地面三维激光扫描仪测距测角精度分析

2017-07-05 14:19:29邹进贵朱勇超

地理空间信息 2017年5期

童魁，邹进贵，朱勇超

地面三维激光扫描仪测距测角精度分析

童魁1，邹进贵2，朱勇超2

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；2.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079）

地面三维激光扫描仪的测量精度主要由扫描仪的测距测角精度决定。以VZ-400型扫描仪为例设计实验，运用基线比较法得到其测距精度为2 mm；通过建立测角误差模型得到其测角精度为1.5"。研究结果表明，在一定条件下，VZ-400型扫描仪的测距测角精度均符合仪器的标称精度。

扫描仪；测距；测角；精度

近年来，地面三维激光扫描系统已取得了蓬勃发展[1]。随着点云测量精度的提高，其在变形监测领域的应用越来越广泛。目前，国内对扫描仪精度评定的研究还处于初级阶段，张毅[2]等从扫描仪的测量原理出发，建立了误差模型；齐建伟[3]等采用一种基于空间拓扑关系的方法评价了扫描仪平面位置精度；刘金辉[4]从测量距离、入射角度和目标颜色等方面研究了扫描仪的测量精度。本文针对VZ-400型扫描仪进行实验设计，分析了其测距测角精度。

1 地面三维激光扫描仪工作原理

地面三维激光扫描系统主要由地面三维激光扫描仪、计算机、外接电源、三角架、标靶及软件系统构成。其中地面三维激光扫描仪内部主要由测距系统、测角系统、成像系统和内部校正系统组成。

1.1 测距系统

测距系统是地面三维激光扫描仪的重要组成部分，一般由发射器、接收器、时间或相位计算器和微电脑组成。激光测距的原理主要有4种：脉冲测距法、相位测距法、激光三角法和脉冲—相位式测距法。在测绘领域，对于远距离观测多采用基于脉冲测距法的地面三维激光扫描仪；对于近距离观测多采用基于相位测距法和激光三角法的地面三维激光扫描仪。

1.2 测角系统

目前，应用最多激光扫描技术包括光机扫描、电镜扫描、多棱镜扫描和全息光栅扫描等。地面三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统，精确控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴或纵轴方向快速扫描。测量可得每个脉冲激光的横向扫描角度α和纵向扫描角度β。

2 测距精度实验与分析

类似于传统测量仪器的测距精度研究方法，先将地面三维激光扫描仪置于基准场，再将测量结果与检定场的数据进行比较，进而判断仪器参数是否准确。目前，较为常用的测距精度评定方法是六段解析法和基线比较法[5-6]。六段解析法是Schwendener H R在1971年提出的，通过对观测数据进行平差处理，即可获得加常数，无需标准基线。该方法的优点是加常数的检测精度很高；缺点是只能检测加常数，无法获取乘常数。基线比较法则可同时解算加常数和乘常数，先通过加常数改正，得到准确的距离基准；再通过基线比较法对地面三维激光扫描仪的测量数据进行处理，得到加常数和乘常数，从而确定地面三维激光扫描仪的测距精度。

2.1 实验方案设计

测距精度测试包括六段解析模型和基线比较模型的确定。首先通过六段解析模型，获取全站仪的距离加常数，从而精确确定检校场六段精确距离值；然后运用地面三维激光扫描仪测定检校场的21段距离；再通过基线比较模型，平差得到地面三维激光扫描仪的加常数和乘常数；最后确定其测距精度。

2.2 检校场和误差模型的建立

实验之前，要建立检校场。选择直线长度为100 m的检校场地，按照标准六段解析模型，在直线上设置控制点A～G。其中AB段、BC段的距离为10 m，CD段、DE段、EF段和FG段的距离为20 m。

