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浅析地面三维激光扫描精度控制技术杨晓锋陈向阳（国家测绘局第二地形测量队陕西西安710054 ）摘要：随着信息化程度的不断提高，三维空间数据的快速、高精度获取技术需求迫 切，三维激光扫描技术应运而生目前该技术在国内还处于探索应用阶段，本文介绍 了三维激光扫描技术原理以及工作流程，重点以适合于测绘行业应用的Leica ScanStation 2为例，介绍其精度，分析扫描测屋精度的影响因素，理论结合实例应用 总结提出地面三维激光打描测屋精度控制方法关键词：表面模型激光扫描 精度1. 引言三维激光扫描仪三维测量和实体建模是基于人量实体表面坐标点数据，即所谓的“点 云”数据获取空间实体表面模型时必然要从不同的角度去扫描，然后拼接为整体模型，成 果是依据拼接后的点云数据制作而成，过程繁多最终三维测屋精度和建模的真实程度就受 到了很多因素的影响，例如：扫描仪自身精度、打描控制网精度、标靶分布和获取的精度、 扫描仪采样间隔和主距、多站打描数据拼接、基于点云数据的量测、线画图和三维模型制作 等等本文旨在分析地面三维激光打描精度影响因素，探究精度控制技术⑶2. 地面三维激光扫描技术地面三维激光打描技术是Lidar （Light Detection Aiid Rangmg ）技术的静态地面应用， 由于其显著的高精度、高速度三维数据采集特征，被誉为HDSCHigh Definition Surveying） 技术。

目前市场上该类产品种类很多，真正适合于测绘行业，能够较人范I韦I、高精度获取数 据的不多；本文以Leica SaiiStation 2仪器的应用为例分析探究精度控制方法Leica SaiiStation 2采用脉冲式激光扫描方式，测量速度快，精度高，可以相当密集地 对空间实体表面进行扫描测量Leica SaiiStation 2技术特点如F：1、 高速、高精度，50000点/s,最人分辨率为1mm采样间隔，有效范围内点位精度可 以达到611U11 '距离精度4mm ；标靶特征点精度可以达到2mm2、 全方位扫描，360” X27O0，测量有效距离300111 （90%反射率的物体）3、 全站式扫描工作站，集成了全站仪功能；扫描仪控制、数据采集、数据传输、数据 处理一体化4、 融入了定时自检测、双轴补偿，减少误差源3. Leica SanStat ion 2测量和三维建模工作流程三维激光打描仪通过外业扫面可以直接获取地理空间物体的三维表面坐标数据和信号 强弱数据，扫描最终成果主要有三部分：一是真彩色点云数据；二是线画图，包拾平面、立 面、剖面图以及其他测量图件：三是区别于传统虚拟技术的真实三维模型。

三维激光扫描仪 工作流程如图1所示：图1:三维激光扫描仪工作流程4 •误差分析激光打描测量系统通过测量距离和激光束的空间方位以求算激光脚点在仪器坐标系下 的坐标，数据的水平精度和垂直精度与众多因素有关地面三维激光打描仪的精度影响因素 和误差累积过程如图2所示：图2：地面三维激光扫描i吴差累积过程4.1分站打描采集数据误差分站数据采集误差包括激光测距误差和担描操作引起的误差，激光测距除了系统误差影 响之外还会受到测量环境的影响，例如：人气的能见度、杂志颗粒的含量、环境中不稳定因 素、测量对彖表面状况等等操作误差主要会引起激光斑点人小、强度、分布密度的变化而 导致误差产生4.2点云拼接点云拼接是地面三维激光扫描的关键技术，是误差的主要来源拼接方案直接导致测屋 精度的级别，例如基于常规测量数据的控制点拼接精度为cm级；基于点云特征点拟合数据 拼接精度为mm级4.3基于点云数据制作模型和线化图模型和线化图制作完全依据点云数据，误差很难避免，产生误差主要是由于重复打描、 拼接误差、视角误差等等原因5. 精度控制方法通过以上地面激光打描误差累积过程分析，三维地面激光打描精度提高主要取决于数据 采集、拼接、后续处理三个部分。

