三维激光扫描点云数据精度提升策略.pdf

June 2023 Industry City295调查研究1三维激光扫描系统工作原理三维激光扫描系统是由高精度三维激光扫描仪、计算机、系统软件、电源供应系统以及标靶等组成，其中，三维激光扫描仪是由激光测距仪与角度测量系统组合而成的快速测量系统，在复杂地形与空间也能够通过发射器发射的高速激光脉冲信号进行测量，激光信号经过被测物体表面漫反射后，沿近乎相同的路径传回接收器，实现高效、快速获取待测物体表面各点的坐标、反射率，自动存储并计算获取点云数据。其是一种全新自动化的立体扫描技术，具有高精度、高效率、全方位扫描的优势，最远测量距离为一千多米，扫描频率高达每秒几十万，纵向扫描角度接近 90，横向可实现 360全圆扫描，测量获得的数据能够借助 TCP/IP 协议传输至计算机，外摘 要：三维激光扫描仪测量作业中，极易受外界因素的影响导致采集的点云数据出现误差，而点云数据误差偏大会直接影响三维模型的建立。鉴于此，本文结合三维激光扫描系统的工作原理，分析探讨了三维激光扫描点云数据精度的影响因素与提升策略，供借鉴参考。关键词：三维激光扫描；点云数据精度；影响因素；提升策略三维激光扫描点云数据精度提升策略文/雍李标图 1三维激光扫描工作流程置相机的场景影像可同时传输至电脑，获取的点云数据通过处理软件进行处理后，可结合 CAD 对被测目标的三维模型或空间位置坐标等进行重构。地面三维激光扫描仪外业工作流程如图 1 所示。2三维激光扫描点云数据精度的影响因素与提升策略三维激光扫描作业时，极易受到仪器自身性能、被测物表面特征以及外界环境条件等因素的干扰，而对点云数据测量精度造成影响。而一旦点云数据精度超出允许误差范围，就失去了测量的意义，因此，分析影响三维激光扫描点云数据精度的因素，并采取妥当的精度控制措施十分必要。2.1仪器自身误差2.1.1影响因素仪器误差是由于三维激光扫描仪制造精度、零部件老化等自身性能缺陷所导致的误差，主要包括以下几个方面。（1）测角误差。三维激光扫描仪包括光束偏转系统以及角度测量装置两部分。光束偏转装置运行时，如若操作不当就会导致激光光束在水平及垂直方向出现偏转，并在两个偏转方向产生误差。其次，组成光束偏转系统的扫描镜在运转时，会发生细小振动与不规则转动，这些看来微小的动作都会导致测量结果与实际数据点的偏差。（2）测距误差。采用相位式测距仪发射的激光延迟不同，或采用脉冲式测距仪发射激光的时间存在差异，就会导致距离测量结果出现误差。另外，随着待测物体表面反射率、平整度等的变化，激光扫描仪的接收信号会出现不同程度噪点，影响点云数据的精度，甚至可能会导致无法正常表达扫描对象的空间位置。产城产城 2023年6月(上)2962.1.2提升策略在开展外业测量作业前，合理设置激光扫描仪的参数是提升点云数据精度的关键举措，主要包括以下几方面内容。（1）扫描仪器选择时，应根据项目测量技术要求、现场环境等因素，并结合扫描仪的各项技术参数进行合理选择，针对项目任务量大、工期短或被测目标有特殊要求时，应选择多台扫描仪联合参与扫描，必要时还需使用不同分辨率型号的仪器。（2）对于激光扫描仪的测距精度，可借助主流精密全站仪采用六段分析法对测量数据进行检测，以最大限度减少测距误差对点云数据精度的影响。（3）为有效提升三维激光扫描点云数据精度，在采用三维激光扫描时，扫描仪的三轴关系应满足以下要求：水平轴（发射轴）与视准轴（接收轴）应保持垂直；水平轴与垂直轴应保持垂直；对于带倾斜补偿器的扫描仪，其垂直轴应保持铅直；当视准轴处于水平时，则垂直度盘读数应为 90；视准轴、水平轴与垂直轴三轴应重合于扫描仪中心点。2.2被测物表面特征2.2.1影响因素（1）被测物体粗糙度。若待测物体表面平整，激光束投到物体表面时，激光束返回的反射角与入射角相同，即入射角极小时反射角也同样很小，因此，激光扫描仪也极易接收到反射光束信号。