天宝GX200地面三维激光扫描仪系统误差分析

孙 宁

江西中煤建设集团有限公司

天宝GX200地面三维激光扫描仪系统误差分析

孙 宁

江西中煤建设集团有限公司

三维激光扫描技术是一种新兴的全自动高精度测量技术，能在短时间内大面积高密度地获取目标的空间点云数据，逼真细腻地描述目标表面。但三维激光扫描仪作为一种测量仪器，在使用过程中存在各种误差导致影响测量结果，本文主要对三维激光扫描仪在应用过程中误差进行了分析探究。

扫描仪；系统误差；分析

一、三维激光扫描技术的概述

三维激光扫描技术是一种新兴的全自动高精度测量技术，利用三维激光扫描仪能在短时间内大面积高密度地精确获取目标的空间数据，因此三维激光扫描技术也是激光技术和视觉仿真相结合的一个重要产物。三维激光扫描仪作为一种光学、机械、电子高度集成的精密仪器，与以传统测量手段相比，三维激光扫描技术具有以下特点：主动性强，非接触性测量，数据获取速度快，能适应全天候全地形工作；数据采样率高，突破单点采集模式，以高密度高分辨率获取丰富的数据；通过海量的点云模拟被测物体表面，效果逼真；系统全数字化作业，信息的传输加工便捷、成果兼容性广泛等。

二、三维激光扫描仪的工作原理

对地面三维激光扫描系统中最主要的硬件设备是扫描仪，以脉冲测距型扫描仪为例，工作原理如图(1.1)所示。

图1.1 地面激光扫描仪工作原理示意图

在上图，光源通过发射系统发射一束激光，照到观测目标后返回内置数据处理器，其物理频率和往返时间被记录用以计算。某点被扫描时激光输出距离计算公式为D=ct/2(c为激光在空气中的传播速度，t为传播时间)。同时，仪器在水平方向转过的角度β和竖直方向转动角度α也被度盘记录。如图(1.2)所示，激光发射中心为0点，垂直步进电机驱动激光镜围绕水平轴X旋转，扫描扇面为YOZ，水平步进电机驱动仪器上半部分围绕垂直轴Z旋转，扫描扇面为XOY平面，从而实现在某站上仪器空间扫描范围O-XYZ内部坐标系中所有目标的观测。水平方向观测范围一般为360°，由于仪器下部旋转结构遮挡，竖直方向约为几十度到310°。

如图1.3所示，在右手直角坐标系O-XYZ中，记P点坐标为(x, y, z)。由空间三角关系，可得到三个坐标轴方向的坐标值：x=D·cosa·cosβ、y=D·cosa·sinβ、z=D·sina。

三、三维激光扫描仪误差分析

1、误差来源

1)仪器本身误差。主要是扫描仪测距和角度测量误差，主要由设计、制造缺陷或仪器老化问题；

2)仪器配套设施的误差。主要反射面的材质、光谱性质、粗糙度等对激光测距产生误差，激光性质不同的仪器，影响也不同，但整体上有一定规律；

3)外界环境影响。作业环境中大气温度、湿度，尘埃粒子，光照变化等因素对激光的传播有一定影响。

2、仪器误差影响分析

扫描仪运行结构可近似看做一台高性能的全站仪，检校的误差也可参照全站仪进行：

1)测距乘常数是测距误差中的比例部分，研究表明当扫描距离小于30米时，它对测距的影响可忽略不计；

2)仪器的激光发射起算点M位于扫描仪的激光发射单元内部中心，仪器的轴系中心O点是水平轴HH与竖轴VV、激光发射轴M0的交点，理论上M点与O点是同一个点，但是由于机械制造工艺以及结构的固有原因，二者间有很小的距离，这是测距加常数误差产生的原因，在精密测量作业中，通常要考虑该项对距离观测的影响，这一小段距离记为k，如图(1.3)所示：

3)在仪器转动中，由于机械安装精度原因以及重力因素，竖直方向度盘与实际转动角度不完全相符。

4)仪器横轴与竖轴不垂直产生的误差称为横轴倾斜误差，竖轴是垂直的，而横轴不与其正交，其产生原因是仪器装配时支架两端不等高造成，或是横轴两端的轴径不相等，这样穿过横轴的中心直线与理论上的横轴中心线会形成夹角，导致仪器在竖直方向转动时，支架更高的一侧或者轴径稍大的一侧转动与理论横轴中心线的偏离程度更大，因此出现误差。

5)扫描仪观测时无需人工照准目标，其激光发射轴类似于全站仪望远镜的视准轴，由于机械加工精密度导致仪器在转动时发射镜筒会晃动，从而使得激光发射轴不和横轴正交，该误差称为激光发射轴误差。

3、外部因素误差分析

除仪器本身的误差外，观测目标反射面和外界环境对观测精度也有影响。如，当测距激光束投射到镜像反射面时，反射面将依据光学反射定律对测距激光束进行反射，当测距激光束投射到一个棱边时，会产生“彗尾”现象当然，一部分激光返回，另一部分则由棱后方的障碍物处返回，接收的信号是多个返回信号的均值，通常实测距离长于应测距离；当然，最常见是入射激光与目标反射面不正交会引起激光脚点的偏差。

四、结语

综上所述，本文主要从三维激光扫描技术的概述出发，阐述三维激光扫描仪的工作原理，最后对三维激光扫描仪的误差进行分析。三维激光扫描技术已成为测绘领域的一个新的研究热点，加强其误差分析，能有效提升在应用中测量精度。

[1]罗德安.地面激光扫描仪的精度影响因素分析[J].铁道勘察，2007(4)

[2]张书毕.测量平差[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008