易伟
中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 贵州省贵阳市 550081
摘要：最近几年三维激光扫描仪在我国的测绘领域的应用十分广泛，使测绘方面做到了从点到面测量的突破，使测绘的效率显著提高，并且测量出来的数据较为准确，且不受时间、空间的约束。三维激光扫描是通过对测绘地点或事物扫描构成密集的点，然后激光扫描仪对不同位置光的反射率进行测绘对象的三维建模，在三维扫描仪的测绘中，影响测量数据的因素有很多，通常将造成误差的原因分为两大类：系统误差和偶然误差，所造成的误差又分为仪器误差、环境误差、软件算法误差、操作误差等。本文从三维激光扫描仪的工作原理、造成误差的原因和减小测量误差三个方面进行了论述。
关键词：三维激光扫描仪；测量误差；影响因素
前言：三维激光扫描仪可以对被测量的物体进行快速的激光扫描，而且得到的三维坐标点的数据是非常准确的，然后仪器将数据通过相关的算法的计算，过滤掉无关的干扰数据，最后将处理后的三维坐标点的数据信息进行实景还原，是现如今应用效果较好的测绘技术，它打破了传统的单点测量，给各种测绘工程带来了极大的便利。
一、三维激光扫描仪的工作原理
三维激光扫描仪在近几年的各种测量中运用较为广泛。三维激光扫描仪的核心技术包括激光反射镜、激光自适应焦距控制单元、CDD技术、光机电自动传感装置以及激光发射器。三维激光扫描仪是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复制建模出被测目标的三维模型的线、面、体等各种图形数据。
二、影响三维激光扫描仪测量精度的因素
在实际测绘操作中，影响三维激光扫描的因素有很多，要想减少或避免测量误差的影响，就必须先了解造成误差的原因，以下是对几种测量误差的分析，
2.1仪器误差
三维激光扫描仪本身性能的缺陷是影响测量精度的因素之一。在实际操作测绘中，仪器误差的出现可以分为两个方面：第一是测量距离方面，这方面的误差在测量数据中的表现形式是有显著的周期性的，造成这种误差的原因有两种：一种是因为仪器性能不全面，或者存在一定的缺陷；另一种原因是操作者在操作时的不合理，造成的误差。第二个是角度测量方面，角度的测量误差在实际总结为垂直度盘的刻度误差、视准轴误差和偏心轴误差，例如：在实际操作中没有仔细较准垂直度盘的天顶距或垂直度盘本身就有缺陷，这会造成读数并不是90°，我们称垂直度盘的读数与90°之间的差值所形成的就是垂直度盘指标差，这个差值需要配备倾斜补偿器才能消除这个误差，但是有的三维激光扫描仪器在测绘时并没有配备相关的补偿器，就导致了误差的产生。上述因素都是测量仪器本身的不足造成的测量误差，所以在测量前对仪器进行检查和较准是十分重要的。
2.2扫描角误差
在以往的实际测量中扫描角误差是形成测量误差的主要原因之一，现如今通过对设备的改进升级，已经将这方面的测量误差发生的概率已经较低了，但是我们仍然不能忽视扫描角引起的误差，该方面的误差主要表现在一下两个方面：第一个因素是扫描角度的处理不当，第二个因素是扫描角的水平角度存在误差。扫描角的误差是受很多因素影响的，例如：扫描镜的镜面所在平面不够平整存在平面角度误差、扫描镜受设备振动影响产生微小的晃动而导致扫描的不准确、扫描电机的转动速率发生突变或者无规律的转动等，这些问题都是导致扫描角误差产生的一部分原因，但是现在使用的扫描仪受扫描角的影响都较小了，扫描仪测量精度都显著提高，产生扫描角的测量误差比较小了。
2.3被测量对象表面因素引起的误差
