冯上朝

摘要：通过实验数据对三维激光扫描仪测距和测角的精度进行分析，得出此次实验采用的Leica Scanstation C10扫描仪在测量角度和距离时均存在系统误差，并分析说明了实验待测物体均在50米范围以内，实验采集的数据对于三维建模精度完全可靠可用。

Abstract： The experimental data are used to analyze the accuracy of the 3D laser scanner Distance measurement and Angle measurement. The Leica Scanstation C10 scanner used in this experiment has a systematic error in measuring of the angle and distance. Objects are within 50 meters range， the experimental data collected for 3D modeling accuracy is completely reliable.

关键词：三维激光；误差来源；精度分析

Key words： 3D laser；error source；precision analysis

中图分类号：P24 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0177-02

0 引言

传统测量主要采用全站仪、GPS、摄影测量等方法进行单点式和影像式数据采集，单点式数据获取方式对技术人员选取特征点有较高的要求且监测面比较小，不能全面表达目标物体的整体形态信息。影像式数据获取方式虽然采集区域较大，但采集数据精度受像控点、立体解析等环节原始精度限制，解算精度不高。目前，随着测量、机械、电子等学科的高速发展，使得三维激光扫描仪从研制到生产等环节都有了巨大的发展，其集光、机、电等各种技术于一身，它是从传统测绘计量技术并经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展起来的，是对多种传统测绘技术的概括及一体化，具有效率高、精度高、非接触测量、信息获取大、环境适应强等优势得到蓬勃发展，在基础测绘、工程测量、变形测量、数字城市、铁路、公路、考古研究等领域得到广泛应用。深度开发和拓展三维激光扫描技术在测绘领域的应用潜能，提高传统测量方法的作业效率和精度目前已成为该领域一个重要研究方向[1-4]。

本文主要研究三维激光扫描仪器基本原理和误差来源，应用误差理论对三维激光扫描技术精度进行分析和总结。

1 数据误差来源

扫描系统测量误差可以分为系统误差和偶然误差。系统误差引起三維激光扫描点的坐标偏差可以通过公式改正或修正系统予以消除或减小。所以，现阶段偶然误差仍然是激光扫描系统的主要来源，主要包括仪器自身误差、数据去噪建模产生的误差、距离误差、植被覆盖处的噪音误差等[5-6]。

影响三维激光扫描仪精度的因素主要有以下两方面：仪器误差、外界条件及反射面引起的误差[7]。

1.1 仪器误差

三维激光扫描仪本身的误差包括测距和测角因素引起的误差。

测距引起的误差一般是由激光测距系统造成的，主要包括：①周期性误差。主要是由发射及接收之间的电信号、光串扰而引起的；②加常数误差。加常数是电磁波测距仪的固有系统误差；③相位不均匀误差。因激光束位置不同进行距离测量造成的误差；④比例改正误差。基准频率偏离设定值时，会对测距结果产生与所测距离成相应比例的改正误差；⑤幅相误差。由于被测物体表面变化幅度较大，扫描仪接收到的信号也是剧烈变化的，会给测距结果带来误差。

角度误差一般为带动的马达扫描仪非匀速转动。主要是以下几个原因产生：①垂直度盘指标差；②视准轴误差；③偏心差。

1.2 测量实体反射所产生的误差

厂家在进行实验时选择的条件无疑是较为理想的状态，引起误差的主要原因包括被测物体的材质、颜色、反射面的光滑度等因素。这些条件状态主要影响测距范围以及仪器常数。

1.3 环境条件引起的误差

外界气象环境对测绘仪器测量精度的影响无法避免。三维激光扫描仪也不例外，包括气象条件影响，激光入射角度，“黑洞”现象等，因此三维激光扫描仪有必要避开恶劣环境条件，在气象条件稳定、适合的状况下，进行外业数据的采集，让外界因素造成的误差小一些。

2 三维激光扫描仪测距量角精度分析

三维激光扫描的精度一般是指扫描点云的坐标精度，它包括绝对精度和相对定位精度两种，同时精度还与测程有关系，点云的绝对中误差与距离测量和角度测量的精度有关[9]。

在此只对三维激光扫描仪自身的精度进行验证分析，因为其他影响因素可以的尽量避免，只要仪器的精度足够可靠，通过人为的控制可以大幅提高建模的精度。

通过对Leica Scanstation C10三维激光扫描仪和Leica TS15全站仪的两次实验，建立如何快速准确分析三维激光扫描仪精度的模型，最终解算出Leica Scanstation C10得出的点云数据的点位精度。

主要实验设备为：Leica Scanstation C10三维激光扫描仪以及随机配备的标靶球，其中标靶球半径规格为7.1cm；Leica TS15全站仪及棱镜，其精度高于Leica Scanstation C10扫描仪，可以用于与精度分析。

分别在距离扫描仪10m，20m，30m，40m，50m处布设5个标靶球，仪器及标靶架设位置见图1。

通过以上实验数据并结合《城市三维建模技术规范》，可以得出的结论是：Leica Scanstation C10三维激光扫描仪至少在扫描范围50m内，测距精度存在约3mm的系统误差；测角的精度根据实验数据进行计算得出仪器水平角系统误差为。实验测区三维模型的建立，在对目标实体扫描时，距离均在50m范围以内，作为建模的精度来说，徕卡Scanstation C10扫描的点云数据精度是可信可用的，完全做到模型可量可测，并可以进行其他相关应用。

3 结论

本文首先通过实验数据对三维激光扫描仪测距和测角的精度进行分析，得出此次实验采用的Leica Scanstation C10扫描仪在测量角度和距离时均存在系统误差，并分析说明了实验待测物体均在50米范围以内，实验采集的数据对于三维建模精度完全可靠可用。

参考文献：

[1]戚万叔.徕卡SanStationC10导线测量法在大型扫描项目中的应用[J].测绘通报，2013（6）：115-116.

[2]秦臻，朱号东，羌云娟，等.三维激光扫描噪声点分步剔除技术[J].测绘科学，2013，38（6）：140-142.

[3]丁延辉.地面三维激光数据配准研究[J].测绘通报，2009（2）：57-59.

[4]陈良良，隋立春，蒋涛，等.地面三维激光扫描数据配准方法[J].测绘通报，2014（5）：80-82.

[5]宫丽玮，张毅，闫利.基于Cyclone和PolyWorks的三维建模实现[J].地理空间信息，2012，10（4）：30-49.

[6]张洪栋，刘翔，时振伟.影响地面三维激光扫描仪数据质量的因素分析[J].测绘与空间地理信息，2014，37（2）：183-186.

[7]向娟，李钢，黄承亮，等.三维激光扫描单点定位精度评定方法研究[J].海洋测绘，2009，29（2）：68-73.

[8]刘万里，欧阳健飞，曲兴华，等.激光光束入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响[J].光学精密工程，2009，17（2）：2874-2885.

[9]徐源强，高井祥，王坚.三维激光扫描技术[J].测绘信息与工程，2010，35（4）：5-6.