地面三维激光扫描仪距离测量精度试验研究

张永彬，高祥伟，谢宏全，李卫良

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.淮海工学院测绘工程学院，江苏 连云港 222005)

地面三维激光扫描仪距离测量精度试验研究

张永彬1，高祥伟2，谢宏全2，李卫良2

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.淮海工学院测绘工程学院，江苏 连云港 222005)

随着三维激光扫描技术的不断发展，对扫描精度的要求越来越高，仪器的测距性能是影响其扫描精度的重要因素之一。本文以徕卡C10三维激光扫描仪为研究对象，在对球形标靶中心识别精度试验的基础上，依据仪器的有效扫描范围选择10个距离进行试验研究；采用拓普康902A全站仪获取不同距离的数据，通过扫描仪对球形标靶扫描提取仪器中心到球形标靶中心的水平距离，分别计算出扫描仪测距的内外符合精度。研究结果表明，在150 m距离范围内扫描仪的内符合精度相对稳定；在100 m距离范围内扫描仪的外符合精度能够达到5 mm以内；超出一定范围后随着距离的增加，内外符合精度逐渐下降。

徕卡C10；距离测量；精度；球形标靶

一、引 言

近年来，地面三维激光扫描技术应用发展迅速，已成为空间信息获取的重要手段。测距精度是点云数据精度的重要依据，因此扫描仪的测距精度具有重要的研究意义[1]。近年来一些学者进行了相关研究，取得了一定的成果。如黄钊[2]对激光测距精度进行了研究分析；齐建伟等[3]对扫描仪测距的内符合精度进行了研究分析。扫描仪通过对标靶进行扫描，获取标靶中心信息来对单点进行测量，同时也可以进行测距，因此扫描标靶中心的识别精度对扫描仪的应用具有非常重要的意义。谢宏全等[4]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；朱凌[5]对平面标靶进行了相关研究；苏晓蓓等[6]对地面三维激光扫描仪标靶中心识别精度进行了研究。本文利用徕卡C10三维激光扫描仪与球形标靶，对仪器的测距精度进行试验研究。

二、球形标靶中心识别精度试验

依据标靶的形状可以分为平面标靶和球形标靶。本研究采用球形标靶，它可以从任何一个方向扫描而得到中心，非常适用于各种特殊地形条件的扫描，而且不存在倾角问题带来的各种误差，使用非常方便，但其不能一次性获得整个标靶表面全部的点云数据。下面对试验过程与结果分析作简要介绍。

1.数据采集方法

依据徕卡C10的有效扫描范围，在校园内选择合适的道路作为试验场地，试验主要技术过程如下：

1)在地面上选择3个点(A、B、C)，大概呈正三角形，边长约2 m，做好临时点的标志，在点上架设球形标靶(如图1所示)。

2)用扫描仪在距离标靶10 m、40 m、70 m、100 m、150 m、200 m、250 m的距离分别对标靶进行5次扫描。

3)在室内将扫描仪内的数据存入U盘，导入仪器配套的Cyclone软件中进行拟合球形标靶。

4)提取每个扫描数据标靶之间的距离，具体操作是点击多选命令，依次点击3个拟合的标靶A、B、C，然后点击鼠标右键，点选 Distance—Center To Center。软件操作界面将会显示标靶中心之间的距离(如图2所示)，并将距离数据记录在 Excel表格中。

图1 标靶扫描的摆放位置

图2 标靶中心之间的距离

2.试验结果分析

在Cyclone软件中提取不同距离的3个标靶中心之间的距离并进行整理，数据见表1。以10 m、40 m、70 m、100 m 4个观测段5次扫描的数据平均值作为最或然值，根据中误差计算公式计算出每个位置标靶中心识别的中误差，根据所得中误差数据绘制折线图(如图3所示)。

表1 标靶中心提取精度试验数据 m

图3 不同距离处标靶中心提取精度

从表1与图3中可以看出，在100 m以内，球形标靶中心的提取精度在2 mm以内，100～200 m范围内标靶中心的提取精度在4 mm以内，超过200 m距离以后，标靶中心的提取精度随着距离的增加而急剧降低。总体来说，在200 m以内，球形标靶中心提取精度能够满足点云数据的拼接等应用。

三、距离测量精度试验研究

本试验采用拓普康GTS-902A测量机器人及徕卡C10三维激光扫描仪对球形标靶进行扫描，依据扫描仪的有效扫描范围，选择10个不同的距离进行试验，试验场地布置如图4所示。