被测量对象的反射面的斜率会影响检测结果，三维激光扫描仪的激光测距系统由激光发射头和激光接收器两部分组成，在对测量对象进行测量时，仪器的激光发射头会发射激光，但是由于激光发射的光路和接受通道都是使用的一条通道，因为激光发射和返回中有一定的发散角，如果被测量对象放置角度不当，扫描到测量对象表面后会形成激光焦点光斑，所以的反射面倾斜程度会影响激光接收器的接受。激光测距原理是三维激光扫描仪的工作原理，信号在发出后到达测量对象的表面再反射回来，确保信号能够完整的反射回来是关键，如果被测量对象的表面粗糙度很高，那么会降低扫描过程中信号的反射率，会对点云精度造成巨大影响，同时，不同型号的激光扫面议对发射回的信号处理顺序不同，有的能够处理初次反射回来的信号，有的能够处理最后反射回来的信号，各有千秋。被测量对象的颜色的不同也会影响测量结果，甚至材质的不同也会对测量结果产生影响，扫描仪的生产厂家在出厂前会对产品进行测试，但是该测试对象的各个方面都是较为理想化的，不能代表所有测量对象的性质，所以被检测对象的表面光滑程度、颜色、材质等都会影响扫描结果，操作者需要在实际测量中对被测量对象进行合理的选取，减小误差。
2.4外部环境的影响
外部环境的温度、风、气压等因素也会对测量结果造成一定的影响，其中外界环境中的温度和气压因素对测量影响较大，如果波动较为明显，则三维激光扫描仪中的精密构件会受到影响导致测量误差，当扫描工作是在户外进行时，风速的强弱在测量中也会对测量结果造成影响，扫描数据的准确度下降。运用三维激光扫描仪进行测量时需要对扫描环境进行分析，是外界环境中的温度、气压和风力都在适宜范围内，良好的外界环境对扫面议的扫描精度有益的。
2.5数据处理不当
测量后的数据处理也会关键性的一步，而且在实际扫描工作中也是较为常见的一类误差问题，造成这一问题的原因之一就是操作人员不够细心或者缺乏操作经验。大致原因分为三类，第一：人员的操作问题，选错了标靶或者选错特征点；第二：采用的过约束或闭合不合理，导致误差的累计；第三：操作人员不够细心，过分依赖后视标靶，一旦标靶在实际测量作业中发生了位移或标靶的放置不合理就会导致误差的产生。
三、减小三维激光扫描仪测量误差的措施
目前三维激光扫描仪在测量领域的应用非常广泛，在上述中通过对误差原因的分析，提出了一下几条建议来减少误差的产生。
3.1做好三维扫描仪的检查工作
检查工作主要从一下三个方面开展，第一：确定扫描仪的测量角度。为了避免垂直盘刻度差对测量影响，需要对缺少补偿器的仪器配置倾斜补偿器以减小或消除误差；第二：较准视准轴，消除或减小偏心差；第三：选择合适的测量距离。所以做好仪器的检查工作是减小误差的主要方式之一。
3.2选择合适的外部环境
选择适宜的外部环境对测量有着积极的作用。首先，需要对测量地点的外部环境进行分析，例如：温度、风力、气压等，还要避免做测绘时出现雨雪天气、沙尘天气等恶劣环境，这些都会降低测量的精度；然后，对测量过程中的外部环境有一定的预判，避免测量时出现恶劣环境。通过对环境因素的预判，精良减小误差的产生。
3.3增强操作人员的专业技能
操作人员的操作能力不足也是误差产生的原因之一，所以对规范操作人员的操作能力是必要的。首先需要增强操作人员的素质水平，然后对操作人员进行相关操作的培训，在实际操作中要在旁提醒操作要点，制定标准化的操作流程。按操作规范进行操作才能尽可能的减小误差的产生。
总结：
三维激光扫描仪在我国的测绘工程、结构测量、古建筑测量、采矿业等方面的应用十分广泛，所以确保测量精度，提升其测量质量也是十分重要的。本文对三维激光扫描仪的测量误差的产生原因进行了分析，并提出了相关预防措施，希望对工程测量有借鉴作用。
参考文献：
[1] 林晶, 李泷杲, 黄翔,等. 基于T-Scan的三维激光扫描系统测量误差分析[J]. 航空制造技术, 2019,62(06):95-100.
[2] 刘晓文, 徐工, 余跃. 地面三维激光扫描点云精度影响因素分析[J]. 山东理工大学学报(自然科学版), 2019, 33(01):75-78.
[3] 韦征、俞旻韬、周臻. 隧道三维激光扫描检测及监测精度分析[J]. 现代隧道技术, 2020, 57(S1):1249-1253.