三維激光掃描儀測量誤差淺談

魏新元 （懷邵衡鐵路公司，湖南 長沙 410007）

1 引言

張吉懷高速鐵路的建設過程中全線推廣三維激光掃描儀的應用，主要應用于隧道初期支護及二次襯砌的斷面復核測量，由于前期管理或其他原因，導致個別標段的測量結果與傳統的全站儀測量結果存在較大的差異。根據三維激光掃描數據與全站儀測量數據反映初期支護斷面最大偏差值達5.2cm,偏差已經遠遠高于規范要求，影響施工質量。對于上述測量結果，張吉懷鐵路建設單位、三維激光掃描儀設備廠商、監理單位及相關施工單位在張吉懷鐵路某隧道進行現場實測并分析。

2 三維激光掃描技術的測量原理

以法如Focus M70為例，三維激光掃描的測量原理為：三維激光掃描儀發射激光脈沖測定發射中心點至三維激光腳點之間的斜距S，通過精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖，在豎直方向的豎直角α，在水平方向的水平角β，其中X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直（如右圖）,三維激光腳點相對激光發射中心點坐標增量計算公式如下:

式中：s為三維激光掃描儀激光中心點到靶點的斜距；α為豎直角；β為水平角。

由上式可見，三維激光腳點的坐標精度受三維激光掃描儀激光發射中心點到靶點的斜距、豎直角、水平角的測量精度的影響。

3 現場測量實施方案

3.1 測量斷面里程設定

設定20m的初期支護斷面作為三維激光掃描儀的待測里程范圍，在上述里程范圍內設定5m為一個斷面作為全站儀的測量的特征斷面。

3.2 特征標靶點設定

特征標靶點按順序對稱貼于待測段表面，共設定4個，間距為5m，用鋼筋或膠水固定。

3.3 全站儀設定

為了避免全站儀后視引起的誤差，利用同一臺全站儀進行特征標靶點的坐標測量及對比的特征斷面的斷面測量，從設站開始至測量完成，全站儀都由同一組人員進行操作，整個過程中保證全站儀不發生移動。

3.4 三維激光掃描儀設定

用不同型號的三組三維激光掃描儀分別對待測的初期支護里程進行掃描測量，三維激光掃描儀位置在全站儀前后15m左右。三組激光掃描儀均架設在同一位置，且標靶球的架設高度與掃描儀的架設高度基本相同。

3.5 單組數據測量步驟及現場測量實施情況

單組數據測量步驟：全站儀進行特征標靶點坐標測量及特征斷面測量→全站儀測量標靶球坐標→三維激光掃描儀進行測量→全站儀再次復核測量特征標靶點坐標。

現場測量實施情況：第一組數據測量時空氣質量較好，后視的標靶球4個；第二、三組數據測量時空氣質量一般，后視的標靶球2個。

4 測量數據對比分析

4.1 標靶點坐標數據對比分析

從表1中的對比數據可以看出，采用相同的硬件設備，第一組AmbergTunnel軟件分析數據最大差值為10mm，最小差值跟全站儀數據相同；第二組SCENE軟件分析數據最大差值為17mm，最小差值為4mm；第三組SCENE軟件分析數據最大差值為26mm，最小差值為1mm。由于測量硬件均為法如Focus M70，消除了硬件原始數據采集造成的誤差影響，說明分析軟件的不同也是造成誤差的一個重要方面。

4.2 特征斷面對比分析

從上圖1、表2中的對比數據分析，第一組數據與全站儀測量的斷面最為吻合，原因分析為第一組數據測量時空氣質量好，后視的標靶球有4個，約束點位多，相當于本次三維激光掃描測量組中后視點位的相對精度最高，所以測量數據精度最高。

圖1 3D掃描儀與全站儀特生斷面實測對比圖

5 三維激光掃描儀測量誤差分析

經過上述原理說明及現場實測進行總體分析，采用三維激光掃描儀測量產生誤差主要有以下幾個方面。

①三維激光掃描儀本身不帶有全站儀定位的作用，所有掃描的數據絕對定位都來自全站儀坐標傳遞，這一步驟有兩個誤差來源，一是全站儀精度不一樣，二是測量控制點多數為臨時控制點。

②三維激光掃描儀本身的精度不足產生的誤差，特別是標靶球的定位裝置精度不一樣，會導致球棱鏡球面沒有完全對準掃描儀，導致坐標擬合的球心偏移產生誤差，即三維激光掃描儀的后視誤差，在掃描測量時會成倍放大。

③分析軟件計算方法的差異產生的誤差，配套的硬件與軟件能減少誤差。

④外界環境條件引起的誤差，主要包括外界環境條件引起的誤差,如空氣折光、空氣中粒子含量等因素的影響,當外界環境比較惡劣時對三維激光掃描儀數據采集的精度影響較大。

6 結束語

三維激光掃描儀在工程建設中的應用越來越廣，特別是在隧道、地下車站等受限空間結構的斷面測量中，其快速、高效的特性有廣泛的前景，但其精度管理也需同步提高。從本文中所分述的誤差產生的原因，在現在的硬件、軟件條件下應做好如下幾點，提高其精度：一是對三維激光掃描測量進行人員專業培訓，減少人為誤差；二是全站儀后視誤差一定要達到規范要求，減少坐標傳遞誤差，并且應增加標靶球的數量來提高掃描儀的后視精度；三是每次掃描距離不應過長，最好控制在20m～30m范圍內；四是盡量改善測量時外界環境。

3D掃描儀與全站儀標靶點測量數據對比分析數據表 表1

3D掃描儀與全站儀斷面測量數據對比分析數據表 表2