地面三維激光掃描點(diǎn)云精度影響因素分析

劉曉文，徐 工，余 躍

(山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新興技術(shù),被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”[1-3]。傳統(tǒng)三維數(shù)據(jù)采集手段如GPS、全站儀等均是單點(diǎn)采集三維坐標(biāo),方法效率低[4-6],難以詳盡描述實(shí)體,操作繁瑣。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法,能快速提取物體表面海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)踐生產(chǎn)中,對(duì)于工程建設(shè)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著地面激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展,掃描精度問題受到越來越多的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地面三維激光掃描的測量成果精度評(píng)定,尚未形成成熟通用的方法和量化指標(biāo)。三維激光掃描技術(shù)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(shù)據(jù)采集精度的影響因素,為地面三維激光掃描技術(shù)在測繪行業(yè)中的應(yīng)用和工程實(shí)踐提供參考,以提高工作效率,為工程實(shí)踐提供相應(yīng)的參考。

1 實(shí)驗(yàn)概況

地面三維激光掃描點(diǎn)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(huán)境誤差、目標(biāo)表面引起的誤差,本文將針對(duì)其中非人為、非偶然因素進(jìn)行分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)設(shè)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(diǎn)云精度的影響因素主要有掃描距離、傾角、材質(zhì)、顏色與環(huán)境因素(包括溫度、濕度、光照),因而針對(duì)上述因素分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),研究各因素的影響幅度與規(guī)律。其中環(huán)境因素實(shí)驗(yàn)在室外完成,其他實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)完成。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短,環(huán)境因素帶來的影響可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)所涉及距離以鋼尺丈量為準(zhǔn)真值。為保證實(shí)驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確性,本次實(shí)驗(yàn)對(duì)各目標(biāo)物體均掃描3次取平均值與準(zhǔn)真值進(jìn)行比較。

1.2 精度評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)從以下2個(gè)方面進(jìn)行掃描精度評(píng)價(jià):

1)點(diǎn)云數(shù)量/密度.單位面積內(nèi),點(diǎn)云數(shù)量能更直觀的體現(xiàn)相鄰掃描點(diǎn)的間隔,即能間接體現(xiàn)掃描的精度。

2)目標(biāo)特征長度。所有的目標(biāo)對(duì)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(xiàn)掃描精度。

設(shè)定A、B兩點(diǎn)，(x1,y1)為A點(diǎn)的坐標(biāo)，(x2,y2)為B點(diǎn)的坐標(biāo)，S為目標(biāo)A、B兩點(diǎn)間距離。計(jì)算公式如下:

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 掃描距離對(duì)點(diǎn)云精度的影響分析

掃描距離[3]影響實(shí)驗(yàn)中,選取范圍為:3～60 m,每隔3 m對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度掃描,實(shí)驗(yàn)對(duì)象為黑色A4紙，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

通過表1可以看出,隨著掃描距離的增大,準(zhǔn)真值與掃描值的差值越來越大,點(diǎn)云數(shù)量逐漸減小,即掃描精度與掃描距離基本成反相關(guān)關(guān)系。

表1 不同掃描距離的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
Tab.1 Contrast table of experimental data with different scanning distances

距離/m長度/mm準(zhǔn)真值掃描Δ點(diǎn)云數(shù)量/個(gè)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(duì)點(diǎn)云精度的影響分析

本實(shí)驗(yàn)選取18°～180°,每隔18°對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度掃描,掃描對(duì)象為黑色A4紙，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

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

(1)

當(dāng)掃描目標(biāo)物體傾斜時(shí),掃描目標(biāo)物體表面切平面法線與激光光束方向不重合。當(dāng)表面切平面法線與激光光束方向的夾角為α?xí)r,存在如下幾何關(guān)系：

(2)

則引起激光腳點(diǎn)位置的最大偏差dS，

dS=S1-S

(3)

(4)

表2 不同傾角的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
Tab.2 Comparison table of experimental data with different dip angles

