徕卡Scanstation C10扫描仪扫描质量影响因素分析

欧江霞，刘伟诚，蔡茂欣

（1.广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663；2.广州市地质调查院，广东 广州510440；3.广州市海洋与渔业环境监测中心，广东 广州 510235）

徕卡Scanstation C10扫描仪扫描质量影响因素分析

欧江霞1,2，刘伟诚1，蔡茂欣3

（1.广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663；2.广州市地质调查院，广东 广州510440；3.广州市海洋与渔业环境监测中心，广东 广州 510235）

基于徕卡Scanstation C10扫描仪的坐标测量原理及其测量精度，分析了扫描角度与扫描距离对点位误差的影响情况；利用该仪器按照设计的实验方案进行数据采集，之后提取所获点云的强度数据，并以强度平均值为指标研究了扫描角度、扫描距离、反射体材质对强度值的影响情况。综合研究表明，徕卡Scanstation C10扫描仪的最佳扫描角度为[0°，20°]、最佳扫描距离为[15 m，40 m]、最佳扫描材质为反射率较高的标准反射体。

测量精度；点位误差；强度值；几何条件；反射体

随着地面三维激光扫描仪被广泛应用于工程测量领域[1-3]，如何提高其扫描质量也引起了各方面的重视[4-5]。在仪器自身误差及扫描环境等因素影响下，地面三维激光扫描仪扫描获取的点云数据不可避免地含有仪器误差、外界环境误差、扫描几何条件误差以及反射体误差等各种偶然误差[6]。其中，仪器误差可通过仪器校正与仪器内部设置进行修正，外界环境误差可通过测定扫描仪作业时的温度、湿度、压强等一系列环境因子，利用改正公式计算改正数，进而得到修正，因此以上两种误差可看作“固定误差”，相对而言可得到较好控制，而对于扫描几何条件误差（扫描角度、扫描距离）及反射体误差（反射体均质性、颜色）等“浮动误差”则较难进行量化处理。近年来，国内外相关学者在一定范围内研究了扫描角度[7-8]、扫描距离[9]、反射体材质[10]、反射体颜色对扫描质量的影响情况[8-9]，但由于市场上仪器众多，各仪器内部结构、扫描特性均存在一定差异性，已有研究成果不具备普适性。为此，本文将基于徕卡Scanstation C10扫描仪的测量精度定量分析扫描几何条件对点位误差的影响，同时通过设计实验方案进行点云数据采集，研究反射体材质对该仪器扫描质量的影响，拟为其扫描设站与反射体选材提供参考，以提高扫描质量及点云数据可靠性。

1 点位误差分析

徕卡Scanstation C10扫描仪采用极坐标法的方式进行坐标测量，目标点P的三维坐标计算公式如式（1）所示：

式中，S为扫描距离；α为扫描横向角度（水平角）；β为扫描纵向角度（竖直角）。在无仪器误差、外界环境误差等因素的理想情况下，由式（1）及误差传播定律可推导出点云坐标误差分量为：

式中，mx为x方向的点位误差；my为y方向的点位误差；mz为z方向的点位误差；mβ为竖直角测角中误差；mα为水平角测角中误差，mS为测距中误差。由式（2）可推导出点云坐标点位误差mp2为：

徕卡Scanstation C10地面三维激光扫描仪的水平角、竖直角测角精度为mα=mβ=12"，测距精度为mS=4 mm。实际作业中，需考虑扫描角度对测距精度的影响，以平面为例，其测距精度与扫描角度θ的关系为 mS=4 mm/cosθ[11]。为研究距离与竖直角、距离与水平角对点位误差的影响，依次令水平角α=0°（此时扫描角度θ=β、mS=4 mm/cosβ）、竖直角β=0°（此时扫描角度θ=α、mS=4 mm/cosα），分别计算不同距离、不同角度（水平角或竖直角）点云点位误差 ，结果如表1、2所示（表中点位误差单位为mm）。

表1 距离与水平角对点位误差的影响

表2 距离与竖直角对点位误差的影响

由表1、2可知：

1）当距离S固定、竖直角β=0°时，点云点位误差随水平角 增加逐渐变大。

2）当距离S固定、水平角α=0°时，点云点位误差也随竖直角 增加逐渐变大。

3）当距离S固定，扫描角度小于40°（水平角α＜40°或竖直角β＜40°）时，点位误差的变化幅度在1 mm以内，扫描角度大于40°时，点位误差呈明显上升趋势。

4）当扫描角度（水平角α或竖直角β）固定时，点云点位误差同样随距离S增加逐渐变大，其中，当距离S＜40 m时，点位误差的变化幅度在1 mm以内，距离S＞40 m时，点位误差呈缓慢上升趋势。

由以上分析可知：

1）扫描角度是影响点位误差的主要因素，实际作业时，应尽量使扫描仪正对扫描目标，以减少扫描角度对点位误差的影响，当对大型物体进行扫描时，应尽量确保扫描角度小于40°。

