三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析
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图 ! 目标物体倾斜引起测距偏差
!76 目标物体反射表面粗糙程度的影响
三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙 程度有密切关系 " 由于三维激光回波信号有多值性 特点 !有些三维激光扫描系统只能处理首次反射回 来的回波信号 ! 有些三维激光扫描系统只能处理最 后反射回来的回波信号 ! 也有一些三维激光扫描系 统能够综合处理首次和最后反射回来的回波信号 " 以处理首次反射回来激光回波信号为例 $ 如图 ) 所 示 %! 目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的 偏差 !$1 接近于物体表面粗糙极值 #+.8 的 19!"
"$ 河海大学 土木工程学院 " 江苏 南京 "!%%&’ # #$ 同济大学 测绘与国土信息工程系 " 上海 "%%%&" $
摘要 ! 回顾了近年来三维激光扫描技术及其测量误差方面的研究成果 ! 将三维激光扫描技术分为径向三维激 光扫描仪 " 相位干涉法扫描系统和三角法扫描系统三种类型 # 从仪器误差 " 与目标物体反射面有关的误差和外界 环境条件影响三个方面 ! 分析了三维激光扫描系统误差影响 $ 关键词 ! 三维激光扫描仪 % 仪器分类 % 测量误差 中图分类号 !("%) 文献标识码 !* 文章编号 !!""#$%&’&!("")"""$""#"$"#
I88 个点 ! IN! 径向三维激光扫描仪测量原理
径向三维激光扫描仪是一种集成了多种高新 技术的新型三维坐标测量仪器 "采用非接触式高速 激光测量方式 " 以点云形式获取地形及复杂物体表 面的阵列式几何图形的三维数据 ! 仪器要包括激光 测距系统 $扫描系统和支架系统 " 同时也集成 33F 数字摄影和仪器内部校正等系统 ! 典型的径向三维
大理石的透明度和各向异性结构对激光测距偏差 和测量噪声的影响 " 以 3455454 6747’45$0 大理石为 例 " 研究了测距的测量噪声和激光脚点直径之间的 关系 " 并进一步确定了测距偏差的大小 ! !888 年 " 吴剑锋等人 也对激光三角法测量的影响因素进
,9.
-P QRRP "测量距离最短为 !8 SK"长距可达 I-8 K # 在 !8 K 时 " 测量精度为 E KK# 白天和夜晚均可测 量 " 激光安全级别为 ED 级 !
CG6%H!I8 三种型号仪器的测量误差 ! 近年 " 国内
开始引进该类设备 " 对其基础理论研究还十分缺 乏 ! 目前国内很多科研院校正在加快三维激光扫描 技术的基础理论和技术应用方面的研究 !
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7)67 !"# 激光测距的影响
测
绘
工
程
第 !" 卷
激光测距信号处理的各个环节都会带来一定 的误差 !特别是光学电子电路中激光脉冲回波信号 处理时引起的误差 !主要包括扫描仪脉冲计时的系 统误差和测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误 差 " 脉冲计时的系统误差造成循环 # 混淆现象与测 距的凸角误差相类似 !测距技术中不确定间隔更可 能造成数据突变 ! 目前 ! 可运用一些较好的技术 $ 如 频率倍乘 #微调作用 % 处理这种突变的误差 " 激光测 距误差综合体现为测距中的固定误差和比例误差 ! 可以通过仪器检定确定测距误差的大小 "
行了详细分析 ! 由于基于 :;* 激光测距技术的三维激光扫描 技术是近几年的新成果 " 目前 " 国外对此类仪器的 研究成果尚不多 ! !88< 年 " 国外学者 =0>4(##0( 对
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基于 :;* 激光测距技术的三维激光扫描仪建模精 度 $ 测距精度和边缘扫描效果等方面作了实证研 究 " 并 详 细 地 比 较 了 3@54A!-88$BCDB6 %EF 和
目前 " 三维激光扫描仪主要采用 :;* 脉冲测 距法 ’:$K+ 0L *M$)>7&" 是一种高速激光测时测距技 术 " 采用脉冲测距法的三维激光点坐标计算方法 " 如图 I 所示 ! 三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得 测距观测值 ! " 精密时钟控制编码器同步测量每个 激光脉冲横向扫描角度观测值 ! 和纵向扫描角度 观测值 "! 三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐 标系统 "" 轴在横向扫描面内 "# 轴在横向扫 描 面 内与 " 轴垂直 "$ 轴与横向扫描面垂直 ! 由此可得 三维激光脚点 % 坐标 ’"! "#! "$! & 的计算公式 %
!"! 扫描角的影响
扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描 角度测量的影响 " 扫描角度引起的误差是扫描镜的 镜面平面角误差 # 扫描镜转动的微小震动 # 扫描电 机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响 " 目前 扫描角测量可达很高的精度 ! 如徕卡的 $%&!’(( 三维激光扫描仪的扫描角精度达到 #("’$"
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!") 目标物体反射面倾斜的影响
激光扫描测距系统中激光测距单元有激光发 射头和激光接收器两部分组成 " 用于激光发射和接 收窗口的孔径直径有一定的大小 $一 般 小 于 !
