地面三维激光扫描的系统误差模型研究

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1、16测绘通报2012年第1期文章编号:0494-0911(2012)01-0016-04中图分类号:P234．5文献标识码:B地面三维激光扫描的系统误差模型研究1122张毅，闫利，杨红，陈向阳(1．武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2．长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北武汉430074)ResearchonSystematicErrorModelofTerrestrialLaserScanningZHANGYi，YANLi，YANGHong，CHENXiangyang摘要:以地面三维激光扫描的观测方程为基础，建立地面三维激光扫描的系统误差模型，利用空间坐

2、标转换的方法实现系统误差模型的整体解算，最后以脉冲式地面三维激光扫描仪为例进行试验，并对系统误差进行解算，验证系统误差模型的正确性。关键词:地面三维激光扫描;系统误差模型;测距误差;测角误差心，Y轴为仪器固定方向上，在仪器初始化时确定，一、引言Z轴竖直向上并垂直于Y轴，X轴垂直于YOZ平地面三维激光扫描是一项新的空间信息获取面，其正方向由右手螺旋法则确定。扫描过程中激手段，广泛应用于地形测量、路桥测量、变形监测、光测量单元进行从左到右、从上到下的全自动步进土木工程、文物保护等领域。地面三维激光扫描扫描测量。在激光测量斜距l的同时，记录激光光测量过程受到各种已知和未知

3、因素的影响，包括束的水平角φ和竖直角θ，因此地面三维激光扫描扫描距离、激光波长、扫描入射角、目标表面粗糙的原始观测值是属于极坐标系，通过极坐标系到空度、光谱反射特性、空气温度和湿度等，其系统误间坐标系的转换，得到目标相对于仪器中心的三维差将随着数据处理过程的深入而不断积累。目前坐标(x，y，z)。式(1)为地面三维激光扫描的观测的研究将系统误差分为扫描仪相关误差、环境相方程，从该方程可知扫描坐标的点位误差只与测距［1］关误差、目标相关误差和配准方法误差，或分为值和测角值有关。［2］扫描仪内部误差和外部误差。对于不同情况下éxùélcosθcosφù的扫描测量，尽管目

4、标、环境和配准(或者外部因êyú=êlcosθsinφú(1)êúêú素)等因素都不同，但对扫描观测的影响结果均表ëzûëlsinθû现在激光测距和测角两方面。因而可以以测距误激光测量的斜距值是根据激光发射和接收的差和测角误差为基础，建立起涵盖各种影响因素时间差，计算出相应被测点与仪器的距离，因而测的系统误差模型。距误差实际上是时间测量误差。基于时间测量的本文以地面三维激光扫描的观测方程为基础，测距分为脉冲式测距和相位式测距。推导了测距误差和测角误差公式，建立了由地面激对于脉冲式测距，假设激光以速度c在空气中光扫描的系统误差模型，利用空间坐标转换的方法传播，在激光源

5、和目标间往返一次所需时间为t，激实现系统误差和转换参数的整体解算。最后以脉光源和目标间的距离l表示为冲式地面三维激光扫描仪为例，对系统误差进行解ctl=(2)算，通过点位误差的内符合和外符合检查验证了系2统误差模型的正确性。对式(2)求微分得c二、地面三维激光扫描的系统误差模型dl=dt=k(3)2地面三维激光扫描的点云数据坐标系为空间对于相位式测距，若调制光角频率为ω，调制直角坐标系，坐标原点O为地面三维激光扫描仪中信号的频率为f，在待测量距离l上往返一次产生的收稿日期:2010-11-23基金项目:国家863计划资助项目(2009AA12Z116);国家自然科学

6、基金项目(40971192);精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室开放基金资助项目(PF2009-3);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3101053);对地观测技术国家测绘局重点实验室资助项目(K201013)作者简介:张毅(1980—)，男，湖北武汉人，博士，讲师，主要研究方向为地面三维激光扫描及点云数据处理。2012年第1期张毅，等:地面三维激光扫描的系统误差模型研究17相位延迟为，激光源和目标间的距离l表示为é(l+lr+k)cos(θ+u)cos(φ+v/cosθ+wtanθ)ùcc(nπ+Δ)cê(l+lr+k)cos(θ+u)sin(φ

7、+v/cosθ+wtanθ)úl===(n+Δn)(4)êú2ω4πf4fêúë(l+lr+k)sin(θ+u)û式中，n为测线所包含的调制半波长个数;Δ为信(9)号往返测线一次产生的相位延迟不足π部分;Δn为测线所包含的调制波不足半波长的小数部分。当r=0时，式(9)就是理想情况下脉冲式地面对式(4)求微分得三维激光扫描的系统误差模型;当k=0时，式(9)c就是理想情况下相位式地面三维激光扫描的系统dl=－(n+Δn)df=lr(5)24f误差模型。式(3)和式(5)中，参数dt和df是地面三维激三、系统误差解算方法光扫描仪的固有参数，在不考虑其他影响因素的