2）徕卡Scanstation C10地面三维激光扫描仪作业时应将扫描距离S控制在40 m以内，以减小距离对点位误差的影响，提高扫描质量。

2 强度值分析

地面三维激光扫描仪在获取扫描目标空间几何信息（相对三维坐标）的同时，还记录了扫描目标的物理信息——强度值，即接收器接收到的回波信号。参考雷达测距方程，同时顾及激光光束反射系统与接收系统同轴，且发射器与探测器跟扫描目标的距离一致等因素，地面三维激光扫描仪激光回波能量与发射能量之间关系如下[12]：

式中，P为激光接收功率；P为激光发射功率；D2RES为接收光孔孔径；S为扫描仪与扫描目标之间的距离；ρ为扫描目标发射率分别为大气与仪器的能量传输因素，θ为扫描角度。强度值I为PR的函数，即I=f (PR)，可表示为：

由式（5）可知，点云强度值精度也与扫描距离S、扫描角度θ、扫描目标反射率（反射体材质）存在一定关系。由于强度值I与PR的函数关系未知，无法对强度值精度进行定量分析，为此，本文将利用徕卡Scanstation C10地面三维激光扫描仪扫描尺寸为30 cm×30 cm×3 cm的不同角度、不同距离、不同材质的平面反射体，以强度平均值作为精度评定指标，研究扫描角度、扫描距离、反射体材质对点云强度值的影响。实验分为以下3部分：

1）扫描角度对强度值影响实验。由于反射体尺寸较小、扫描距离较大，因此，可忽略竖直角影响，重点考虑水平角对强度值的影响（即令扫描角度θ=α），通过固定扫描距离与反射体材质，不断调整加入水平度盘旋转基座的方式改变扫描角度，采集目标点云数据。

2）扫描距离对强度值影响实验。固定扫描角度与反射体材质，通过变化扫描距离采集目标点云数据。

3）反射体材质对强度值影响实验。固定扫描角度与扫描距离，分别采集标准反射体、5种颜色KT板材反射体与建筑材料反射体点云数据。

2.1 扫描角度对强度值影响

如图1所示，将徕卡Scanstation C10地面三维激光扫描仪分别放置在距离扫描目标20 m、30 m的位置，通过旋转基座将反射体（本次实验选用扫描目标为反射率55%的标准反射体、混凝土反射体及黄色KT板材反射体）的角度依次设置为0°～80°（步长为10°），利用扫描仪依次扫描不同角度下3种反射体，共得到18组点云数据，分别统计所得点云数据的强度平均值，如图2、3所示。

1）对于3种不同类型的反射体，当扫描距离固定时，反射体的强度平均值均随扫描角度的增加而降低，说明扫描角度越大，反射体接收到的激光信号越弱。

2）对于反射率55%的标准反射体，其强度平均值先缓慢变小，当扫描角度超过20°时，其强度值以抛物线形式急剧减小。

3）混凝土反射体均质性较差、反射率较低，其强度平均值呈平缓变化趋势。

4）黄色KT板材反射体的均质性好、反射率高，对激光信号极为敏感，当扫描仪正对其进行扫描时，可获得高于其他两种反射体强度值，当扫描角度变大时，其强度值以近似线性形式急剧减小，当扫描角度大于60°时，其强度值低于其他两种反射体。

图1 扫描角度实验

图2 扫描距离为20 m时点云强度平均值变化曲线

图3 扫描距离为30 m时点云强度平均值变化曲线

2.2 扫描距离对强度值影响

如图4所示，将徕卡Scanstation C10地面三维激光扫描仪依次架设在正对扫描目标（本次实验选用扫描目标为反射率55%标准反射体、混凝土反射体及黄色KT板材反射体）的位置（扫描角度为0°），扫描距离设置为1 m、5～70 m（步长为5 m），利用扫描仪依次对不同扫描距离下的3种反射体进行扫描，共得到30 组点云数据，分别统计所得数据的强度平均值及强度值中误差，如图5所示。

当扫描角度固定时，由图5可得：

1）由于受仪器内部近距离信号衰减器的影响，激光信号在[1 m,15 m]区间较弱，但随着距离逐步增加，近距离信号衰减器作用减小，激光信号变强，因此，反射率55%的标准反射体及混凝土反射体在[1 m,15 m]区间、黄色KT板材反射体[1 m,10 m]区间的强度平均值随扫描距离增加而变大；

2）当扫描距离大于15 m时，激光信号越来越弱，3种反射体的强度平均值逐渐变小，其中标准反射体、黄色KT板材反射体的变化较为明显；

3）当扫描距离大于50 m时，3种反射体的强度平均值趋于稳定，说明当扫描距离到达一定程度时，由于激光信号太弱，仪器扫描获取目标表面信息的能力也相应降低。

图4 扫描距离实验

图5 扫描角度为0°时点云强度平均值变化曲线

2.3 反射体材质对强度值影响

本次实验选用的扫描目标物体为反射率为35%与55%的标准反射体、混凝土与大理石等建筑材料反射体、5种不同颜色（红、黄、绿、青、蓝）的同质KT板材反射体。如图1所示，将徕卡Scanstation C10地面三维激光扫描仪分别放置在距离扫描目标20 m、30 m的位置，通过旋转基座将反射体的角度依次设置为20°、30°，利用扫描仪依次扫描不同角度下3类反射体，共得到30组点云数据，分别统计所得点云数据的强度平均值，如图6所示。

