临沂市城市建设勘察测绘院 山东 临沂 276000
摘要：传统的测绘信息表达方式以二维模型为主，而立体模型不仅直观、可视效果好，而且能完整精确地表达模型的三维信息，但对于测绘信息采集和处理技术提出了更高的要求。三维激光扫描正是三维信息采集的最新技术手段，该技术自本世纪初引入到测绘生产领域以来，得到了广泛的应用。
关键词：三维激光扫描；点云数据；残差改正；标靶配准
目前，人们在三维激光扫描技术领域己取得了巨大的进步，许多设备制造商在软、硬件方面都相继推出了各种类型的三维激光扫描系统。在软件方面，不同厂家都附带有自己的系统软件，如LeicaCyclone、PolyWorks软件等。还有一些只针对数据处理的软件，如Geomagic Studio、3Ds Max、Imageware软件等。这些扫描系统和软件处理系统在运行速度、计算精度、便携程度和安全使用等方面都达到了很高的技术要求。
随着人们生活水平的日益改善，三维建模技术在各个领域中发挥的作用越来越重要，如复杂目标实体的建模，新产品的建模等方面。利用该技术和其他先进技术相结合更能够降低生产成本、缩短新产品开发周期、提高产品质量，并且成了有些测绘单位的优势技术，从而使生产单位能在激烈的测绘市场竞争环境中立于不败之地，经济效益也得到了大幅提高。
1 三维激光扫描技术原理概述
三维激光扫描系统由扫描仪系统、传动系统、拍摄系统、数据处理系统、供电系统及其它附件组成。该系统囊括了多种高技术手段，同时还可以从事多种复杂的，不规则的实体三维扫描数据的采集，从而进行目标重构的三维模型。也还可以对三维激光点云的相关数据进行综合处理与分析，例如实时监测，测量与运算，结果分析，模拟展示，虚拟实现等各项功能。
三维激光扫描系统的工作原理是通过测距系统获取扫描仪到待测物体的距离S，再通过测角系统获取扫描仪至待测物体的水平角?和垂直角ω，进而计算出待测物体的三维坐标信息。在扫描的过程中再利用本身的垂直和水平马达等传动装置完成对物体的全方位扫描，这样连续地对空间以一定的取样密度进行扫描测量，就能得到被测目标物体密集的三维彩色散点数据。
2 试验方案设计及数据预处理
三维激光扫描技术应用的核心是获取目标点云数据的精度，点云的精度可分为外符合精度和内符合精度。点云数据的精度对建模的影响因素较多，为了本实验的顺利进行，并且增加实验结果的可信度，实验前制定详细的实验方案是十分必要的，对于实验的顺利完成将起到非常重要的作用。
本文所涉及的实验中，三维激光扫描数据采集所利用的仪器是瑞士Leica公司的Leica Scanstation C10型号的三维激光扫描系统，数据处理软件采用的是与其配套的Cyclone软件。现场独立坐标系的控制点由全站仪或GPS进行量测，并且经过严密的平差，由于目前三维激光扫描行业规范较少，还在沿用工程测量相关规范。
工程应用过程中，虽然三维激光扫描技术在地面建模方面取得了一定的应用研究成果，但是还存在一些技术方面的问题，主要体现在通过三维激光扫描技术获取的点云数据建立的地面模型精度在平面和高程方面是否能满足相关规范的要求。
制定扫描方案的主要过程：
（1）明确实验任务
本文中的实验任务主要在于验证进行三维激光扫描数据坐标转换过程中点云的误差，并对这些海量的点云数据利用测区的控制点与转换得到的坐标进行残差改正，以提高坐标转换后点云的精度。并对两次扫描的数据在高程方面的误差按照点云数据和扫描仪的距离进行分析。
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将外业获取的点云数据运用配套的数据处理软件进行处理，对实体表面模型进行重建，然后求差处理表面模型，研究两种扫描结果，比较场地内其它点的测量精度是否在误差范围内，如果差别较大，则分析造成差别的原因，并对扫描方案进行改进。
（2）场地要求本实验顺利进行对场地的要求是场地中地形起伏不大，能够引起噪声的因素较少，如行人、车辆较少、这样对噪声数据进行剔除时，会减少工作量，实验场地呈带状分布，并且均匀布设有工程测量的控制点。
