三维激光扫描仪测量误差浅谈

2019-03-22魏新元怀邵衡铁路公司湖南长沙410007

安徽建筑 2019年1期

魏新元（怀邵衡铁路公司，湖南长沙 410007）

1 引言

张吉怀高速铁路的建设过程中全线推广三维激光扫描仪的应用，主要应用于隧道初期支护及二次衬砌的断面复核测量，由于前期管理或其他原因，导致个别标段的测量结果与传统的全站仪测量结果存在较大的差异。根据三维激光扫描数据与全站仪测量数据反映初期支护断面最大偏差值达5.2cm,偏差已经远远高于规范要求，影响施工质量。对于上述测量结果，张吉怀铁路建设单位、三维激光扫描仪设备厂商、监理单位及相关施工单位在张吉怀铁路某隧道进行现场实测并分析。

2 三维激光扫描技术的测量原理

以法如Focus M70为例，三维激光扫描的测量原理为：三维激光扫描仪发射激光脉冲测定发射中心点至三维激光脚点之间的斜距S，通过精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲，在竖直方向的竖直角α，在水平方向的水平角β，其中X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直（如右图）,三维激光脚点相对激光发射中心点坐标增量计算公式如下:

式中：s为三维激光扫描仪激光中心点到靶点的斜距；α为竖直角；β为水平角。

由上式可见，三维激光脚点的坐标精度受三维激光扫描仪激光发射中心点到靶点的斜距、竖直角、水平角的测量精度的影响。

3 现场测量实施方案

3.1 测量断面里程设定

设定20m的初期支护断面作为三维激光扫描仪的待测里程范围，在上述里程范围内设定5m为一个断面作为全站仪的测量的特征断面。

3.2 特征标靶点设定

特征标靶点按顺序对称贴于待测段表面，共设定4个，间距为5m，用钢筋或胶水固定。

3.3 全站仪设定

为了避免全站仪后视引起的误差，利用同一台全站仪进行特征标靶点的坐标测量及对比的特征断面的断面测量，从设站开始至测量完成，全站仪都由同一组人员进行操作，整个过程中保证全站仪不发生移动。

3.4 三维激光扫描仪设定

用不同型号的三组三维激光扫描仪分别对待测的初期支护里程进行扫描测量，三维激光扫描仪位置在全站仪前后15m左右。三组激光扫描仪均架设在同一位置，且标靶球的架设高度与扫描仪的架设高度基本相同。

3.5 单组数据测量步骤及现场测量实施情况

单组数据测量步骤：全站仪进行特征标靶点坐标测量及特征断面测量→全站仪测量标靶球坐标→三维激光扫描仪进行测量→全站仪再次复核测量特征标靶点坐标。

现场测量实施情况：第一组数据测量时空气质量较好，后视的标靶球4个；第二、三组数据测量时空气质量一般，后视的标靶球2个。

4 测量数据对比分析

4.1 标靶点坐标数据对比分析

从表1中的对比数据可以看出，采用相同的硬件设备，第一组AmbergTunnel软件分析数据最大差值为10mm，最小差值跟全站仪数据相同；第二组SCENE软件分析数据最大差值为17mm，最小差值为4mm；第三组SCENE软件分析数据最大差值为26mm，最小差值为1mm。由于测量硬件均为法如Focus M70，消除了硬件原始数据采集造成的误差影响，说明分析软件的不同也是造成误差的一个重要方面。

4.2 特征断面对比分析

从上图1、表2中的对比数据分析，第一组数据与全站仪测量的断面最为吻合，原因分析为第一组数据测量时空气质量好，后视的标靶球有4个，约束点位多，相当于本次三维激光扫描测量组中后视点位的相对精度最高，所以测量数据精度最高。

图1 3D扫描仪与全站仪特生断面实测对比图

5 三维激光扫描仪测量误差分析

经过上述原理说明及现场实测进行总体分析，采用三维激光扫描仪测量产生误差主要有以下几个方面。

①三维激光扫描仪本身不带有全站仪定位的作用，所有扫描的数据绝对定位都来自全站仪坐标传递，这一步骤有两个误差来源，一是全站仪精度不一样，二是测量控制点多数为临时控制点。

②三维激光扫描仪本身的精度不足产生的误差，特别是标靶球的定位装置精度不一样，会导致球棱镜球面没有完全对准扫描仪，导致坐标拟合的球心偏移产生误差，即三维激光扫描仪的后视误差，在扫描测量时会成倍放大。

③分析软件计算方法的差异产生的误差，配套的硬件与软件能减少误差。

④外界环境条件引起的误差，主要包括外界环境条件引起的误差,如空气折光、空气中粒子含量等因素的影响,当外界环境比较恶劣时对三维激光扫描仪数据采集的精度影响较大。

6 结束语

三维激光扫描仪在工程建设中的应用越来越广，特别是在隧道、地下车站等受限空间结构的断面测量中，其快速、高效的特性有广泛的前景，但其精度管理也需同步提高。从本文中所分述的误差产生的原因，在现在的硬件、软件条件下应做好如下几点，提高其精度：一是对三维激光扫描测量进行人员专业培训，减少人为误差；二是全站仪后视误差一定要达到规范要求，减少坐标传递误差，并且应增加标靶球的数量来提高扫描仪的后视精度；三是每次扫描距离不应过长，最好控制在20m～30m范围内；四是尽量改善测量时外界环境。