入射角和距離對點云精度綜合影響的評定

吳 棟，凌勝仁，劉云龍

(蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215027)

1 引言

三維激光掃描技術是近幾年來國際上興起的一種新型測量技術，是測繪領域的又一次技術革新。通過三維激光掃描儀能快速獲取被攝物體表面的點云數據，提取三維坐標，具有快捷、實時、高精度、低成本、無接觸、易操作等特點［1］，在三維重建等領域廣泛應用。同時，國內外許多學者都對三維激光掃描儀的測量精度進行了研究，鄭德華等指出了測距誤差和掃描角誤差是三維激光掃描誤差的主要誤差源之一［2］;Derek D.Lichti 利用室內標定場和自標定方式對三維激光掃描儀進行了誤差分析［3］;劉春等提高了三維激光掃描儀的測距精度和測水平角精度［4］;謝宏全等通過建立室外檢校場來檢驗徠卡C10 的測距精度與水平角精度［1］，［5］。

本文通過室外標定場，依據實際工程環(huán)境，設計合理有效的入射角和距離對精度影響的檢定試驗。試驗時，采用Z+F IMAGER 5006h 三維激光掃描儀獲得試驗數據，將三維激光掃描儀的掃描結果與經加常數和乘常數改正的全站儀測量結果進行比較，研究不同入射角與距離對三維激光掃描儀測量精度的綜合影響。試驗結合隧道三維激光測繪案例，為城市地下工程三維掃描方案和掃描作業(yè)提供了技術參考。

2 標定場設計與數據獲取

2.1 試驗器材

本文采用的三維激光掃描儀為德國Z+F 的IMAGER 5006 h，主要技術參數如表1 所示［6］。

2.2 試驗方案設計

本文在室外標定場對儀器精度進行評定。圖1為所采用的室外標定場。

表1 Z+F IMAGER 5006h 主要技術參數

圖1 室外標定場

采用全站儀無棱鏡多次精測方式測出所有靶標的中心坐標，全站儀事先經過檢校測得其加常數與乘常數，并對測量結果進行改正，確保結果可作為檢定三維激光掃描精度的標準。為有效分析掃描儀的水平角精度和距離對精度的影響，本文在垂直于1 號標靶且距離為5 m，10 m，20 m，30 m 和40 m 處分別設站進行點云掃描，并在室外標定場設置4 個靶球，用于不同設站之間點云的配準。

2.3 數據獲取

根據上節(jié)所示的試驗方案以指定的流程完成試驗，在試驗過程中做好過程控制。主要試驗步驟如下:①按照設計方案布設試驗場地;②用全站儀配合棱鏡建立局部坐標系，在局部坐標系中多次精測每一靶標的中心坐標，用三維激光掃描儀依次在各個掃描站完成掃描作業(yè);③將全站儀靶標數據和掃描儀掃描數據導出;④獲取點云數據后，采用與三維激光掃描儀配套的點云處理軟件Z+F Laser Control 進行不同設站點云的配準以及靶標中心坐標的提取。在處理時可將點云影像放大，并采用自動識別靶標中心的方式得出靶標中心坐標，確保坐標提取的精確性與高效性。

3 數據分析

在試驗場上按照前節(jié)所述的實驗方案布設平面靶標和靶球，使用全站儀(Topcon 7502C)實測平面標靶，得到靶標中心的坐標。將各掃描站得到的三維點云通過4 個靶球轉換到全站儀所在的坐標系下。分別在各站掃描點云中使用隨機自帶軟件Z+F Laser-Control 提取各個靶標的中心坐標，如表2 所示。

表2 各掃描站點云提取的靶標中心坐標誤差

綜合分析表1 可知，各個掃描站在在P1—P5 靶標都表現(xiàn)較類似的精度，在P6 之后的靶標表現(xiàn)較大的誤差，即在P5 點之后發(fā)生了跳變，精度銳減。分析原因，針對試驗三維掃描儀的掃描情況，隨著距離的拉長，精度變化明顯，達到一定距離后，點位精度差別明顯。

