浅析地面三维激光精度控制技术..doc

浅析地面三维激光扫描精度控制技术 杨晓锋 陈向阳 （国家测绘局第二地形测量队 陕西西安 710054 ） 摘 要：随着信息化程度的不断提高，三维空间数据的快速、高精度获取技术需求迫切，三维激光扫描技术应运而生。目前该技术在国内还处于探索应用阶段，本文介绍了三维激光扫描技术原理以及工作流程，重点以适合于测绘行业应用的Leica ScanStation 2为例，介绍其精度，分析扫描测量精度的影响因素，理论结合实例应用总结提出地面三维激光扫描测量精度控制方法。 关键词：表面模型 激光扫描 精度 1.引言 三维激光扫描仪三维测量和实体建模是基于大量实体表面坐标点数据，即所谓的“点云”数据。获取空间实体表面模型时必然要从不同的角度去扫描，然后拼接为整体模型，成果是依据拼接后的点云数据制作而成，过程繁多。最终三维测量精度和建模的真实程度就受到了很多因素的影响，例如：扫描仪自身精度、扫描控制网精度、标靶分布和获取的精度、扫描仪采样间隔和主距、多站扫描数据拼接、基于点云数据的量测、线画图和三维模型制作等等。本文旨在分析地面三维激光扫描精度影响因素，探究精度控制技术[3]。 2．地面三维激光扫描技术 地面三维激光扫描技术是Lidar（Light Detection And Ranging ）技术的静态地面应用，由于其显著的高精度、高速度三维数据采集特征，被誉为HDS（High Definition Surveying）技术。目前市场上该类产品种类很多，真正适合于测绘行业，能够较大范围、高精度获取数据的不多；本文以Leica SanStation 2仪器的应用为例分析探究精度控制方法。 Leica SanStation 2采用脉冲式激光扫描方式，测量速度快，精度高，可以相当密集地对空间实体表面进行扫描测量。Leica SanStation 2技术特点如下： 1、高速、高精度，50000点/s，最大分辨率为1mm采样间隔，有效范围内点位精度可以达到6mm，距离精度4mm；标靶特征点精度可以达到2mm。 2、全方位扫描， 360°×270°，测量有效距离300m（90%反射率的物体）。 3、全站式扫描工作站，集成了全站仪功能；扫描仪控制、数据采集、数据传输、数据处理一体化。 4、融入了定时自检测、双轴补偿，减少误差源。 3．Leica SanStation 2测量和三维建模工作流程 三维激光扫描仪通过外业扫面可以直接获取地理空间物体的三维表面坐标数据和信号强弱数据，扫描最终成果主要有三部分：一是真彩色点云数据；二是线画图，包括平面、立面、剖面图以及其他测量图件；三是区别于传统虚拟技术的真实三维模型。三维激光扫描仪工作流程如图1所示： 图1：三维激光扫描仪工作流程 4．误差分析 激光扫描测量系统通过测量距离和激光束的空间方位以求算激光脚点在仪器坐标系下的坐标，数据的水平精度和垂直精度与众多因素有关。地面三维激光扫描仪的精度影响因素和误差累积过程如图2所示： 图2：地面三维激光扫描误差累积过程 4.1分站扫描采集数据误差 分站数据采集误差包括激光测距误差和扫描操作引起的误差，激光测距除了系统误差影响之外还会受到测量环境的影响，例如：大气的能见度、杂志颗粒的含量、环境中不稳定因素、测量对象表面状况等等。操作误差主要会引起激光斑点大小、强度、分布密度的变化而导致误差产生。 4.2点云拼接 点云拼接是地面三维激光扫描的关键技术，是误差的主要来源。拼接方案直接导致测量精度的级别，例如基于常规测量数据的控制点拼接精度为cm级；基于点云特征点拟合数据拼接精度为mm级。 4.3基于点云数据制作模型和线化图 模型和线化图制作完全依据点云数据，误差很难避免，产生误差主要是由于重复扫描、拼接误差、视角误差等等原因。 5.精度控制方法 通过以上地面激光扫描误差累积过程分析，三维地面激光扫描精度提高主要取决于数据采集、拼接、后续处理三个部分。 5.1分站扫描采集数据精度控制 分站扫描采集数据是在扫描仪默认坐标系下的相对三维坐标，数据精度主要取决于激光测距干扰引起的误差和扫描仪操作引起的误差。 5.1.1适宜的环境 包括大气环境，测量对象表面状况等等。一般尽可能选择晴朗、大气环境稳定、能见度高、0℃-40℃气温的环境中扫描作业，减少大气中水汽、杂质等对于激光传输路径以及传输时间的影响；对于目标对象的透射或者镜面反射表面要做处理后扫描测量，防止丢失信号、弱激光信号对精度的影响；尽可能避免非静态因素的影响，例如：人流、车流、风动树叶等等。 5.1.2激光斑点大小、信号强弱控制 扫描前期的布站、扫描范围的圈定和采样密度都会影响到激光束到达目标对象表面的面积大小，斑点面积越小对于特征点线数据的测量越为精细。但是很难做到精细控制，只能宏观控制。激光斑点大小