三维激光技术及应用中的误差分析

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1、三维激光扫描技术及应用中的误差分析王红霞［吴澄2（1.兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050；2兰州市建筑市场管理办公室甘肃兰州730000）摘要：阐述了三维激光扫描技术的基本原理；分析了其应用过程中误差的来源以及这些误差对点云数据精度的影响并对可能产生的测量误差进行了研究尖键词：三维激光扫描；点云；误差分析中图分类号：P204文献标志码：A文章编号:10044）366（2012）030017-043DLaserScanningTechnologyandErrorAnalysisintheApplicat

2、ionProcessWANGHong-xia'-WUCheng2(1SchoolofCivilEngineeringLanzhouUniversityofScienceandTechnologyLanzhou730050China;2LanzhouOficeofConstructionMarketManagementLanzhou730000China)Abstract:Thebasicworkingp「inciplesof3DlaserseanningareintroducedItssourceoferror

3、sintheapplicationprocessisdiscussedalongwiththeeffectontheaccuracyofpointclouddataThecorrespondingrelationsandthepossibleerrorsinthemeasurementsarediscussed.Keywords:3Dlaserseanning;pointcloud;erroranalysis收稿日期:201H1-10驚薜噬确翩聲I解幽®热晦翩阪融佻亦h軀»'隠訓P：z*cnkig三维激光扫描技

4、术是近年来发展起来的一项测绘技术，又叫做‘‘实景复制技术「通过此项技术可以实现将实物的空间三维形态完整并高精度地窪建扫描対扫描物体表面无需进行任何处理真正实现无接触测量1误差分析1-1基本原理三维激光扫描技术的核心原理就是激光测距•三维激光扫描的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理的过程⑴.目前•大多数激光扫描仪所采用的工作方式是肪冲激光测距的方法（基于激光时间漂移原理）即无搖触式高速激光测量以点云形式获取扫描物体表面随列式几何图形的三维数据此种工作原理的三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法（Ti

5、meofFlight）是—种高速激光测时、测距技术其获取扫描目标点云坐标原理为：根据内部精密的测量系统获取发射出去的激光光束的水平方向角度a和垂直方向角度0住脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值S（见图1）⑵.图1测量点坐标计算从获取扫描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配对于激光扫描仪而言采样点是系统局部坐标扫描仪的内部为坐标原点一般X、、轴在局部坐标系的水平面上-Y轴常为扫描仪扫推方向-Z轴为垂向方向由此•可得扫描目标点P的坐标(Xs.Ys.Zs)的计算公式⑶X3=Seos9

6、cosa•Ys=SeosOsina-(1)Zs=Ssin012误差分析在利用三维激光扫描系统扫描时影响数据精度的误差是来自多方面的句含粗差、系统误差和陲机误差三部分大多数的误差来源在传统测量工作中也是很普遍的测量误差传播的基本规律同样逆用于系统的误差传播三维激光扫描系统是一种多传感器的集成系统该系统各部件的组成部分之间是通过一定的轴系来维持整个系统的运转在操作中•导致最终获耶的数据具有误差的因素有：(1)由于轴系之间的相互旋转从而引起测距和测角误差；(2)扫描系统是利用旋转的棱镜镜面来发射潴光束到目标物体的表面

7、•而镜面的旋转同样会造成测距的误差；(3)扫描系统具备的各种外置设备如GPS或数码相机，这些仪器之间的连接也会降低最终点云在入一定的情况下扫描目标表面的光斑直径大小也隨着距离的增大而增大所以光斑大小和距离密切相尖在描述光斑大小的时候都要指定距离现电市场上一些主流的三维激光扫描仪光斑参数如下LeicaScanStation2的光斑大小为6mm@50m.LeicaHDS6000光斑大小为14mm@50m、TrimbleGS200+的光斑大小为3mm@100m、RIGEL公司生产的LMS吃4201型地面三维激光扫描仪

8、光斑大小为13mm@50m.OPTECH公司的ILRIS-3D型激光扫描仪光斑大小为9mm@100m.光斑大小也是影响地面三维激光扫描误差的重要因素之一，通过光斑反射的信号进行目标定位地面三维激光扫描仪，通过接收扫描目标发射的光斑信号来进行距离测量，进而由激光光斑中心位置来确定水平角和垂直角，从而产生测角误差进而引起激光扫描点位误差(2)激光测距的影响激光在传播过程中会受到大气衰减效应