5.1分站打描采集数据精度控制分站担描釆集数据是在扫描仪默认坐标系下的相对三维坐标，数据精度主要取决于激光 测距干扰引起的误差和打描仪操作引起的误差5.1.1适宜的坏境包扌舌人气环境，测量对彖表面状况等等一般尽可能选择晴朗、犬气坏境稳定、能见 度高、0°C-40°C气温的坏境中打描作业，减少大气中水汽、杂质等对于激光传输路径以及传 输时间的影响:对于目标对象的透射或者镜面反射表面要做处理后打描测屋，防止去失信号、 弱激光信号对精度的影响：尽可能避免非静态因素的影响，例如：人流、车流、风动树叶等 等5.1.2激光斑点大小、信号强弱控制打描前期的布站、扫描范【韦I的圈定和采样密度都会影响到激光束到达目标对象表面的 面积人小，斑点面积越小对于特征点线数据的测量越为精细但是很难做到精细控制，只能 宏观控制激光斑点人小会随着距离的增长、激光束和目标对象表面夹角的变人而增人，常 规情况下必须对大范鬧的目标对象分块扫描，保证打描仪和目标对彖正对5.1.3采样密度控制采样密度通过采样主距和采样河隔控制，采样密度与采样主距、激光束和目标对象表 面夹角反向相关如图3所示:采样密度：M= niR / rCOSC「为打描设置主距，m为扫描设置采样间隔，R为实际距离，C为激光束与目标对彖表 面夹角（0。

90 0°时采样间隔等于预设值，90'■时采样间隔无穷大）5.2点云数据拼接精度控制HDS打描采集数据之后需要数据的融合处理，不同坐标系统之间转换误差主要影响因 素是同名点坐标的选取和测量的准确程度点云数据的拼接尽町能避免和减少地精度测量设 备的介入：例如常规全站测屋控制网精度只能控制在cm级，利用其布设的控制网将会给数 据融合带来很大误差在打描之间可以方便选取同名点的情况卞，应尽量减少测量标靶的测 量例如：拼接方法在扫描站之间可通视的情况下，可以选择点集拟合特征点的方式拼接, 大人提高成果精度不可避免控制网测量应该尽可能的选取高精度的测量仪器和测量手段, 例如：静态RTK技术，闭合导线平差控制网等等5.3数据处理拼接后点云数据在去噪处理时采用自动化和手工相结合的方式对误差影响不人后续数 据处理尽可能减少格式转化，基于点云的三维模型制作采用“测量一一建模”模式二维图 件制作必须在准确定义UCS的基础上结合测量对彖的逻辑结构进行•制图例如：在打描测 量中空间对彖的棱、角不一定数据完整，在点云处理还不成熟时期，应该依据逻辑特性测图6. 应用实例陕西测绘局人院三维打描建模，精度设计2cmo在测量过程中，针对打描面枳犬、院 楼房和树木遮挡严重、通视条件差、测量坏境非静态因素多等的问题，采用划区分块扫描方 式、扫描间隔1cm,主距50m以内，自定义坐标系并且测量了 25个控制点，设站17站， 测量标靶43个，控制网精度2cnio采用标靶测量数据、点云拟合特征点相结合的拼接方式, 拼接精度小于2cm。

陕西测绘局人院亭子点云模型如图4所示：图4：陕西测绘局大院亭子点云模型7. 结论与展望本文详细分析了地面三维激光打描作业精度的影响因素以及误差累计过程，给出了合理 化精度控制建议在陕西测绘局大院三维打描过程中实践应用证实行效控制了获取的点云精 度由于三维激光打描技术还处于推广应用时期，国内成功应用案例不多，激光打描作业模 式没有统一标准，打描过程还很难做到量化控制但是地面激光打描以其非接触式、主动式、 高速、高精度、直接获取三维坐标的优势，在国内外市场有非常广泛的应用前景，各项技术 都有待于进一步提高［以】参考文献】［1］ 徐进军，严学清，王尚庆，等.地面激光扫描与数码相机数据的联合处理研究［J］•武 汉大学学报.信息科学版，2009, 34(1)： 85-87［2］ 罗德安，朱光，陆立，等.基于3维激光影像扫描技术的整体变形检测［J］.测绘通 报，2005 (7)： 40-42［3］ 李海刚.HDS技术在占建文物测量中的应用［J］.测绘通报.信息科学版，2007 (7)：73-74作者简介：杨晓锋，陕西测绘局第二地形测量队(陕西省第三测绘工程院)GIST程中心， 硕士研究生，现主要从爭HDS技术以及应用研究。

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