1）由于反射率为55%的标准反射体比反射率为35%的标准反射体反射率高，拥有较好反射性，因此其可在不同距离、不同角度的情况下均能获得较大强度平均值。

2）因为黄光（波长为597～577 nm）、绿光（波长为577～492 nm）、青光（波长为492～450 nm）的波长相较于红光（波长为770～622 nm）、蓝光（波长为450～435 nm）与实验所用扫描仪使用波长为532 nm的绿光波长更为接近，对绿光较为敏感，表现出较好的反射性，因此，在不同扫描条件下，黄色、绿色、青色KT板材反射体的强度平均值均比红色、蓝色KT板材反射体大。

图6 反射体材质实验结果

3）对于混凝土反射体与花岗岩反射体，由于花岗岩的均质性较好，因而其强度平均值大于混凝土反射体。

4）综合以上分析可知，反射强度值与反射体的反射率及均质性有关，对于徕卡Scanstation C10地面三维激光扫描仪，当利用其进行实际作业时应尽量采用反射率较高的标准反射体，缺少标准发射体时，可采用与扫描仪激光颜色波长相近的反射体，同时，当扫描建筑材料时，应挑选均质性较好的建筑材料作为扫描目标，以保证扫描质量。

3 结 语

1）基于徕卡Scanstation C10扫描仪的坐标测量原理及测量精度。分析了扫描距离与扫描角度对点位误差的影响情况。研究表明，当扫描角度小于40°、扫描距离小于40 m时，点位误差可得到较好控制。

2）利用徕卡Scanstation C10扫描仪按照设计方案进行数据采集，之后提取所获点云的强度数据，并以强度平均值为指标，研究了扫描角度、扫描距离、反射体材质对强度值的影响情况。实验结果表明，当扫描角度小于20°、扫描距离在[15 m，20 m]区间、反射体反射率较高时，可获得较为可靠的强度值。

3）本文研究表明，利用徕卡Scanstation C10扫描仪进行扫描作业时，为获取较高精度的点云数据，应将扫描角度控制在[0°，20°]、扫描距离控制在[15 m，40 m]，同时应尽量选用反射率较高的标准反射体作为扫描目标。

4）仅从理论上分析了点云点位精度与距离、角度（水平角、竖直角）的关系，同时未分析反射面材质对点位精度产生的影响，因此可在以后研究中综合利用地面三维激光扫描仪与全站仪、经纬仪、GPS等其他测量仪器对点位精度影响因素作系统性研究。

[1] STROUTH A,BURK R L,EBERHARDT E． The Afternoon Creek Roekslide Near Newhalem, Washington[J]．Landslides, 2006,3(2)：175-179

[2] 习晓环,骆社周,王方建．地面三维激光扫描系统现状及发展评述[J]．地理空间信息,2012(6)：13-153

[3] 陈静,李清泉． 激光扫描测量系统的应用研究[J]．测绘工程,2001(1)：49-52

[4] 欧江霞,李明峰, 王永明．基于稳健加权总体最小二乘的点云数据平面拟合[J]．大地测量与地球动力学,2014(6)： 160-163

[5] 李明峰,欧江霞,檀丁．加权总体最小二乘点云平面拟合定权方法探讨[J]．大地测量与地球动力学,2015(6)： 428-432

[6] 郑德华,沈云中,刘春． 地面三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[J]．测绘工程,2005(2)：32-34

[7] YANG Yaoquan,SHI Ren,YU Xining． Laser Scanning Triangulation for Large Profile Measurement[J]． Journal of Xi'an Jiaotong University,1999(7)：17-20

[8] BOEHLER W,VICENT M B,MARBS A．Investigating Laser Scanner Accuracy[J]． Proceedings of Xixth Cipa Symposium, 2003(10)：696-702

[9] HERBERT M,KROTKOV E．3D Measurements from Imagine Laser Radars：How Good Are They?[J]． Image and Vision Computing,1992,10(3)：170-178

[10] 黄小川,郑慧．地面三维激光雷达点云误差分析及校正方法[J]．地理空间信息,2009(5)：95-97

[11] GRANT D,BETHEL J,CRAWFORD M． Point-to-Plane Registration of Terrestrial Laserscans [J] ．Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,2012,72(6)：16-26

[12] WAGNER W,ULLRICH A,DUCIC V,et al． Gaussian Decomposition and Calibration of A Novel Small-footprint Full-waveform Digitising Airborne Laser Scanner[J]． Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,2005,60(2)：100-112

P247

B文章编号：1672-4623（2017）06-0103-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.032

欧江霞，硕士，主要研究方向为大地测量数据处理方法研究。

2015-12-23。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41274009）。