為更加直觀的分析掃描儀入射角、距離和靶標中心的測量精度的關系，將數據以折線圖的形式表示出來，如圖2 所示。

圖2 各掃描站點云提取的各靶標中心點位誤差

圖3 入射角度對精度的影響

由圖3、圖4 可知，掃描儀測量誤差隨入射角和距離的增大，開始表現(xiàn)平穩(wěn)，但到達一個閾值之后誤差急劇增加。各個掃描站的掃描誤差增大的起始角度數值不同，隨著掃描距離的的增大，該起始角度數值越來越小。在垂直入射角時，掃描儀測量誤差隨距離的增大而增大。

圖4 距離對精度的影響

4 在地下工程測繪中的指導作用

，根據入射角與距離對點云精度的綜合影響的分析可知，在大型工程中應用三維激光掃描技術時距離零入射角距離20 m(P5 點)之后測量誤差急劇增大。因此，本文提出在正常的濕度環(huán)境下若使用Z+F IMAGER 5006h 的superhigh 模式進行多站掃描兩測站的距離不宜大于40 m，如圖5 所示。

圖5 適宜濕度條件下地下工程三維激光多站掃描方案

為了驗證上述結論，試驗證明在站距小于35 m的情況下隧道點云數據拼接最大誤差為12.6 mm時能達到較好的拼接效果。當站距大于35 m 情況下拼接誤差較大，為56.7 mm。導致點云拼接誤差特別大的原因是地下隧道霧氣重、入射角度大而導致有效點云數減少，拼接數不足，精度變化大，無法達到自帶軟件的拼接精度要求。

5 結束語

本文通過建立室外標定場，以Z +F 公司生產的IMAGER 5006h 為試驗對象，研究入射角與距離對三維激光掃描儀測量精度的綜合影響，并結合隧道三維激光測繪案例分析，為城市地下工程測繪時掃描方案和三維掃描作業(yè)提供技術參考。試驗表明，掃描儀測量誤差隨距離和角度的增大，開始表現(xiàn)平穩(wěn)，但是到一定閾值后，掃描儀點位測量誤差急劇增加。根據這個特點提出，在設計IMAGER 5006 h 三維激光掃描儀多站掃描方案時，(在適宜的濕度環(huán)境下)站距不宜大于40 m。但地下工程實例表明:當濕度增大和水汽嚴重的情況下，由于水汽對激光的散射作用，應該在根據工程需求又保證精度的條件下，適當減小站距。因此，為保證測量精度，提高作業(yè)效率，在施工作業(yè)時，應視外界環(huán)境變化適當調整站間距。

由于濕度環(huán)境難以模擬，本文未對濕度和三維激光掃描儀的測量誤差進行研究，后續(xù)將對濕度和測量精度的關系作進一步的研究。

［1］謝宏全，高祥偉，徐孝偉.地面三維激光掃描儀水平角精度檢校試驗研究［J］.測繪通報，2014，(8):52－54.

［2］鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析［J］.測繪工程，2005，14(2):32－34.

［3］Lichti D D.Error modelling，calibration and analysis of an AM-CW terrestrial laser scanner system［J］.Isprs Journal of Photogrammetry ＆ Remote Sensing，2007，61(5):307－324.

［4］劉春，張?zhí)N靈，吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評估［J］.工程勘察，2009，(11):56－60.

［5］謝宏全，高祥偉，邵洋.地面三維激光掃描儀測距精度檢校試驗研究［J］.測繪通報，2013，(12):25－27.

［6］Z+F，Gmbh.Z +F IMAGER 5006h User Munual［Z］.Germany:Z+F Gmbh，2013.

［7］張洪棟，劉翔，時振偉，等.影響地面三維激光掃描儀數據質量的因素分析［J］.測繪與空間地理信息，2014，(2):183－186.

［8］張永彬，高祥偉，謝宏全，等.地面三維激光掃描儀距離測量精度試驗研究［J］.測繪通報，2014，(12):16－19.