*+ %! 决定了激光光束的起始直径的大小 " 由于激
光发射和接收共用一条光路 ! 且激光光束具有一定 的发散角 ! 扫描到目标物体表面形成激光脚点光 斑 " 激光脚点光斑的大小 !# 激光发射孔径 " 和激 光光束发散角 ! 存在如下关系
,2.
激 光 扫 描 仪 有 很 多 " 如 BCDB6 OEF$"F6!-88 $
CG6%H!I8$/6I88 和 /6!88 等 ! 以 "F6E888 系统
为例 " 它是一种先进的三维激光扫描系统 " 扫描目 标的视域为 E28#$!98# " 最大影像达 E2 888$!8 888 像素 #!N- K$( 内可完成全幅影像数据的扫描 " 每秒 钟可测量 I888 多个点 # 可接受激光反射光强度为
近几年来 #国内外研究人员在三维激光扫描技 术上做了大量基础研究工作 #主要集中在对三角法 三 维 激 光 扫 描 仪 的 研 究 & !&&Q 年 #A@:/ RA@85
%源自文库
引言
三维激光扫描技术 !#J ./F,9 76/55:5; N,6@+
51C1;- " 是 一 种 先 进 的 全 自 动 高 精 度 立 体 扫 描 技
光源 " 通过获得两条光线信息 "建立立体投影关系 ! 适用于近距离测量 " 测量范围在 8"!8 K" 每秒测量
分为系统误差和偶然误差 ! 系统误差引起三维激光 扫描点的坐标偏差 "可通过公式改正或修正系统予 以消除或减小 ! 测量系统的偶然性误差是一些随机 性误差的综合体现 ! 三维激光脚点测量误差的影响因素较多 " 大致 可分为三类 % 仪器误差 $ 与目标物体反射面有关的 误差 $外界环境条件 ! 仪器误差是仪器本身性能缺 陷造成的测量误差 " 包括激光测距的误差 $ 扫描角 度测量的误差 # 与目标物体反射面有关的误差主要 包括目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的 影响 #外界环境条件主要包括温度 $气压等因素 !
作者简介 ( 郑德华 @!&Q"AB # 男 # 现代工程测量国家测绘局重点实验室博士研究生 &
第!期
郑德华等! 三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析
,-.
JEEJ
系统校正方法 ! "#$%&’() *+() 等人 分析了三角 法三维激光扫描仪器数字化误差及其特点 "认为三 角法测量的精度主要取决于测量的几何关系和物 体在扫描窗口中的位置 ! 通过实验分析 " 发现测量 的偶然误差接近仪器的标定误差 #系统误差和投影 角存在双线性关系 "并具有最大值 ! 得到的经验模 型可以用于系统误差的预测 ! /01$( 等人 研究了
收稿日期 ((""Y?%"$"’
D8/5; S!T 在三维数据获取 时 # 将 快 速 傅 立 叶 变 换 和
小波变换应用到曲面三维扫描过程中 #提高了数据 获取的工作效率 & U/CC/6, 等人 S"T研究了三角激光扫 描仪的深度图像测量原理 #推导了三角测量的校正 公式 #并通过实验验证了扫描物体的移动能够导致 深度图像测量的系统性误差 & 一些学者对三角法测量的系统误差和偶然误 差进行了研究 & V@18 .:M:5 等人S#T分析了激光扫描 三角法在三维非接触测量中的精度影响因素 # 实验 研究结果表明基于神经网络的多维拟合标定方法 可大大提高测量的精度 & "%%! 年 #D/93:5;S)T对三角 法三维测量系统进行了误差分析 # 并提出了相应的
I
三维激光扫描系统的分类及其测量原理
三维激光扫描系统按工作原理大致分三类 %
IJI 三维激光扫描系统的分类 I & 径向三维激光扫描仪 ! 使用脉冲测距技术 ’:$K+ 0L *M$)>7& 从固定中心沿视线测量距离 " 测量 距离可大于 I88 K "每秒可测量 I888 个点以上 ! ! & 相位干涉法扫描系统 ! 利用激光光线的连
术 # 又称为 $ 实景复制技术 %# 主要面向高精度逆向 工程的三维建模与重构 & 它可以高效地采集大量的 三维点 #少则几万个 # 多则几百万个 & 它可以深入到 复杂的现场环境中进行扫描 # 将各种大型的 ’ 复杂 的 ’ 不规则的实景三维数据完整地采集到电脑中 # 从而快速重构出目标的三维点云模型 & 此外 # 它所 采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工 作 # 如测绘 ’ 计量 ’ 分析 ’ 仿真 ’ 模拟 ’ 展示 ’ 监测 ’ 虚 拟现实等 & 这对于有限元分析 ’ 工程力学分析 ’ 流体 动力分析等是非常重要的 & 这种逆向工程的数据获 取方式目前在我国还是个薄弱的领域 &
