三维激光扫描技术及其误差分析

刘 涛

（贵州民族大学 建筑工程学院，地质灾害防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025）

1 三维激光扫描系统的工作原理

现在，主流的三维激光扫描主要有两种测距方式：脉冲式测距和相位式测距。

脉冲式测距是通过测量激光在仪器到目标物体来回传送的时间来确定三维激光扫描仪到物体间的距离，原理非常简单，如下式所示：

式中，S表示扫描仪到目标点的距离，C表示光束，T表示激光脉冲发射和技术的时间差。脉冲式测距通过仪器内部的激光发射装置发射出激光经过物体反射后，通过仪器内的探测器接收并记录发射到接收的时间，从而计算出距离。脉冲式测距的优势在于有效测程长，能达到几百米甚至上千米，所以在测量地形，大型建筑，矿山等比较复杂的大型物体时会采用这种方式。但是，脉冲式三维激光扫描仪目前市场价格较高，而且相对相位式测距，脉冲式的扫描速度较慢。

目前，市面上比较完整的地面三维激光扫描系统主要包括：激光扫描系统、激光测距系统、集成的CCD摄像机和仪器内部控制与校正系统，以下介绍激光扫描系统各部分的原理和功能。

相位式测距的工作原理类似于GPS的载波相位测距，通过测定调制在激光束上的调整光的波长的相位延迟，利用波长和相位差来间接计算出仪器与反射物体之间的距离。计算原理如下式所示：

式中φ为检测的相位差，f为填充脉冲的频率。

相位式测距由于一般功率较小，所以有效测程一般都在一百五十米到两百米以内。但是相位式测距的优势在于扫描速度较快，而且由于是利用光波长和相位差进行距离计算，比单纯计算时间的脉冲式测距精度高。所以采用相位式测距的三维激光扫描仪一般主要是应用于文物保护，古建筑等需要比较精确的扫描方向。

三维激光扫描仪不仅仅是测量仪器到物体之间的距离，还要通过仪器内部的轴系系统得到仪器与目标物体的相对位置关系，从而利用已知的仪器坐标得到未知的物体空间位置信息。一般情况下，以三维激光扫描仪建立空间直角坐标系，如下图所示：

S是由测距单元测量得到的扫描仪到目标物体的距离，θ和α是由三维激光扫描仪内部的轴系系统得到的角度，P是目标位置。这样由下式就可以计算目标的坐标了。

三维激光扫描仪还有一个非常重要的部分就是集成在仪器内部的CCD摄像机。由于三维激光扫描仪获取到的三维点云数据是由成千上万个空间点组成的，这些大量的点位数据如果没有相应的影像数据作为支持，后期处理起来就非常麻烦。集成在三维激光扫描仪内部的CCD摄像机在三维激光扫描仪进行空间扫描的同时就不断的记录空间影像。这些影像对于点云数据的后期处理、除噪、拼接等都是非常重要的原始资料。同时，在利用点云数据进行三维建模后，我们还可以利用这些影像数据进行贴图，从而得到空间物体的真三维模型。

2 三维激光扫描技术的误差影响分析

误差在我们的测量工作中是恒定存在的，误差也是我们在测量工作永远要对抗的敌人。三维激光扫描仪的误差主要来自三个方面：

（1）三维激光扫描系统误差。在进行三维激光扫描仪安置的时候的对中，整平误差，这个我们可以采用强制对中和电子气泡来削弱误差。还有就是仪器内部的轴系误差，这个就需要我们对仪器经常进行调校和检定。而值得一提的是，我国一直都没有出台相应的三维激光扫描仪的检定标准，这使得目前的三维激光扫描仪市场上也没有一个统一的标准，都是由各个厂家自行制定的标准。对于应用越来越广泛的三维激光扫描仪，希望国家相关部门都能出台相应标准。

（2）外界条件影响所带来的误差。三维激光扫描仪发射出的激光经过在空气中传输后接触物体反射回到仪器接收器，这一过程都会受到气压，温度，湿度，灰尘等外界干扰因素的影响，从而影响到测距的精度。所以我们在进行三维激光扫描的时候一定要做各项气压，温度，湿度等测距改正，减小误差的影响。

（3）扫描目标物体反射的影响。如果扫描物体表面过于粗糙，容易造成激光漫反射，就会导致激光无法正常反射回到仪器或者仪器接收的激光回波信号有多值性。再者，当激光与物体反射面交角较小时，容易导致激光光斑放大，增大了激光反射点的不确定性，从而导致仪器与目标物体的相对误差增大。所以，我们再选择扫描物体时应尽量选择光滑表面进行扫描，增大激光的回波效率，提高反射精度。同时要避免激光与反射面交角较小的情况发生，采用多次设站扫描，多角度扫描。

（4）点云数据后期处理的影响。三维激光扫描得到的是大量的点云数据，这些数据里面有我们需要的点，也有可能是灰尘等反射的我们不需要的点。这就要求在进行点云后期数据处理的时候进行除噪，识别有用的数据与噪声，这就需要我们结合现场影像数据进行识别。一般情况下，一个物体的三维激光扫描都需要多站扫描才能完成。不同站之间的点云拼接精度也是点云数据后期处理的主要问题。我们可以在进行三维激光扫描的时候就指定好扫描的方案，确定点云拼接的共同点，在这些点上设置光标来提高点云拼接的精度。

3 结语

三维激光扫描技术在各个领域的应用已经有几年的时间，它最大的优点就是突破了传统单点测量的数据采集处理方法，同时又不像GPS技术需要卫星的支持，为测绘领域提供了一条新的研究方向。同时，我们还要看到作为新技术，三维激光扫描还不成熟，还需进行很多深入研究才能更好的把这一技术应用到各个领域。而且，国家一直都没有颁布三维激光扫描技术的国家标准，这使得当我们将三维激光扫描技术应用到工程领域的时候也会产生困惑。虽然有这些不足，但不难看出三维激光扫描技术的应用前景十分广阔。

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