（3）制定技术设计方案扫描仪选择与参数设置：所用仪器为Leica Scanstation C10扫描仪及其配置的4个球形标靶。
参数设置：包括扫描分辨率的设置，扫描范围的设置（即全景扫描或者窗扫描）扫描时是否拍照等。
测量控制点布设方案：测量控制点的布设，以及控制点的精度对实验结果有着重要的意义。沿扫描的带状区域分布，并且控制点间距控制在100m~200m之间，控制点精度相对较高。
（4）野外扫描方案设计
标靶布设原则：首先布设的球形标靶能够很好的被扫描仪所识别；为了保证坐标转换时各个方向的精度要求标靶球摆放要保证相互间应具有一定的高度差，并且尽量呈正三角形方式摆放；拼接时设站间重复率保证在三分之一以上。
测站设置：在扫描工作进行以前，必须对现场进行勘查，绘制规划图和扫描日志，使整个扫描过程有条不紊的进行。在扫描仪架站时，必须考虑一下三个方面的因素：第一，架站位置扫描的数据要尽量完整，仪器架设位置前尽量远离遮挡物，扫描工作进行时，工作人员尽量不要在扫描线附近走动。第二、进行多站扫描时，为了控制扫描数据的误差积累，尽可能的选择利用较少的测站对扫描目标进行数据采集，这就要考虑到选站的技巧问题。第三、站与站之间拼接时，每一次拼接至少保证有三个配准的标靶球，并且标靶球必须采用较高的分辨率进行扫描，以保证标靶球能够被完整拟合出来。
（5）分析误差来源
测绘学科领域内，测量的误差来源主要是从三个方面考虑：测量仪器的误差、测量人员引起的误差、外接环境变化引起的误差。但是三维激光扫描仪扫描测量实质为无棱镜反射，因此会受到来自反射目标的误差。其中激光扫描仪本身的误差源一般可以通过仪器生产厂家来提高产品的质量，人员采用的检定设备进行检查以后对仪器进行改善。其中反射目标对于测量成果的影响，目前还只能通过了解其影响规律，和利用工作经验在实际工作中尽量避免。而大气环境引起的误差，除了个别误差（例如大气折射）可以进行改正外，其它误差只能够通过仪器使用者通过选择恰当的工作环境和时间来减小。
3 三维地面模型的建立及误差分析
三维激光扫描数据的应用取决于点云数据的质量。三维激光扫描仪所采集的数据为以某一测站为坐标圆点的扫描坐标系统，而在工程建设中通常使用的是工程坐标系，要将三维激光扫描的坐标数据转换为工程坐标，就要利用扫描标靶与测区控制点在点云数据处理软件中实现，用户不能对坐标转换过程进行人为的干预和改进。测区内一般存在多个已知坐标点，由于误差影响所得到的转换参数在本质上是一组变量。即使用所有已知点按照最小二乘原理来求取所谓的“最优转换参数”，在每个已知点上均会出现转换坐标值与已知值不相符的情况。因此，选取不同已知点求取转换参数时，三维激光扫描的点云数据会出现不同的工程坐标值，这影响了三维建模的精度和真实性。本章节讨论点云数据坐标转换的改进算法，利用公共点求取一组转换参数，利用该组参数将已知点上所测量的扫描数据转换为工程坐标，将已知坐标值与转换坐标值只差称之为坐标转换残差。依据各已知点的坐标转换残差建立残差改正模型，对所有扫描数据点云施加残差改正，从而提高扫描测量的点云精度，并通过实例来验证该方法的可行性。
参考文献
[1]李志良,基于点云数据的真三维建模方法研究[D],太原:太原理工大学,2014.
[2]葛晓平,赵海洋.浅谈三维激光扫描技术在吴山石佛院造像中的应用[J].江西建材,2014,7(13):3-4.
[3]党晓斌.三维激光扫描技术在建筑物变形监测中的应用研究[D].西安:长安大学,2011.
[4]李现强.基于三维激光扫描技术的矿区数据采集及其模型构建的应用研究[D].南昌:东华理工,2013.
论文作者:王鹏
论文发表刊物:《防护工程》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/21
标签：激光论文; 数据论文; 误差论文; 坐标论文; 精度论文; 扫描仪论文; 技术论文; 《防护工程》2017年第18期论文;