2.2.1 六段解析模型

六段解析模型又称六段全组合法，观测方法是在A、B、C、D、E、F和G点上架设全站仪，按全组合的方法获取21条边的观测距离Di，进而组成误差方程：

2.2.2 基线比较模型

在六段解析模型确定的检校场中，将VZ-400型扫描仪和平面靶标按照同样的测距方法完成测距工作；再通过软件计算每段扫描测量的距离Di(i=1,2,…,21)，组成误差方程为：

式中，k为加常数；R为乘常数；Di为观测值。

2.2.3 实验数据的获取与处理

1）基准数据的获取与处理。根据实验方案，通过高精度全站仪建立检校场。依据六段解析模型，采用TCRP 1201全站仪完成6站的测量工作，对21段全组合距离进行精确测量，TCRP 1201的测距精度为1±1.5 ppm。经过处理后，A至B～G点的距离可作为标准参考值，见表1。

表1 六段距离标准值/ m

2）VZ-400型扫描仪数据的获取与处理。在基准场，按照六段解析模型，运用VZ-400型扫描仪分别对21段距离进行扫描测量，每段距离测量3次；再通过RiSCAN PRO软件进行靶标识别，并提取靶标中心坐标[7]，进而反算出距离。VZ-400型扫描仪测量的21 段距离平均值如表2所示。常数改正后的距离与标准值进行比较，结果见图1。经过改正后，测距误差均在2 mm以内。

表2 VZ-400型扫描仪21段距离平均值/m

图1 VZ-400型扫描仪经改正后的测距误差

3 测角精度实验与分析

地面三维激光扫描仪的测角原理是通过扫描仪绕竖轴旋转确定水平角，激光束通过旋转棱镜沿垂直方向旋转，通过旋转的角度确定竖直角。与传统的测角仪器不同，地面三维激光扫描仪在测量过程中无法通过盘左盘右测量来消除视准轴误差[8-9]。在其工作过程中，以下因素会造成水平角度精度缺失：①激光发射光束未垂直于横轴引起的水平角误差ΔH1；②横轴倾斜引起的水平角误差ΔH2；③竖轴倾斜引起的水平角误差ΔH3。因此，需针对VZ-400型扫描仪设计实验方案，测量激光束不垂直于横轴误差、横轴倾斜误差和竖轴倾斜误差。

3.1 实验方案设计

首先通过高精度测角全站仪建立满足实验要求的检校场，以处理后的全站仪测量角度为参考值；再将扫描仪置于同样的点上，完成对目标点的扫描工作；最后通过建立误差方程，解算出各参数，完成对观测值的改正[10]。

3.2 检校场和误差模型的建立

在体育场上选取一条直线，在直线上每隔5 m标记一个点，共标记8个点，编号为A～H。测站点S位于AH的中垂线上，且与直线的垂直距离为50 m，将其作为仪器放置点。

3.2.1 水平角误差ΔH1

激光束不垂直于横轴对水平角观测值的影响如图 2a所示，由几何关系可得：

图2 测角误差模型

由于c和ΔH1均非常小，因此可写成：

3.2.2 水平角误差ΔH2

扫描仪的横轴不与竖轴垂直所产生的误差用i表示，其对水平角观测值的影响如图2b所示，由几何关系可得：

由于i和ΔH2均非常小，因此可写成：

3.2.3 水平角误差ΔH3

扫描仪的竖轴与重力线方向不平行所引起的水平角误差对水平角观测值的影响如图2c所示，由几何关系可得：

由于ax和ΔH3均非常小，因此可写成：

3.3 实验数据的获取与处理

3.3.1 基准数据的获取

在水平角测量精度检校场中，将TCRP1201型全站仪置于S点上，并对中整平。选取校场中某固定靶标O为起始零方向，采用基于PDA的多测回测角软件完成对A～H点的角度测量工作。TCRP1201型全站仪的测角精度为1"，优于VZ-400型扫描仪的角度分辨率1.8"。因此，将TCRP1201型全站仪的角度测量作为标准值，其测量结果见表3。