傾斜角度/(°)長度/mm準(zhǔn)真值掃描Δ點(diǎn)云數(shù)量/個(gè)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(dāng)傾角為90°時(shí)，準(zhǔn)真值與掃描值的差值最小，點(diǎn)云數(shù)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(diǎn)云數(shù)量逐漸減小，掃描精度與掃描傾角基本成正態(tài)分布關(guān)系。

2.3 材質(zhì)對(duì)點(diǎn)云精度的影響分析

本實(shí)驗(yàn)選取黑布、黑色硬紙殼、黑墻、黑紙、黑塑料5種材質(zhì)的目標(biāo)進(jìn)行高精度掃描,5種材質(zhì)的規(guī)格相同，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3、表4。

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

表3 不同掃描材質(zhì)點(diǎn)云的反射率
Tab. 3 Reflectivity of point clouds with different scanning materials

材質(zhì)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(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
Tab.4 Comparison table of experimental data of different materials

材質(zhì)長度/mm準(zhǔn)真值掃描Δ點(diǎn)云數(shù)量/個(gè)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(duì)點(diǎn)云精度的影響分析

本實(shí)驗(yàn)選取紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫、黑、白9種有代表性顏色的紙張進(jìn)行高精度掃描,其中9張不同顏色的紙張規(guī)格大小相同,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5、表6。

表5 不同顏色的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
Tab.5 Comparison table of experimental data of different colors

顏色長度/mm準(zhǔn)真值掃描Δ點(diǎn)數(shù)量/個(gè)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(lán)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(diǎn)云的反射率
Tab. 6 Reflectivity of different scanning color point clouds

顏色白紅橙黃綠藍(lán)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(dāng)顏色為白色時(shí),反射率最高,而且白色點(diǎn)云數(shù)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(lán)色、靛色、紫色、黑色[7-8]。

2.5 環(huán)境對(duì)點(diǎn)云精度的影響分析

本實(shí)驗(yàn)分2部分:(1)在陰天、霧天、雨天、晴天4種不同天氣對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度掃描;(2)在6:30-20:30期間每隔30 min對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度掃描。所用目標(biāo)為校園內(nèi)固定的垃圾箱,垃圾箱的選擇不具有任何特殊意義,只為區(qū)分不同天氣、不同光照掃描與點(diǎn)位精度和反射率的影響[9-11]。本實(shí)驗(yàn)掃描時(shí)間較短,實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在開闊場地進(jìn)行,因?qū)嶒?yàn)天氣風(fēng)極其微小,風(fēng)力引起的晃動(dòng)也可以忽略不計(jì)。溫度、濕度、能見度、氣壓、PM值均進(jìn)行了記錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7、表8。

2.5.1 天氣對(duì)掃描精度的影響

表7 不同天氣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(zhǔn)真值掃描Δ點(diǎn)云數(shù)量/個(gè)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(diǎn)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(zhǔn)真值是有差異的。當(dāng)天氣為陰天時(shí)對(duì)掃描長度精度影響小,當(dāng)天氣為雨天時(shí)對(duì)掃描長度精度影響大。不同天氣的掃描對(duì)反射率有一定的影響,當(dāng)天氣為晴天時(shí),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(duì)掃描精度的影響較小,可以忽略不計(jì)。

2.5.2 其它環(huán)境因素對(duì)掃描精度的影響

表9、表10依次為不同環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表9 不同環(huán)境條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(zhǔn)真值掃描Δ點(diǎn)云數(shù)量/個(gè)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(huán)境條件掃描的點(diǎn)云反射率
Tab.10 Reflectivity of point clouds scanned in different environmental conditions

一天中不同時(shí)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(huán)境因素,不同階段對(duì)同一目標(biāo)的掃描結(jié)果是有差異的?？傮w趨勢(shì)來看,光照強(qiáng)烈時(shí)段,掃描反射率較低,點(diǎn)云數(shù)量較少,其掃描精度相對(duì)較低;反之,光照弱時(shí)段,掃描反射率較高,點(diǎn)云數(shù)量較多,其掃描精度相對(duì)較高。因而在環(huán)境因素當(dāng)中,光照強(qiáng)度起了主導(dǎo)作用， 相應(yīng)的溫度、濕度、能見度對(duì)掃描精度的影響較小。

3 結(jié)束語

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