图4 扫描仪测距试验场地示意图

1.数据采集流程

1)将拓普康902A全站仪架设在固定点上，分别在选择的不同距离点上架设全站仪配套棱镜(如图5所示)进行测距，每个点进行5次，并将数据记录到表格。

2)将扫描仪安置在固定点上，对不同位置的球形标靶进行5次扫描(如图6所示)。

3)将扫描仪的扫描数据在Cyclone软件中提取出每个点上标靶中心点到仪器中心的水平距离，并将数据记录到表格。

图5 全站仪观测棱镜

图6 扫描仪扫描标靶

2.试验结果分析

根据试验中全站仪观测数据求取每个距离段内观测数据的平均值(见表2)，再将扫描仪数据用软件提取出每个位置标靶中心到仪器中心的平距(见表3)，并求取每个距离段内的平均值。按照中误差计算公式分别计算出扫描仪测距的内外符合精度中误差，如图7、图8所示。

表2 全站仪观测数据m

表3 扫描仪数据m

图7 扫描仪内符合精度分布图

图8 扫描仪测距外符合精度分布图

由图7可知，当扫描仪在150 m以内对球形标靶扫描时，其内符合精度在1 mm以内，在150 m以外随着距离的增加，其内符合精度也相应地降低。徕卡C10测距精度相对稳定，能够满足一般工程的需求。

由图8可知，在100 m以内其精度能够达到5 mm以内，在100～200 m的范围内，能够达到5～10 mm的精度，在200～300 m的范围内，能达到10～20 mm的精度。5 mm的测距精度能够满足较高要求的测量工程，因此在100 m以内徕卡C10能够进行较高精度的测量工作，在200 m以内，其能够适用于一般精度要求的工程项目，当精度要求不是很高时，如地形测量，土石方计算测量等工程当中，徕卡C10在其有效测程范围内还是能够达到要求的。

四、结束语

在仪器的有效扫描范围内，球形标靶中心识别精度较高。用球形标靶进行测距，在一定距离内，测距精度相对较稳定，超出一定范围后随着距离的增加，内外符合精度逐渐下降。本次试验只是对扫描仪测距精度进行分析，还有待从其他一些外界因素对扫描数据的影响作相应研究，如温度、风速，以及目标物的材料、颜色等。

[1] 吴静.三维激光扫描测量仪性能评价及应用研究[D].青岛：山东科大学，2008.

[2] 黄钊.脉冲激光测距高精度关键技术研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[3] 齐建伟，朱恩利.三维激光扫描测量内符合精度试验研究[J].地理空间信息，2012，10(4)：20-22.

[4] 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.

[5] 朱凌.地面三维激光扫描标靶研究[J].激光杂志，2008，29(1)：33-35.

[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(3)：68-70.

都市圈获首个三维仿真互联网地图“准生证”

[本刊讯]2014年11月6日，中海达旗下都市圈收到了国家测绘地理信息局地图技术审查中心关于《潍坊市奎文区、潍城区、坊子区、寒亭区、高新区三维仿真地图》的互联网地图审核批准书，这是国家测绘地理信息局批准的首个三维仿真地图的审图号。

地图审图号是电子地图在互联网上公开登载的许可证，相当于互联网电子地图的“准生证”，都市圈能获得国家测绘地理信息局批准的首个三维仿真地图的审图号，彰显了其在三维仿真地图制作方面的实力。

都市圈长期专注于三维仿真地图领域，能提供三维仿真地图“数据＋平台＋行业应用”整体解决方案。截至目前，已建成广州、深圳、上海、北京、武汉、澳门、贵阳、昆明、太原、重庆等80个城市约7000 km2的三维仿真地图，并与百度、四维图新达成战略合作。都市圈自主研发的三维仿真公共服务平台OGIS已成功应用于100多个项目中，基于OGIS平台开发的行业应用也覆盖了数字城市、数字国土、网格化社区、数字校园、消防安全、环保应急、人防、电力、电信等行业，已经完成和在建的行业应用项目超过200个。

(本刊编辑部)

Test Research of Distance Measurement Accuracy of Terrestrial 3D Laser Scanner

ZHANG Yongbin，GAO Xiangwei，XIE Hongquan，LI Weiliang

P234.5

B

0494-0911(2014)12-0016-04

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.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0387

2014-09-09

国家自然科学基金(31270745)

张永彬(1969—)，男，河北衡水人，博士，教授，主要从事3S技术集成与应用方面的教学与研究工作。