地面三维激光扫描仪点间距测量精度研究

刘云备,蔡来良

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)



地面三维激光扫描仪点间距测量精度研究

刘云备,蔡来良

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

摘要：随着地面三维激光扫描技术的快速发展，将应用于更多行业尤其是工程测量方面，两点之间的距离是工程测量中的常用指标。由于工程应用对扫描点云精度要求越来越高，基于点云的点间距测量精度要求也在增高，研究地面三维激光扫描仪点间距测量精度有较高的实用价值。文中提出一种基于近景工业摄影测量技术的地面激光扫描仪点间距测量精度评定的方法，并针对实验中使用的平面圆形激光标靶，研究了基于平面拟合、空间投影等理论的标靶中心点坐标求取方法。特别是提出一种基于圆面几何特征的标靶中心点求取算法，并利用VC++2010平台开发程序实现，将文中的几何方法与常用的重心类标靶中心求取方法相对比，文中方法误差较小，在激光扫描仪离标靶测距较远，无法测得完整标靶，或是其他原因导致标靶部分数据缺失的时候可优先考虑。

关键词：点云数据；平面拟合；投影；标靶中心提取

三维激光扫描技术是继 GPS之后的一门高新测绘技术，也称为“实景复制”技术[1]。目前，该技术主要用于地形测量、虚拟现实和模拟可视化、矿区土方开挖断面和体积测量、逆向工程、事故调查、历史古迹恢复与保护，以及特殊动画效果测量等方面[2]。三维激光扫描技术的广泛应用，需要点云数据有较高的精度，而点间距测量精度是点云数据精度的重要衡量指标，因此，研究扫描仪的点间距测量精度具有重要意义。本实验是根据提取的标靶中心计算标尺长度，因此，标靶中心提取是实验中的关键过程[3]。

一些学者对标靶中心提取，扫描仪距离测量精度进行了研究并取得了一定的成果。D.Lichti 提出3种平面标靶中心自动识别方法[4]，都是基于平面标靶中心为反射强度最大的点这一假设。张永彬,高祥伟等通过提取球形标靶中心计算距离与全站仪测得结果对比，评估扫描仪距离测量精度[5]。苏晓蓓,郝刚在进行标靶中心提取时，采取了建立平面标靶的表面规则格网模型,再建立反射强度规则格网模型，然后利用2个格网的数据加权平均的方法[6]。谢宏全等对地面三维激光扫描仪测距精度检校进行了系统试验研究[7]。本文进行了重心类方法标靶中心提取，同时尝试了几何方法标靶中心提取，并评估各种方法的精度。

1数据获取与预处理

1.1标靶数据获取

标靶数据采集一般采取激光扫描仪和全站仪相结合模式[8]，本实验采用激光扫描仪与摄影测量结合的方式进行。观测前，先采用测量精度达0.025 mm/m的近景工业摄影测量系统XJTUDP(见图1)对标尺(见图2)进行多次测量，获得标尺TP1-TP4长度1180.20 mm，TP2-TP3长度818.70 mm。

图1　近景工业摄影测量系统

图2　实验标尺

采用Riegl-VZ1000扫描仪，并使用配备特制的反光材料标靶，粘贴于经摄影测量标定过的铝合金标尺上，标尺每端贴2个反射片，在扫描仪不同视距下扫描标尺，共得到10组数据，见图3。其中第7、8、9、10组由于距离扫描仪较远，同端2个标靶无法区分，只测最外侧2个标靶作为实验数据。

图3　不同视距下的标尺测量示意图

实验采用Riegl-VZ1000扫描仪配套软件RiSCAN PRO进行数据采集。根据标靶和周围部分点云数据反射强度不同，提取反射强度为10～30 dB范围点云数据，提取效果见图4。

按照反射强度提取的标靶点云数据为圆盘状分布，测量其直径获得其尺寸为8.6 cm，见图5(b)，大于实际尺寸6 cm。这是由于在标靶边缘反射强度为渐变值，大约在10～30 dB之间，该值随着环境光的变化而变化，按照10 dB的阈值来取会导致取到的点云偏多。为了更精确地获得标靶上的点云，对标靶数据求初始中心，选取距初始中心3.0 cm范围内数据为后续研究的起算数据。

