地面三维激光扫描点云精度影响因素分析

刘晓文，徐 工，余 跃

(山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049)

三维激光扫描技术是近年来发展起来的一门新兴技术,被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”[1-3]。传统三维数据采集手段如GPS、全站仪等均是单点采集三维坐标,方法效率低[4-6],难以详尽描述实体,操作繁琐。三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法,能快速提取物体表面海量三维坐标数据,将三维激光扫描技术应用到工程实践生产中,对于工程建设具有很强的现实意义。

随着地面激光扫描技术的快速发展,扫描精度问题受到越来越多的关注。国内外学者对于地面三维激光扫描的测量成果精度评定,尚未形成成熟通用的方法和量化指标。三维激光扫描技术的研究仍处于不断探索阶段[7-9]。本文将分析地面三维激光扫描数据采集精度的影响因素,为地面三维激光扫描技术在测绘行业中的应用和工程实践提供参考,以提高工作效率,为工程实践提供相应的参考。

1 实验概况

地面三维激光扫描点位精度的影响因素有很多[10-11],总体来说,主要有仪器误差、观测误差、环境误差、目标表面引起的误差,本文将针对其中非人为、非偶然因素进行分析。

1.1 实验介绍

实验设备选择Z+F IMAGER5006H三维激光扫描仪,脉冲式红色激光,波长630 nm,仪器最大测程为79 m。点云精度的影响因素主要有扫描距离、倾角、材质、颜色与环境因素(包括温度、湿度、光照),因而针对上述因素分别设计实验,研究各因素的影响幅度与规律。其中环境因素实验在室外完成,其他实验在室内完成。室内实验时间较短,环境因素带来的影响可以忽略不计。实验所涉及距离以钢尺丈量为准真值。为保证实验的精度和准确性,本次实验对各目标物体均扫描3次取平均值与准真值进行比较。

1.2 精度评价

本实验从以下2个方面进行扫描精度评价:

1)点云数量/密度.单位面积内,点云数量能更直观的体现相邻扫描点的间隔,即能间接体现扫描的精度。

2)目标特征长度。所有的目标对象均是由一些长度特征组成的,所以长度测量精度也可以体现扫描精度。

设定A、B两点，(x1,y1)为A点的坐标，(x2,y2)为B点的坐标，S为目标A、B两点间距离。计算公式如下:

2 实验分析

2.1 扫描距离对点云精度的影响分析

扫描距离[3]影响实验中,选取范围为:3～60 m,每隔3 m对目标进行高精度扫描,实验对象为黑色A4纸，实验数据见表1。

通过表1可以看出,随着扫描距离的增大,准真值与扫描值的差值越来越大,点云数量逐渐减小,即扫描精度与扫描距离基本成反相关关系。

表1 不同扫描距离的实验数据对比
Tab.1 Contrast table of experimental data with different scanning distances

距离/m长度/mm准真值扫描Δ点云数量/个3296.0295.3-0.764256296.0295.2-0.839799296.0295.2-0.8385012296.0295.1-0.9111815296.0294.7-1.382518296.0294.7-1.358821296.0294.6-1.435224296.0294.4-1.633027296.0294.4-1.628030296.0293.7-2.323433296.0293.3-2.719236296.0293.1-2.916539296.0293.1-2.915442296.0292.4-3.613045296.0291.5-4.510848296.0290.8-5.28851296.0290.1-5.97754296.0290.1-5.97057296.0286.4-9.64060296.0284.8-11.23663296.0281.6-14.43666296.0279.1-16.93269296.0277.4-18.62472296.0273.1-22.921

2.2 扫描倾角对点云精度的影响分析

本实验选取18°～180°,每隔18°对目标进行高精度扫描,扫描对象为黑色A4纸，实验数据见表2。

由于激光发射和接收共用一条光路,且激光光束具有一定的发散角,扫描到目标物体表面形成激光脚点光斑。 激光脚点光斑的大小d、激光发射孔径D和激光光束发散角γ,存在如下关系式中,S为激光发射点到物体表面上激光脚点中心之间的距离。

(1)

当扫描目标物体倾斜时,扫描目标物体表面切平面法线与激光光束方向不重合。当表面切平面法线与激光光束方向的夹角为α时,存在如下几何关系：

(2)

则引起激光脚点位置的最大偏差dS，

dS=S1-S

(3)

(4)

表2 不同倾角的实验数据对比
Tab.2 Comparison table of experimental data with different dip angles

倾斜角度/(°)长度/mm准真值扫描Δ点云数量/个18210.0208.8-1.2213936210.0208.7-1.3502954210.0208.9-1.1761972210.0208.9-1.1785090210.0208.9-1.17955108210.0208.8-1.27227126210.0208.9-1.15723154210.0208.8-1.24348162210.0208.8-1.23582180210.0208.7-1.32605

通过表2可以看出，当倾角为90°时，准真值与扫描值的差值最小，点云数量最多,扫描精度最高.随着扫描倾角与90°的差值增大，特征长度扫描误差逐渐增大，点云数量逐渐减小，扫描精度与扫描倾角基本成正态分布关系。

2.3 材质对点云精度的影响分析

本实验选取黑布、黑色硬纸壳、黑墙、黑纸、黑塑料5种材质的目标进行高精度扫描,5种材质的规格相同，实验数据见表3、表4。

通过表3、表4可以看出,随着材质的粗糙程度增大,点云的反射率逐渐变小,点云数量逐渐增多,扫描误差变化不大,但整体呈减小的趋势,扫描精度总体提高。

表3 不同扫描材质点云的反射率
Tab. 3 Reflectivity of point clouds with different scanning materials

