地面三維激光掃描點云精度影響因素分析

劉曉文，徐 工，余 躍

(山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049)

三維激光掃描技術是近年來發展起來的一門新興技術,被譽為“繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命”[1-3]。傳統三維數據采集手段如GPS、全站儀等均是單點采集三維坐標,方法效率低[4-6],難以詳盡描述實體,操作繁瑣。三維激光掃描技術突破了傳統的單點測量方法,能快速提取物體表面海量三維坐標數據,將三維激光掃描技術應用到工程實踐生產中,對于工程建設具有很強的現實意義。

隨著地面激光掃描技術的快速發展,掃描精度問題受到越來越多的關注。國內外學者對于地面三維激光掃描的測量成果精度評定,尚未形成成熟通用的方法和量化指標。三維激光掃描技術的研究仍處于不斷探索階段[7-9]。本文將分析地面三維激光掃描數據采集精度的影響因素,為地面三維激光掃描技術在測繪行業中的應用和工程實踐提供參考,以提高工作效率,為工程實踐提供相應的參考。

1 實驗概況

地面三維激光掃描點位精度的影響因素有很多[10-11],總體來說,主要有儀器誤差、觀測誤差、環境誤差、目標表面引起的誤差,本文將針對其中非人為、非偶然因素進行分析。

1.1 實驗介紹

實驗設備選擇Z+F IMAGER5006H三維激光掃描儀,脈沖式紅色激光,波長630 nm,儀器最大測程為79 m。點云精度的影響因素主要有掃描距離、傾角、材質、顏色與環境因素(包括溫度、濕度、光照),因而針對上述因素分別設計實驗,研究各因素的影響幅度與規律。其中環境因素實驗在室外完成,其他實驗在室內完成。室內實驗時間較短,環境因素帶來的影響可以忽略不計。實驗所涉及距離以鋼尺丈量為準真值。為保證實驗的精度和準確性,本次實驗對各目標物體均掃描3次取平均值與準真值進行比較。

1.2 精度評價

本實驗從以下2個方面進行掃描精度評價:

1)點云數量/密度.單位面積內,點云數量能更直觀的體現相鄰掃描點的間隔,即能間接體現掃描的精度。

2)目標特征長度。所有的目標對象均是由一些長度特征組成的,所以長度測量精度也可以體現掃描精度。

設定A、B兩點，(x1,y1)為A點的坐標，(x2,y2)為B點的坐標，S為目標A、B兩點間距離。計算公式如下:

2 實驗分析

2.1 掃描距離對點云精度的影響分析

掃描距離[3]影響實驗中,選取范圍為:3～60 m,每隔3 m對目標進行高精度掃描,實驗對象為黑色A4紙，實驗數據見表1。

通過表1可以看出,隨著掃描距離的增大,準真值與掃描值的差值越來越大,點云數量逐漸減小,即掃描精度與掃描距離基本成反相關關系。

表1 不同掃描距離的實驗數據對比
Tab.1 Contrast table of experimental data with different scanning distances

距離/m長度/mm準真值掃描Δ點云數量/個3296.0295.3-0.764256296.0295.2-0.839799296.0295.2-0.8385012296.0295.1-0.9111815296.0294.7-1.382518296.0294.7-1.358821296.0294.6-1.435224296.0294.4-1.633027296.0294.4-1.628030296.0293.7-2.323433296.0293.3-2.719236296.0293.1-2.916539296.0293.1-2.915442296.0292.4-3.613045296.0291.5-4.510848296.0290.8-5.28851296.0290.1-5.97754296.0290.1-5.97057296.0286.4-9.64060296.0284.8-11.23663296.0281.6-14.43666296.0279.1-16.93269296.0277.4-18.62472296.0273.1-22.921

2.2 掃描傾角對點云精度的影響分析

本實驗選取18°～180°,每隔18°對目標進行高精度掃描,掃描對象為黑色A4紙，實驗數據見表2。

由于激光發射和接收共用一條光路,且激光光束具有一定的發散角,掃描到目標物體表面形成激光腳點光斑。 激光腳點光斑的大小d、激光發射孔徑D和激光光束發散角γ,存在如下關系式中,S為激光發射點到物體表面上激光腳點中心之間的距離。

(1)

當掃描目標物體傾斜時,掃描目標物體表面切平面法線與激光光束方向不重合。當表面切平面法線與激光光束方向的夾角為α時,存在如下幾何關系：

(2)

則引起激光腳點位置的最大偏差dS，

dS=S1-S

(3)

(4)

表2 不同傾角的實驗數據對比
Tab.2 Comparison table of experimental data with different dip angles

傾斜角度/(°)長度/mm準真值掃描Δ點云數量/個18210.0208.8-1.2213936210.0208.7-1.3502954210.0208.9-1.1761972210.0208.9-1.1785090210.0208.9-1.17955108210.0208.8-1.27227126210.0208.9-1.15723154210.0208.8-1.24348162210.0208.8-1.23582180210.0208.7-1.32605

通過表2可以看出，當傾角為90°時，準真值與掃描值的差值最小，點云數量最多,掃描精度最高.隨著掃描傾角與90°的差值增大，特征長度掃描誤差逐漸增大，點云數量逐漸減小，掃描精度與掃描傾角基本成正態分布關系。