反之，若待测物体表面粗糙，则“漫反射”现象致使反射光束散乱，扫描仪只能接收到少量的反射光束信号，此时很难获得扫描仪与待测物体间的距离，其他点云坐标信息也就无法获取。（2）被测物体反射率。投射到物体表面的激光束会不同程度地被吸收与反射，因此，被测物体反射率也是影响点云数据精度的因素之一。对于特定激光扫描仪激光强度相同的情况下，被测目标反射率越高，仪器接收到的有效回波就越多，测量的距离也相对较远，测量数据误差也相对较小。这样即使两个反射率不同的待测物处于同一位置，也有可能会导致量测距离出现偏差。2.2.2提升策略（1）每次观测作业前，应根据扫描仪与被测目标的距离，合理安设扫描仪测站，以最大限度缩短扫描仪与被测物体的距离，保证能够返回足够的有效回波，进而保证获取点云数据的质量。对于被测目标扫描范围较大时，应在确保满足精度要求且避免数据冗余的情况下，对扫描仪测站位置进行合理布设，并结合踏勘示意图制出扫描测站的作业草图。（2）在开展外业扫描作业时，应对作业现场影响激光扫描仪精度的因素进行调查，例如低反射率物体所处位置、全反射物体所处位置等，并按要求绘制特殊被测物体的位置示意图，实际测量时可结合现场实际增加测站，使低反射率物体能够返回足够反射信号，进而确保精准获取低反射率物体的点云数据。2.3点云数据拼接2.3.1影响因素首先，采用标靶对相邻测站点云数据进行拼接处理时，标靶与测站距离、作业人员水平、点云拼接方式、标靶与激光束入射夹角等，都是影响点云数据测量精度的因素，且不同的拼接方式对点云数据测量精度也会产生不同的影响。其中，选择通视的标靶点拼接，是对同一测点进行精确扫描，点云数据测量精度最高，但若采用球形标靶还会受球形实体拟合精度的影响，若选择基于控制网的标靶拼接，一旦标靶位置的测放精度不满足项目精度要求，就会对点云数据精度造成影响。其次，采用同名特征点对点云数据进行拼接时，受被测目标反射率、点云采样间隔、扫描间距以及测量人员水平等多种因素的影响，对点云数据测量精度的影响最大。2.3.2提升策略（1）在进行点云数据拼接时，应结合外业作业环境优先选择布设简单、效率高以及对点云数据精度影响最小的标靶拼接，其中，标靶拼接中互相通视的标靶拼接是在站点与站点间布置三个或以上标靶点通视，通过测量通视标靶点进行拼接，拼接精度比基于控制网的标靶拼接要高，故选择时优先选择通视标靶点拼接，其次是基于控制网的拼接，最后是选择同名特征点进行点云数据拼接。（2）若选择基于控制网的标靶拼接，控制网布设应优先选择精度不低于 2的全站仪，对于精度要求较高的控制点高程值，采用满足精度要求的水准仪进行测量，以有效避免控制网布设偏差对点云数据精度的影响。（3）在进行外业扫描作业时，应结合现场实际对标靶进行均匀布设，标靶与扫描仪间的距离应控制 50m，放置标靶时应避免被物体遮挡，保证能够被有效识别，标靶安放应保持稳定，避免晃动而影响点云数据扫描测量结果。若点云数据拼接采用拟合球形标靶时，应将球形标靶点云数据进行去噪处理。（4）对于野外大范围的扫描测量作业，扫描站布设数量往往较多，若仅采用一种点云数据拼接方式会产生较大的累积误差，因此，为避免点云数据累积误差的影响，可采用多种拼接组合使用的方式。2.4扫描距离与光斑June 2023 Industry City297调查研究2.4.1影响因素（1）扫描距离会直接影响点云数据的拼接精度，在扫描距离变大时，扫描点数量会相应减少，尤其在扫描距离增大至超出有效扫描范围时，致使获取的球心坐标拟合精度也大大降低，进而影响点云数据的拼接精度。（2）发射的激光束投在被测物体表面时，会形成不同情况的入射角。若激光束垂直投到反射面，会在被测物表面形成圆形光斑，若激光束非垂直角度投射到反射面会形成椭圆光斑，即反射面与激光束相交角度不同，所形成的光斑大小也会有所区别，激光光斑的差异直接影响返回强度信号点云的分辨率。