图5　标靶及点云尺寸

1.2数据预处理

采用的是平面强反射标靶，但是三维激光扫描时受环境光的影响，测得的标靶上的点云并不分布在同一平面上，为了跟实际情况吻合，需要对点云进行平面拟合。常用平面拟合方法：基于最小二乘平面拟合、基于特征值平面拟合。本文采用基于稳健特征值[9]方法进行平面拟合。

空间平面的方程可以表示为

(1)

其中:a,b,c为x，y，z方向单位法向量,即a2+b2+c2=1,d为坐标原点至平面的距离,d≥0。要确定平面特征,关键就要确定a,b,c,d这4个参数。

平面拟合过程：

1)利用特征值法计算a,b,c的初始值。

2)利用计算出的a,b,c值,计算出每个点至拟合平面的距离di。

3)计算距离di的标准偏差σ。

4)当2σ4σ时，此点被认为不是标靶点进行删除；其它点为平面点进行保留。(当直接把2σ

投影坐标系如图6所示。

(2)

其中:di为点到平面的距离;P(X,Y,Z)为点云数据原始坐标;P′(x,y,z)为投影后坐标;α,β,γ分别为PP′与X,Y,Z轴的夹角。

5)利用计算得到点云数据重复1)～4)，当标准偏差σ小于1 mm时，认为a,b,c,d为最佳平面拟合参数,标靶点云数据位于同一平面上。

2标靶中心点坐标精确提取

2.1重心法

1)简单重心法[10]。认为经预处理后点云数据在拟合平面上均匀分布，标靶中心为数据的几何中心。

2)连续加权重心法[11]。取每个点的反射强度值为权，进行加权平均。

反射强度加权平均值法公式[12]

(3)

3)分段加权重心法。根据反射强度值不同，标靶点云数据呈环状分布(距标靶中心越近，反射强度值越大)，本实验把单个标靶数据分为4组分别为10～15 dB、15～20 dB、20～25 dB、25～30 dB。先根据式(4)计算每组数据中心，4组数据再求均值作为标靶中心。

2.2几何法

图7　几何法示意图

1)利用重心法提取标靶中心，标靶上点云分布比较均匀时效果较好。当标靶离扫描仪距离较远，或是点云比较稀疏时，测得的标靶点云分布并不均匀，这时可以考虑被测标靶的几何特征，根据几何特征来求取中心。本次实验标靶为圆形平面标靶，可利用圆的几何特征来分析标靶中心。在圆上，点之间距离最大的点位于标靶最外围边界，两点坐标平均值为圆的中心即标靶中心。当只采用距离最大的点计算标靶中心时，标靶距离仪器较远时，点个数较少。如图7所示，本实验采取与最大距离相差1.6 mm以内的点作为圆上的点，对应两点计算一组标靶中心，多组数据再求均值作为最终标靶中心。采用图7所示方法时，与采用距离最大点计算标靶中心最大差值为0.8 mm，对计算结果影响很小，图8为圆上点提取结果。

图8　圆上点提取结果

2)采取分段计算标靶中心。根据反射强度值划分标靶数据，采用几何法计算每段中心，各段计算标靶中心再求均值作为最终结果。

3标靶距离差值计算结果与分析

标靶中心提取后按欧氏距离公式分别计算TP1-TP4和TP2-TP3的距离，再与摄影测量计算的结果做差值，分析三维激光扫描仪点间距测量精度。基于VC++2010开发程序实现了简单重心法、连续加权重心法、分段加权重心法、和本文提出的几何法。提取平面标靶中心计算距离差值的结果见表1。

同时，本实验采用了直接删除di>2σ部分点云和将2σ

表1　各种方法计算距离差值结果　mm

表2　噪声点不同处理方式距离差值计算结果　mm

图9　TP1-TP4距离差值与视距关系

通过表1、表2与图3、图4可知，点间距测量误差随视距增大而增大。精度方面：各种方法精度基本相同，总体比较本文的几何法距离精度较高。计算过程：简单重心法最为快速、反射率加权和分段反射率加权以及几何法较为复杂。根据具体的要求，可选择具体方法获得较高的距离精度。由图10可知，采用直接删除di>2σ部分点云和将2σ

