒng)測量手段相比，三維激光掃描技術具有以下特點：主動性強，非接觸性測量，數(shù)據(jù)獲取速度快，能適應全天候全地形工作；數(shù)據(jù)采樣率高，突破單點采集模式，以高密度高分辨率獲取豐富的數(shù)據(jù)；通過海量的點云模擬被測物體表面，效果逼真；系統(tǒng)全數(shù)字化作業(yè)，信息的傳輸加工便捷、成果兼容性廣泛等。

二、三維激光掃描儀的工作原理

對地面三維激光掃描系統(tǒng)中最主要的硬件設備是掃描儀，以脈沖測距型掃描儀為例，工作原理如圖(1.1)所示。

圖1.1 地面激光掃描儀工作原理示意圖

在上圖，光源通過發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一束激光，照到觀測目標后返回內置數(shù)據(jù)處理器，其物理頻率和往返時間被記錄用以計算。某點被掃描時激光輸出距離計算公式為D=ct/2(c為激光在空氣中的傳播速度，t為傳播時間)。同時，儀器在水平方向轉過的角度β和豎直方向轉動角度α也被度盤記錄。如圖(1.2)所示，激光發(fā)射中心為0點，垂直步進電機驅動激光鏡圍繞水平軸X旋轉，掃描扇面為YOZ，水平步進電機驅動儀器上半部分圍繞垂直軸Z旋轉，掃描扇面為XOY平面，從而實現(xiàn)在某站上儀器空間掃描范圍O-XYZ內部坐標系中所有目標的觀測。水平方向觀測范圍一般為360°，由于儀器下部旋轉結構遮擋，豎直方向約為幾十度到310°。

如圖1.3所示，在右手直角坐標系O-XYZ中，記P點坐標為(x, y, z)。由空間三角關系，可得到三個坐標軸方向的坐標值：x=D·cosa·cosβ、y=D·cosa·sinβ、z=D·sina。

三、三維激光掃描儀誤差分析

1、誤差來源

1)儀器本身誤差。主要是掃描儀測距和角度測量誤差，主要由設計、制造缺陷或儀器老化問題；

2)儀器配套設施的誤差。主要反射面的材質、光譜性質、粗糙度等對激光測距產生誤差，激光性質不同的儀器，影響也不同，但整體上有一定規(guī)律；

3)外界環(huán)境影響。作業(yè)環(huán)境中大氣溫度、濕度，塵埃粒子，光照變化等因素對激光的傳播有一定影響。

2、儀器誤差影響分析

掃描儀運行結構可近似看做一臺高性能的全站儀，檢校的誤差也可參照全站儀進行：

1)測距乘常數(shù)是測距誤差中的比例部分，研究表明當掃描距離小于30米時，它對測距的影響可忽略不計；

2)儀器的激光發(fā)射起算點M位于掃描儀的激光發(fā)射單元內部中心，儀器的軸系中心O點是水平軸HH與豎軸VV、激光發(fā)射軸M0的交點，理論上M點與O點是同一個點，但是由于機械制造工藝以及結構的固有原因，二者間有很小的距離，這是測距加常數(shù)誤差產生的原因，在精密測量作業(yè)中，通常要考慮該項對距離觀測的影響，這一小段距離記為k，如圖(1.3)所示：

3)在儀器轉動中，由于機械安裝精度原因以及重力因素，豎直方向度盤與實際轉動角度不完全相符。

4)儀器橫軸與豎軸不垂直產生的誤差稱為橫軸傾斜誤差，豎軸是垂直的，而橫軸不與其正交，其產生原因是儀器裝配時支架兩端不等高造成，或是橫軸兩端的軸徑不相等，這樣穿過橫軸的中心直線與理論上的橫軸中心線會形成夾角，導致儀器在豎直方向轉動時，支架更高的一側或者軸徑稍大的一側轉動與理論橫軸中心線的偏離程度更大，因此出現(xiàn)誤差。

5)掃描儀觀測時無需人工照準目標，其激光發(fā)射軸類似于全站儀望遠鏡的視準軸，由于機械加工精密度導致儀器在轉動時發(fā)射鏡筒會晃動，從而使得激光發(fā)射軸不和橫軸正交，該誤差稱為激光發(fā)射軸誤差。

3、外部因素誤差分析

除儀器本身的誤差外，觀測目標反射面和外界環(huán)境對觀測精度也有影響。如，當測距激光束投射到鏡像反射面時，反射面將依據(jù)光學反射定律對測距激光束進行反射，當測距激光束投射到一個棱邊時，會產生“彗尾”現(xiàn)象當然，一部分激光返回，另一部分則由棱后方的障礙物處返回，接收的信號是多個返回信號的均值，通常實測距離長于應測距離；當然，最常見是入射激光與目標反射面不正交會引起激光腳點的偏差。

四、結語

綜上所述，本文主要從三維激光掃描技術的概述出發(fā)，闡述三維激光掃描儀的工作原理，最后對三維激光掃描儀的誤差進行分析。三維激光掃描技術已成為測繪領域的一個新的研究熱點，加強其誤差分析，能有效提升在應用中測量精度。

[1]羅德安.地面激光掃描儀的精度影響因素分析[J].鐵道勘察，2007(4)

[2]張書畢.測量平差[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008