2.4.2提升策略（1）在进行外业扫描测量时，激光扫描仪与被测物体间的距离应尽量控制在 50m 范围内，若不同测站间距离过长，可通过适当增加测站数量来缩短激光扫描仪与被测目标间的距离，防止距离过远而影响点云数据精度。（2）三维激光扫描测量时，应尽可能减小激光束的入射角，若采用单站扫描，建议最大入射角应 60，查询扫描仪入射角误差系数表，分析计算激光束入射角引起的误差，并对扫描仪扫描距离进行优化设计，同时，将所有反射激光束的信号强度为权，并对光斑返回的激光信号进行加权平均来消除此类偏差对点云数据精度的影响。2.5其他外界因素2.5.1影响因素（1）人为因素。人为误差是指操作者操作失误、操作不规范等因素，导致仪器设备在整平、对中或参数设置时出现偏差。其次，采用手持式三维激光扫描仪进行扫描测量作业时，操作人员手部的抖动，技术人员不合理移动也会增加测量误差。（2）环境因素。影响点云数据精度的还包括外界环境因素，如温度、湿度以及大风等条件的改变，会使空气折射率改变，导致激光束发生弯曲而影响点云数据精度；其次，对于构造精密的三维激光扫描仪而言，环境温度过低会使仪器自检频率增加、自检时间变长而影响扫描仪的测量精度；另外，若在雾霾、沙尘暴等空气质量较差的情况下进行三维激光扫描，会对激光回波信号产生影响，导致测量数据不可避免地会出现噪声点、“飞点”等，从而导致测量结果出现误差；此外，空气湿度较大时，空气中的水分会吸收一部分激光，同时，被测物表面的水会产生镜面反射而影响点云数据测量精度。2.5.2提升策略（1）对于三维激光扫描过程中因周围环境、人员走动造成的点云数据偏差，可根据获取的点云数据信息采取妥当的数据去噪，其中，对于有序点云数据可采用高斯滤波去噪、均值滤波去噪、中值滤波去噪等，对于散乱点云数据可采用拉普拉斯法去噪、平均曲率法去噪、双边滤波法去噪等，通过对获取的点云数据去噪来减少数据误差对测量结果的影响。（2）为避免高温环境对扫描仪精度的影响，作业人员应合理安排扫描时间，选择在扫描仪器正常的工作温度范围（8 35）进行测量作业，尽量避免在温度较高或较低时段作业，夏天可选择在早上或傍晚温度较低时作业，扫描设备应尽量置于阴凉环境下。（3）激光束在穿过空气湿度较大的环境时，往往会出现较大程度的衰减而影响点云数据精度。因此，采用三维激光扫描仪应尽量规避高湿度环境作业，尤其应避免在雨、雪天气下进行外业扫描。（4）在进行外业测量时，应尽量避免外界环境强光的变化，若采用白光进行测量作业，则建议选择在光线较暗的环境下作业，如选择在阴天或傍晚进行，且应减少测量范围内人员走动而对点云数据精度的影响。3结束语三维激光扫描仪测量速度快、分辨率高、精确度好，故而在三维重建、工程测量等领域广泛应用。但在实际测量中，往往会受多种因素影响，导致点云数据精度不达要求。因此，务须要理清点云数据精度的影响因素，并切实采取合理妥当措施，以提升点云数据精度，保障测量质量。参考文献：1丁鸽,倪海滨,黄雪亭,董彦君,卞磊,梁坤,修明军,陈廷华.地面三维激光扫描精度的影响因素研究J.北京测绘,2022,36(09):1193-1197.2刘胜男,陶钧.地面三维激光扫描仪测量精度的评价分析J.测绘通报,2020(10):164-166.3杨梅洁,刘俊.距离因素对地面激光扫描精度影响分析J.激光与光电子学进展,2020,57(12):363-371.4刘晓文,徐工,余跃.地面三维激光扫描点云精度影响因素分析J.山东理工大学学报(自然科学版),2019,33(01):75-78.5蔡越,徐文兵,梁丹,李翀,陈佐.不同因素对地面三维激光扫描点云精度的影响J.激光与光电子学进展,2017,54(09):364-373.6丁建勋,马德富,高俊.三维激光扫描数据精度影响因素分析及控制措施J.城市勘测,2016(02):93-96.（作者单位：安徽省城建设计研究总院股份有限公司）