图10　TP1-TP4噪声点不同处理方式距离差值与视距关系

4结论

1)本实验采用近景工业摄影测量系统与三维激光扫描仪相结合方法评估三维激光扫描仪点间距测量精度，代替了常用的全站仪与三维激光扫描仪结合测定点间距精度的工作，近景工业摄影测量方法精度高，数据采集速度快，为本文实验开展奠定了坚实基础。

2)运用基于稳健特征值方法拟合标靶平面可以减弱异常点对平面拟合结果的影响，将2σ

3)本文提出了一种基于圆面几何特征的标靶中心求取方法，数据表明，该方法求得点间距误差小于重心法。在激光扫描仪离标靶测距较远，无法测得完整标靶，或是其他原因导致标靶部分数据缺失的时候，该方法可优先考虑。

参考文献

[1]欧阳俊华.近距离三维激光扫描技术[J]. 红外，2006，27(3): 1-7.

[2]刘旭春,丁延辉.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J]. 测绘工程，2006，15(1): 48-49．

[3]张远智，胡广洋，刘玉彤,等．基于工程应用的三维激光扫描系统[J]. 测绘通报，2002(1): 34-36．

[4]LICHTI D. Tests on a Three-dimensional Laser Scanning System[D]．Snow School of Spatial Sciences Curtin University of Technology GPO Box U1987 Perth， Westem Australia，2000.

[5]张永彬，高祥伟，谢宏全,等.地面三维激光扫描仪距离测量精度试验研究[J]. 测绘通报，2014(12): 16-19.

[6]苏晓蓓，郝刚．地面三维激光扫描标靶中心识别算法研究[J]. 城市勘测，2010，6(3): 68-70.

[7]谢宏全，高祥伟，邵洋.地面三维激光扫描仪测距精度检校试验研究[J]. 测绘通报，2013(12): 25-27．

[8]朱继文，冯守良，曲苑婷. 基于徕卡Scanstation2获取校园三维点云数据的研究[J]. 黑龙江工程学院学报(自然科学版), 2013,27(3):17-19.

[9]官云兰，程效军，施贵刚.一种稳健的点云数据平面拟合方法[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2008(7): 981-984.

[10] 齐建伟，纪勇.地面3D激光扫描仪反射标靶中心求取方法研究[J]. 测绘信息与工程，2011(1): 37-39.

[11] 陈俊杰，闫伟涛.基于激光点云的平面标靶中心坐标提取方法研究[J]. 工程勘察，2013(8): 53-57.

[12] LICHTI D D, STEWART M P, TSAKIRI M, et al. Bench mark tests on a three-dimensional laser scanning system [J]. Geomatics Research Australasia, 2000, 72: 1-24.

[责任编辑：刘文霞]

Research of point distance measurement accuracy of terrestrial 3D laser scanner

LIU Yunbei，CAI Lailiang

(School of Surveying and Land Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract：The rapid development of terrestrial 3D laser scanning technology will be applied to more industries, especially engineering measurement, for which the distance between two points is a common indicator of engineering measurement. Because the engineering applications for point cloud precision increasingly demand, based point cloud point spacing measurement accuracy requirement will be improved, and the research on terrestrial 3D laser scanner point distance measurement accuracy has practical value. Based on Close-range Photogrammetry Technology, this paper proposes a method to evaluate point-distance measurement accuracy of the terrestrial 3D laser scanner, against the plane round target used in the experiment, and studies the method of calculating target center coordinates based on plane fitting and space projection theory. Based on round geometric features, another method is proposed to calculate the target center, with VC++2010 platform develop program to achieve. Comparing the geometric method and the common center of gravity method, this method will smaller error, while the laser scanner is far away targets, it is unable to measure the complete target or causer the data of the target missing that will be given priority.

Key words：point cloud data; plane fitting; projection; center extract

中图分类号：P207

文献标识码：A

文章编号：1671-4679(2016)01-0010-05

作者简介：刘云备(1990-)，男，硕士研究生,研究方向：三维激光扫描.

基金项目：国家测绘局测绘地理信息公益性行业专项资助项目(201412020)；河南省高等学校重点科研项目计划(15A420005)；河南理工大学博士基金资助项目(B2012-004)

收稿日期：2015-09-24