绍兴文理学院 312000
摘 要：本文通过对三维激光扫描仪工作原理和数据处理原理的概述，结合实际公路边坡的监测，并在此基础上提出了三维激光扫描技术存在的误差和问题。
关键词：三维激光扫描议；工作原理；数据处理原理；误差
一 引言
随着科学技术的不断发展，三维激光扫描技术广泛运用于测量作业中。使得这种技术得以实现的就是三维激光扫描仪。如今，三维激光扫描仪已广泛运用于建筑测绘、隧道、矿业、零部件检测、逆向工程、加工工业、工业管道、BIM软件、树冠面积测定等多个领域。因此，熟练理解三维激光扫描仪的原理并进行运用很有必要。本文将以FARO S350三维激光扫描仪边坡检测应用为例,具体介绍三维激光扫描仪原理以及减小误差的方法。
二 工作原理
三维激光扫描仪是以新型的三维激光扫描技术为核心技术的测量仪器。三维激光扫描技术能迅速获得物体的三维坐标，是一种新型的立体测量技术。与传统测量方法相比，其实现了对三维实体的数字化，可以快速、准确、无接触地获取实物上的三维坐标信息，从而在计算机内，完成三维实体的坐标重建。
（1）测量原理
三维激光扫描仪内部有其坐标系。原点O为仪器的光学中心点，Z轴是仪器的竖轴，X轴为起始位置点的水平轴，Y轴则在扫描面与X轴、Z轴垂直。这样就搭建起了一个右手直角坐标系。
以点Q为例，分析扫描时如何得出扫描坐标
如上图所示，在扫描时，激光测距，可以得出Q点相对于扫描原点处的距离D，而激光旋转扫描又可以得出Q点相对于Z轴，X轴或Y轴得夹角α和β。则易得点Q的坐标则如下XQ=Dcosαcosβ，YQ=Dcosαsinβ，ZQ=Dsinα。同理可得其它各点的坐标，这些点坐标组成的数据叫做点云数据，测量完毕后储存于内存卡中。
（2）布设标靶球的作用
由于每次测量时，三维激光扫描仪都以当前放置位置为原点坐标进行测量，所以在边坡比对时，需要将原始数据与测量数据放在同一个坐标系下比对，这就是点云拼接。而点云拼接需要布设标靶球来完成。由于原点坐标均为（0，0，0），所以坐标系转换时行不通，且有很大的误差。所以通过球心标靶扫描的坐标来进行拼接。而球心标靶的数量以及其放置位置在一定程度上会影响测量的精度，所以在球心标靶的布置数量、位置上都有很多规定。并且，布置标靶球还能确保三维图像的完整性。所以标靶球的布设是很有必要的
三数据处理原理
1 点云数据与图像数据拼接
首先应该将点云数据与相机所得图像的数据进行拼接，即相机坐标系和图像坐标系的转换。本次实验仪器较为先进，在测量时就已将拍摄的多幅影像统一到同一个图像坐标系内，接着通过扫描仪配套的数据处理软件，将点云数据与图像所得数据拼接。得到每个点云的像素坐标，完成进一步的三维重建。
2 球心坐标识取
球心坐标识取又称为球心拟合。球心标靶扫描后可以获取大量的扫描点。而在本次测量中，可以通过激光扫描仪配套的软件对标靶中心点的坐标进行自动提取。球心拟合的原理如下。
通过变形，矩阵变换以及最小二乘法不断迭代求得球心三维坐标以及球形标靶的半径r。
3 不同测站间的点云数据拼接
获得不同测站间的连接点，即球心点坐标及半径数据后。需要将不同测站的点云数据统一到同一坐标系内，进行点云数据空间直角坐标的融合转换，具体转换原理如下
假设转换后的单个坐标为(x1,y1,z1)，转换前的坐标为(x0,y0,z0)
则上述两个坐标应该满足如下关系式
而在其中，(x2,y2,z2)为三轴平移量，α为尺度缩放系数，R为3×3阶旋转变换矩阵。
4 测量点云数据与原始点云数据的拼接
实现边坡的监测，需要将测量的点云坐标转换到国家规定的原始坐标系内。然后进行比对，分析边坡是否有危险性。所以，需要对测量坐标系与原始坐标系进行转换，其原理与上述不同测站间点云拼接坐标系转换原理基本相同。
5 3Dreshaper软件的色谱分析
利用标靶球识取的点云数据以及图像，通过上述操作，在3Dreshaper软件内进行三维重建。去除无需对比的部分，留下边坡部分进行点云原始数据与点云测量数据的对比。利用色谱梯段法直接在图像内显示，软件中的着色主要为绿色和红色两种。通过几个范围内的三方向位移差值，形成偏向红色或者偏向绿色的色素梯段。通过梯段，直观的反映边坡的安全性。具体形式如下图所示
误差分析
在实际中，为了实现点云拼接准确无误，测量数据准确无误，需要不断加密标靶球数量，缩短测距，才能尽量减少人为操作误差。下面将分析三维激光扫描时各方面的误差。
1.外界引起的误差
当边坡上存在杂草，树木时，由于其内部存在叶绿素。对光线的吸收程度较大，仪器一级激光发射之后，被直接吸收，而无法到达边坡外表面，更无法反射回来使仪器接收。在后期处理时，这一部分数据缺失，色谱图出现黑色区域，使得边坡监测存在很大的误差。
激光是一种电磁波，传播过程中受噪声的影响较大。来往车辆的声音，大自然的声音，人为的声音等都会影响测量的精度，造成很大误差。另外，温度，倾斜角，气压等因素也会造成误差。
2仪器内部误差
系统误差的大小由仪器本身决定。激光的发散程度决定扫描仪的有效测程。棱镜的精度、双轴补偿精度决定数据的精度。相机像素决定三维重建以及点云拼接时的精度。
由于三维激光扫描技术测量速度快、精度高、应用领域范围之广，逐渐成为了非接触测量界的主角。未来，三维激光扫描技术将应用到更广泛的事业中。
参考文献
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［3］国策,杨国东,王民水,等.三维激光扫描装置设计与数据处理［J］.世界地质,2018,37(4).
论文作者:1冯谕, 2张莹莹,曾昊
论文发表刊物:《城镇建设》2019年13期
论文发表时间:2019/9/17
标签：激光论文; 坐标论文; 球心论文; 坐标系论文; 测量论文; 数据论文; 误差论文; 《城镇建设》2019年13期论文;