第 !’ 卷 第 " 期
测 绘 工 程
("") 年 W 月
21341225413 67 895,2:413 ;1< =;>>413
,-./!’0 1-/" XEH/0 ("")
三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析
郑德华 !!"! 沈云中 !!#! 刘 春 !!#
!!$ 现代工程测量国家测绘局重点实验室 " 上海 "%%%&" #
续波发射 "根据光学干涉原理确定干涉相位的测量 方法 " 适用于近距离测量 " 测量范围一般小于 -8
图 I 采用脉冲测距法的三维激光点坐标
!
径向三维激光扫描仪的测量误差分析
从误差理论来分析 " 径向扫描系统测量误差可
K"每秒可测量 I8 888 到 -88 888 个点 ! E & 三角法扫描系统 ! 利用立体相机和机构化
!76 目标物体反射表面粗糙程度的影响
三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙 程度有密切关系 " 由于三维激光回波信号有多值性 特点 !有些三维激光扫描系统只能处理首次反射回 来的回波信号 ! 有些三维激光扫描系统只能处理最 后反射回来的回波信号 ! 也有一些三维激光扫描系 统能够综合处理首次和最后反射回来的回波信号 " 以处理首次反射回来激光回波信号为例 $ 如图 ) 所 示 %! 目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的 偏差 !$1 接近于物体表面粗糙极值 #+.8 的 19!"
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摘要 ! 回顾了近年来三维激光扫描技术及其测量误差方面的研究成果 ! 将三维激光扫描技术分为径向三维激 光扫描仪 " 相位干涉法扫描系统和三角法扫描系统三种类型 # 从仪器误差 " 与目标物体反射面有关的误差和外界 环境条件影响三个方面 ! 分析了三维激光扫描系统误差影响 $ 关键词 ! 三维激光扫描仪 % 仪器分类 % 测量误差 中图分类号 !("%) 文献标识码 !* 文章编号 !!""#$%&’&!("")"""$""#"$"#
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径向三维激光扫描仪是一种集成了多种高新 技术的新型三维坐标测量仪器 "采用非接触式高速 激光测量方式 " 以点云形式获取地形及复杂物体表 面的阵列式几何图形的三维数据 ! 仪器要包括激光 测距系统 $扫描系统和支架系统 " 同时也集成 33F 数字摄影和仪器内部校正等系统 ! 典型的径向三维
大理石的透明度和各向异性结构对激光测距偏差 和测量噪声的影响 " 以 3455454 6747’45$0 大理石为 例 " 研究了测距的测量噪声和激光脚点直径之间的 关系 " 并进一步确定了测距偏差的大小 ! !888 年 " 吴剑锋等人 也对激光三角法测量的影响因素进
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7)67 !"# 激光测距的影响
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扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描 角度测量的影响 " 扫描角度引起的误差是扫描镜的 镜面平面角误差 # 扫描镜转动的微小震动 # 扫描电 机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响 " 目前 扫描角测量可达很高的精度 ! 如徕卡的 $%&!’(( 三维激光扫描仪的扫描角精度达到 #("’$"
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三维激光扫描系统的分类及其测量原理
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