石野 吕海亮
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市150060
摘要：在科学技术高速发展的今天，人们认知事物的角度已经逐渐由二维空间向三维空间过度，与此同时，三维激光扫描仪测量技术被各个领域广泛应用，三维激光扫描仪测量又叫作实景复制，其具有扫描快、实时性、信息量大、自动化、精确度高等优势，在文物保护、医药研究、军事训练、工程勘测等领域都具有深渊的意义。
关键词：三维激光扫描仪测量方法；发展前景；
前言：随着信息科学技术的不断发展，三维模拟、实物重构、虚拟现实等理论的相继提出，人们对事物的认识已从平面二维空间，逐渐转向空间三维立体思维模式。三维激光扫描仪的出现解决了这一实际问题，通过三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”，以其非接触、扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强、全自动化、复杂环境测量等优点，克服传统测量仪器的局限性。成为直接获取目标高精度数据。
一、关于三维激光扫描仪测量方法
1.三维激光扫描仪工作原理。三维激光扫描仪在目前的各类测量中运用较为普遍，其基本原理是：通过三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标，然后由获取的测量数据构造出目标三维模型的一种全自动测量技术。激光反射镜、激光自适应焦距控制单元、ＣＣＤ 技术、光机电自动传感装置以及激光发射器构成了三维激光扫描仪的核心技术。
2.选择140mm 直径的靶标及其配套的棱镜作为扫描仪及全站仪观测的目标对象。为了保证靶标能够平稳地放在凹陷区域，同时保证扫描仪可以获得足够点云数据来拟合中心位置坐标，试验设计了一个下向凹陷的磁块作为支撑台，凹陷的部分保证与靶标相互吻合。如黑色长方体为磁性支架，圆形为靶标，测站位置上架设扫描仪并对中整平。①号靶标作为基准点，②、③和④号靶标作为检校点。①号点和③号点之间的角度保持在三维激光扫描仪的具体测量中，反射面的不同也会造成测量的误差。调查显示，三维激光扫描仪生产的厂家在自身生产的产品测试时，都是选择较为理想的状态和条件下进行的。在实验测试中对待测物体选择十分重要，而厂家选择的待测物体一般都比较理想。工作中，待测物体的表面光滑度、颜色以及组成的材料等都会对测量的结果产生重要的影响。但在实际测量中，被选择的待测物体不具备实验时厂家选择物体的理想性，所以其材质、色彩、表面光滑度等都存在很大差异，因为会产生一定的误差。点位测量精度检验首先将靶标放置在①号点位置上，扫描①号点获取球面点云数据，通过软件处理拟合出球体中心位置信息。然后再顺序扫描②、③和④号点位置，获取②、③和④号球体的中心位置信息。取下扫描仪，放置全站仪并对中整平。类似地分别在①、②、③和④位置上放置配套棱镜( 球形靶标和球型棱镜的半径大小相等，以保证获取的点位坐标一致) ，顺序观测4 个棱镜位置，记录全站仪的观测值。为了减少观测误差，采用多次观测取平均值作为真实的观测值。以全站仪数据为基准，通过比较其靶标中心坐标数据，对点位测量精度进行检校。测距精度检验依据点位精度检验计算所得中心坐标，计算各个点之间的距离，并与全站仪计算所得相应点间距进行对比分析，若互差超过限值，则仪器测距精度不达标，应进行重新检校。点云拼接精度检验选取具有一些明显特征点的空地，采用测站/后视的扫描方式逐站扫描并获取三维点云数据和影像数据。在影像数据上选取并标注路面上的特征点。使用高精度全站仪观测已标注特征点，获取其坐标数据。然后对点云数据进行后处理，提取特征点的三维坐标信息，将其与全站仪观测值进行对比分析，若两者最大差值超过限值，则点云拼接精度不满足工程需要。
3.控制三维激光扫描仪测量误差的措施。三维激光扫描仪在目前的测量中有着重要的应用，其测量精度对整个工程的开展有着重要的影响，所以针对造成测量误差的因素做出有效分析，进而实现误差控制意义重大。（１）测量时做好仪器的检查。在测量时做好仪器设备的检查是控制三维激光扫描仪测量误差的重要措施，主要从三方面进行：①进行仪器的出厂核查。对仪器的生产厂家、批号、规格等进行详细的校验，确保仪器出厂正规，这样其使用误差率会大幅度下降。②详细分析仪器的测量角度。出于对垂直度盘刻度差的考虑，需要检查仪器是否配备倾斜补偿器，如果未配备，则要对其进行添加，这样可以减少或消除误差。③进行视准轴的校验，消除或减小偏心差。④对测量距离方面进行控制调整。总之，在测量之前做好仪器的检查工作，可以有效规避仪器误差带来的测量误差。（２）积极分析外部环境，规避影响因素。外部环境分析重点有两个方面：第一是对环境要素进行全面性的分析。除了温度、风以及气压会影响测量精度，雨雪、沙尘暴等也会影响到测量的精度；第二是要做好环境的监测与控制。积极进行外部环境的分析，避免在恶劣的天气里进行测量，这样环境因素造成的测量误差会有效减少。（３）强化人员操作，实现仪器测量的专业性。操作人员的不规范操作会造成测量精度的下降，所以为了控制测量精度，对仪器操作人员要进行全面培训。首先，提高操作人员的理论素质。通过培训使操作人员了解三维激光扫描仪的工作原理和仪器的基本操作规范和流程，从而为具体的实践操作打下基础。其次进行操作实践的训练。对三维激光扫描仪操作人员进行操作实训，使其明确的掌握操作的细节和标准。有了标准和规范化的操作，操作人员就会明显减少测量误差的发生率。
二、未来发展趋势
三维激光扫描仪作为测绘科学的领先产品，具有鲜明的优势，广泛的应用。从整体来看，三维激光扫描仪基本涵盖测绘的各个领域，具备大面积，高自动化，高速率，高精度测量的特点。但是其自身还存在诸多不足。如：(1)三维激光扫描仪售价太高，基本都在100万元以上，难以满足普通化需求；(2)仪器自身和精度的检校存在困难，目前检校方法单一，基准值求取复杂，精度评定不好；(3)点云数据处理软件没有统一化，各个厂家都有自带软件，互不兼容；(4)精度、测距与扫描速率存在矛盾关系。基于这些不足之处，提出三维激光扫描仪的发展趋势有以下几个方面：(1)三维激光扫描仪国产化，研制具有自主知识产权的高精度仪器；(2)点云数据处理软件的公用化和多功能化，实现实时数据共享及海量数据处理；(3)在硬件固定的情况下，注重测量方法和算法上提高精度，如采用脉冲和相位结合的方式测量距离；(4)进一步扩大扫描范围，实现全圆球扫描，获得被测景物空间三维虚拟实体显示；(5)与其他测量设备(如GPS、IMU、全站仪等)联合测量，实时定位、导航，并扩大测程和提高精度；(6)三维激光扫描仪与摄像机的集成化，在扫描的同时获得物体影像，提高点云数据和影像的匹配精度。
结束语：三维激光扫描仪在目前的工程测量及其他领域中有着重要的应用，其测量精度对于之后的工作影响巨大，所以保证测量的精度，实现测量质量的提升十分的重要。积极分析造成三维激光扫描仪测量误差的因素，并在此基础上探讨控制误差的措施，可以有效消除和减小误差，这对于工程测量有着显著的意义。
参考文献：
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