2.3 材質對點云精度的影響分析

本實驗選取黑布、黑色硬紙殼、黑墻、黑紙、黑塑料5種材質的目標進行高精度掃描,5種材質的規格相同，實驗數據見表3、表4。

通過表3、表4可以看出,隨著材質的粗糙程度增大,點云的反射率逐漸變小,點云數量逐漸增多,掃描誤差變化不大,但整體呈減小的趨勢,掃描精度總體提高。

表3 不同掃描材質點云的反射率
Tab. 3 Reflectivity of point clouds with different scanning materials

材質黑布黑硬紙殼黑墻黑紙黑塑料反射率0.7070.6580.5980.5800.284

表4 不同材質的實驗數據對比
Tab.4 Comparison table of experimental data of different materials

材質長度/mm準真值掃描Δ點云數量/個黑布296294.8-1.26595黑硬紙殼296294.8-1.26492黑墻296294.8-1.26470黑紙296294.9-1.16336黑塑料296295.7-0.36138

2.4 顏色對點云精度的影響分析

本實驗選取紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫、黑、白9種有代表性顏色的紙張進行高精度掃描,其中9張不同顏色的紙張規格大小相同,實驗數據見表5、表6。

表5 不同顏色的實驗數據對比
Tab.5 Comparison table of experimental data of different colors

顏色長度/mm準真值掃描Δ點數量/個白296.0295.2-0.86715紅296.0294.7-1.36678橙296.0294.6-1.46595黃296.0295.2-0.86515綠296.0295.4-0.66489藍296.0294.7-1.36426靛296.0295.2-0.86386紫296.0295.1-0.96240黑296.0294.9-1.16117

表6 不同掃描顏色點云的反射率
Tab. 6 Reflectivity of different scanning color point clouds

顏色白紅橙黃綠藍靛紫黑反射率0.760 0.7350.7270.6710.6130.5490.5310.5120.475

通過表5、表6可以看出,當顏色為白色時,反射率最高,而且白色點云數量最多。由于這7種光的波長就是從長到短排列的。紅色光波長最長。紫色光波長最短;紅光的傳播速度最大,紫光的傳播速度最小;紅光的折射率最小,紫光的最大,其次依次是紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛色、紫色、黑色[7-8]。

2.5 環境對點云精度的影響分析

本實驗分2部分:(1)在陰天、霧天、雨天、晴天4種不同天氣對目標進行高精度掃描;(2)在6:30-20:30期間每隔30 min對目標進行高精度掃描。所用目標為校園內固定的垃圾箱,垃圾箱的選擇不具有任何特殊意義,只為區分不同天氣、不同光照掃描與點位精度和反射率的影響[9-11]。本實驗掃描時間較短,實驗地點設置在開闊場地進行,因實驗天氣風極其微小,風力引起的晃動也可以忽略不計。溫度、濕度、能見度、氣壓、PM值均進行了記錄，實驗數據見表7、表8。

2.5.1 天氣對掃描精度的影響

表7 不同天氣的實驗數據對比
Tab.7 Comparison table experimental data for different weather

天氣溫度/℃濕度/%能見度/kmPM2.5長度/mm準真值掃描Δ點云數量/個陰28902.869780778.6-1.46 496晴2682637780778.9-1.16 451霧2575552780778.4-1.66 357雨24943.529780778.3-1.76 203

表8 不同天氣掃描的點云反射率
Tab. 8 Rreflectivity of point clouds in different weather

天氣晴陰霧雨反射率0.4550.4160.3870.361

通過表7、表8可以看出,不同天氣的掃描值與準真值是有差異的。當天氣為陰天時對掃描長度精度影響小,當天氣為雨天時對掃描長度精度影響大。不同天氣的掃描對反射率有一定的影響,當天氣為晴天時,反射率最大。其次為陰天、霧天、雨天。 由此看出溫度、濕度、能見度對掃描精度的影響較小,可以忽略不計。

2.5.2 其它環境因素對掃描精度的影響

表9、表10依次為不同環境條件下的實驗數據對比。

表9 不同環境條件下實驗數據對比
Tab. 9 Comparison table of experimental data under different environmental conditions

天氣溫度/℃濕度/%能見度/kmPM2.5長度/mm準真值掃描Δ點云數量/個6:302292636780.0778.5-1.567828:302682637780.0778.7-1.3651710:302872837780.0778.4-1.6645612:3029691039780.0778.6-1.4632114:3030651034780.0778.6-1.4653116:3030621030780.0778.4-1.6660218:302867933780.0778.5-1.5663720:302585828780.0778.7-1.36853

表10 不同環境條件掃描的點云反射率
Tab.10 Reflectivity of point clouds scanned in different environmental conditions

一天中不同時段6:308:3010:3012:3014:3016:3018:3020:30反射率0.5060.4720.4230.3770.3630.4870.4910.526

通過表9、表10可以看出,綜合光照、溫度、濕度、能見度等環境因素,不同階段對同一目標的掃描結果是有差異的。總體趨勢來看,光照強烈時段,掃描反射率較低,點云數量較少,其掃描精度相對較低;反之,光照弱時段,掃描反射率較高,點云數量較多,其掃描精度相對較高。因而在環境因素當中,光照強度起了主導作用， 相應的溫度、濕度、能見度對掃描精度的影響較小。

3 結束語

地面三維激光掃描點云精度受上述各種因素不同程度的影響。通過誤差、點云數量等的比較發現:掃描距離不宜選擇過大,過大不能保證點云的精度；也不宜選擇過小,過小會降低工作效率。掃描天氣中晴天掃描最佳,掃描時間選擇在上午和下午最佳,盡量避開中午光照強烈的環境下進行掃描。溫度、濕度、能見度對掃描精度的影響較小,在特定條件下可以忽略不計。