材质黑布黑硬纸壳黑墙黑纸黑塑料反射率0.7070.6580.5980.5800.284

表4 不同材质的实验数据对比
Tab.4 Comparison table of experimental data of different materials

材质长度/mm准真值扫描Δ点云数量/个黑布296294.8-1.26595黑硬纸壳296294.8-1.26492黑墙296294.8-1.26470黑纸296294.9-1.16336黑塑料296295.7-0.36138

2.4 颜色对点云精度的影响分析

本实验选取红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、黑、白9种有代表性颜色的纸张进行高精度扫描,其中9张不同颜色的纸张规格大小相同,实验数据见表5、表6。

表5 不同颜色的实验数据对比
Tab.5 Comparison table of experimental data of different colors

颜色长度/mm准真值扫描Δ点数量/个白296.0295.2-0.86715红296.0294.7-1.36678橙296.0294.6-1.46595黄296.0295.2-0.86515绿296.0295.4-0.66489蓝296.0294.7-1.36426靛296.0295.2-0.86386紫296.0295.1-0.96240黑296.0294.9-1.16117

表6 不同扫描颜色点云的反射率
Tab. 6 Reflectivity of different scanning color point clouds

颜色白红橙黄绿蓝靛紫黑反射率0.760 0.7350.7270.6710.6130.5490.5310.5120.475

通过表5、表6可以看出,当颜色为白色时,反射率最高,而且白色点云数量最多。由于这7种光的波长就是从长到短排列的。红色光波长最长。紫色光波长最短;红光的传播速度最大,紫光的传播速度最小;红光的折射率最小,紫光的最大,其次依次是红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛色、紫色、黑色[7-8]。

2.5 环境对点云精度的影响分析

本实验分2部分:(1)在阴天、雾天、雨天、晴天4种不同天气对目标进行高精度扫描;(2)在6:30-20:30期间每隔30 min对目标进行高精度扫描。所用目标为校园内固定的垃圾箱,垃圾箱的选择不具有任何特殊意义,只为区分不同天气、不同光照扫描与点位精度和反射率的影响[9-11]。本实验扫描时间较短,实验地点设置在开阔场地进行,因实验天气风极其微小,风力引起的晃动也可以忽略不计。温度、湿度、能见度、气压、PM值均进行了记录，实验数据见表7、表8。

2.5.1 天气对扫描精度的影响

表7 不同天气的实验数据对比
Tab.7 Comparison table experimental data for different weather

天气温度/℃湿度/%能见度/kmPM2.5长度/mm准真值扫描Δ点云数量/个阴28902.869780778.6-1.46 496晴2682637780778.9-1.16 451雾2575552780778.4-1.66 357雨24943.529780778.3-1.76 203

表8 不同天气扫描的点云反射率
Tab. 8 Rreflectivity of point clouds in different weather

天气晴阴雾雨反射率0.4550.4160.3870.361

通过表7、表8可以看出,不同天气的扫描值与准真值是有差异的。当天气为阴天时对扫描长度精度影响小,当天气为雨天时对扫描长度精度影响大。不同天气的扫描对反射率有一定的影响,当天气为晴天时,反射率最大。其次为阴天、雾天、雨天。 由此看出温度、湿度、能见度对扫描精度的影响较小,可以忽略不计。

2.5.2 其它环境因素对扫描精度的影响

表9、表10依次为不同环境条件下的实验数据对比。

表9 不同环境条件下实验数据对比
Tab. 9 Comparison table of experimental data under different environmental conditions

天气温度/℃湿度/%能见度/kmPM2.5长度/mm准真值扫描Δ点云数量/个6:302292636780.0778.5-1.567828:302682637780.0778.7-1.3651710:302872837780.0778.4-1.6645612:3029691039780.0778.6-1.4632114:3030651034780.0778.6-1.4653116:3030621030780.0778.4-1.6660218:302867933780.0778.5-1.5663720:302585828780.0778.7-1.36853

表10 不同环境条件扫描的点云反射率
Tab.10 Reflectivity of point clouds scanned in different environmental conditions

一天中不同时段6:308:3010:3012:3014:3016:3018:3020:30反射率0.5060.4720.4230.3770.3630.4870.4910.526

通过表9、表10可以看出,综合光照、温度、湿度、能见度等环境因素,不同阶段对同一目标的扫描结果是有差异的。总体趋势来看,光照强烈时段,扫描反射率较低,点云数量较少,其扫描精度相对较低;反之,光照弱时段,扫描反射率较高,点云数量较多,其扫描精度相对较高。因而在环境因素当中,光照强度起了主导作用， 相应的温度、湿度、能见度对扫描精度的影响较小。

3 结束语

地面三维激光扫描点云精度受上述各种因素不同程度的影响。通过误差、点云数量等的比较发现:扫描距离不宜选择过大,过大不能保证点云的精度；也不宜选择过小,过小会降低工作效率。扫描天气中晴天扫描最佳,扫描时间选择在上午和下午最佳,尽量避开中午光照强烈的环境下进行扫描。温度、湿度、能见度对扫描精度的影响较小,在特定条件下可以忽略不计。