隧道内三维激光扫描反射强度的影响因素研究

路 易

（上海工程技术大学 城市轨道交通学院 上海松江 201620）

地面三维激光扫描技术（3D Terrestrial Laser Scanning Technology，TLS）近几年在国内开始兴起，它的出现引领了一场全新的技术革命。该技术采用非接触的扫描方式，直接获取扫描对象上全部采样点的坐标位置和反射强度信息，为之后的三维建模提供了切实可行的依据。三维激光扫描技术的出现使传统的“点测量”转变为“形测量”，满足了更多生产实践的需要，其中就包括隧道工程领域。

隧道内部环境复杂，特征物较多，激光反射强度值往往会受到众多因素的影响，直接通过仪器测得的强度值并不准确，会出现同物异谱、异物同谱的现象［1］。因此，利用实验探究反射强度的影响因素及相互之间的关系，对建立反射强度的改正模型和改善激光点云技术测量结果的精度具有重要的意义。

1 实验操作

本实验利用FARO Focus3D 120三维激光扫描仪和配套软件Scene进行数据传输和实时配准。

1.1 距离实验

利用白板（35 cm*40 cm）和反射片（6 cm*6 cm）制作标靶，保持扫描仪高度H、标靶的高度h、入射角不变，分别在2 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m、20 m、25 m、28 m、30 m处扫描标靶三次，以三次扫描的平均值作为最终结果。

1.2 入射角实验

保持扫描仪高度H、标靶的高度h、扫描距离R（3 m）不变。每组实验中，在DT 402L电子经纬仪的侧面分别贴上裁剪好的不同颜色的纸片（6 cm*6 cm）或反射片（6 cm*6 cm），作为目标物，通过旋转经纬仪改变入射角度。

1.3 颜色实验

高度H保持不变，入射角固定为0°（即垂直入射），扫描距离分别设置为2 m、4 m和6 m，在白板（60 cm*70 cm）上面贴上两张A4纸大小的不同颜色的卡纸作为标靶。同一距离处每两种颜色分别扫描两次，为了尽可能减少扫描位置所带来的影响，途中将两张卡纸的左右位置交换。以选定的目标区域内的所有点的反射强度平均值作为该距离处的反射强度值。

以上三组实验均在室内进行，地面平整度较高，不考虑位置变动所带来的高度差的影响。

2 实验数据的线形图

2.1 距离实验

将每个距离处所测得的反射强度均值作为纵坐标，距离作为横坐标，利用Excel 2016绘制成折线图如图1所示。

从图中可以看出，线形呈现出先上升后下降再逐渐上升的趋势。

2.2 入射角实验

依据最终整理得到的实验数据，根据观察和对以往实验的了解，去除对反光片实验结果的考虑，以角度值为横轴，红、蓝、黑三色卡纸的反射强度均值为纵轴，建立坐标系，绘出图像。

图1 距离实验：反射强度均值折线图

图2 入射角实验：三色卡纸的反射强度均值折线图

由图2可以看出，尽管三种不同颜色卡纸所得出的曲线并不完全相同，但基本趋势相同，都是随着入射角角度的增加，反射强度值呈现下降趋势。同时三者的线形基本保持一致，说明颜色因素并不会使得角度与反射强度之间的关系产生变化。

2.3 颜色实验

依据三组不同距离处的颜色实验数据，以颜色为横坐标，以反射强度均值为纵坐标，分别绘制出了线形图（图3）。

图3 颜色实验：三个距离处不同颜色的反射强度均值

由以上线形图可得，当目标物为黑色时反射强度值最低，其次是蓝色，白色反射强度值最高，黄色其次。距离对反射强度值的大小有一定的影响，但对颜色所产生的效应几乎没有作用。

3 实验结论

通过以上实验，分别从距离、入射角和颜色三个方面探究了其各自对激光反射强度的影响。首先，利用仪器配套的软件Scene导出实验数据，求得了相应的平均值并做出了对应的线形图，然后利用软件IBM SPSS 24对整理得到的数据进行了数理统计分析，分别得出了距离、入射角和颜色三个影响因素与激光反射强度之间的关系。结果证明，本实验所选取的几个因素都对激光反射强度有较大的影响，但影响程度或影响关系并不相同。

3.1 距离实验

将距离作为自变量，各个距离处所整理得到的反射强度平均值作为因变量，利用电脑软件SPSS作相关性分析。根据皮尔逊检验的显著性（双尾）值远小于0.05，说明这两个变量显著相关。同时，肯德尔的tau-b检验和斯皮尔曼检验的显著性（双尾）值也均小于0.05，由此进一步明确了距离和反射强度均值显著相关。

以上相关性分析结果可以看出，距离对反射强度有显著影响，且并不呈现简单的正相关或负相关的关系。距离，作为研究反射强度的系统变量，对反射强度值的影响是始终存在的，因而从“距离”入手对反射强度值进行改正是十分有必要的。从另一方面来看，既然“距离”与“反射强度均值”之间不太好构建函数关系，那么像谭凯等人那样［2，7，10，11，12］，从激光雷达方程来建立包含距离的改正模型，想必是一种很理想的做法。

3.2 入射角实验

对红色卡纸、黑色卡纸、蓝色卡纸四种目标物分别进行了实验，将入射角作为自变量，三种目标物对应得到的反射强度值作为因变量，利用电脑软件作回归分析，分别利用线性函数、二次型函数和三次型函数进行拟合。经对比和总结分析，将三次型函数最终确定为入射角和反射强度的关系表示。

从线形图颜色与角度之间的交互作用并不明显，颜色的变换并不会对角度与反射强度值之间的关系造成影响。因此，若只针对入射角这一单一变量来建立修正模型，既可利用入射角与反射强度值的这种三次型函数的关系，也可像谭凯等人那样以激光雷达方程为基础建立包含入射角因素的模型。

颜色实验：

本实验分别在2 m、4 m和6 m处进行了三组实验，对红、黄、蓝、绿、黑、白的卡纸进行了扫描。通过线形图可以看出，颜色的改变在同一距离处对反射强度的影响较大。通过对数据的最大最小值和平均值与标准差和方差，得出结论：颜色和距离之间的交互影响很小，距离的变化并不会对颜色的变换而产生的反射强度的改变起到很大的作用。因此在实际测量中，为了提高点云的精度，应当尽量选取白色、黄色，或诸如此类颜色较浅的区域作为目标物进行测量。本人建议：应当选取隧道中几种常见的颜色，针对各个颜色来建立不同的模型以适应不同的目标物。

4 总结和展望

本文主要通过设计实验，探究了三维激光扫描中反射强度的影响因素及影响程度。需要说明的是，本文所选取的距离、入射角、颜色三个因素并不是反射强度所有的影响因素，对于激光反射强度，无论是系统变量还是目标变量，一定还有更多的影响因素及其交互作用。

由于国内起步较晚，关于激光反射强度方面的研究还有很大的发展空间，目前的成果只是冰山一角，相信通过我国的专家学者们孜孜不倦的探索，三维激光扫描技术的发展一定会拥有更加广阔的前景。