chapter04_地面三维激光雷达误差分析及检校

地面三维激光扫描仪的检校与精度评估摘要：本文针对地面三维激光仪的各项指标提出系统的检校方法，并据此得到地面三维激光扫描仪器精度评估结果，为后期的工程应用提供精度依据和质量控制。

为此，首先针对激光扫描仪的特点，建立各种误差源的误差模型，围绕常规工程关心的精度指标，完成对仪器整体的检校和精度评定。

关键词：地面三维激光扫描仪；检校；精度评估引言在地面三维激光的应用中，扫描仪的测量精度起着重要的角色，尤其在一些工程建设和变形监测中，为了使点云数据达到最大精度，必须进行扫描仪的检校。

若因使用时的外力碰撞和其他未知因素造成仪器内部构造发生变化，则扫描结果可能含有系统性误差。

1、概述三维激光扫描测量系统，也称为三维激光成图系统，主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以便对模型进行分析和处理。

激光扫描仪所获得的数据是由离散的三维点构成的点云。

点云的每一个像素包含有一个距离值和一个角度值。

三维激光扫描技术获取的点云数据，可以达到毫米级的采样间隔，从而激光扫描技术可以应用于工程测量、古建筑和文物保护、数字城市等领域，并已有许多成功例子。

然而，三维激光扫描仪在使用过程中，对于仪器的精度和指标都有严格的研究。

事实上，三维激光扫描仪的分辨率、回波、时间和大气影响等都是影响点云精度的误差来源。

通常情况，仪器与被测点的距离越近，激光光斑越小，分辨率越高，回波信号越强，相应的测量精度就越高，反之，则测量精度越低。

此外，回波还受目标材质的反射率和边缘效应影响。

而温度的变化也可令某种激光扫描仪测距结果在x，y方向产生偏移。

现有关于地面三维激光扫描技术的研究较多集中在逆向工程中的应用及数据处理，然而地面三维激光扫描技术的精度以及对工程应用的影响是实际工程中需要面对的重要问题，激光扫描测量仪器的精度也影响三维点云模型的建立和应用，因此地面三维激光扫描仪的检校与精度评估对于三维激光扫描仪的有效应用是十分必要的。

三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析发表时间：2020-12-07T07:28:40.205Z 来源：《中国科技人才》2020年第23期作者：周志雄[导读] 三维激光扫描主要是利用内部的脉冲发射器对着被监测目标发射脉冲激光，通过反光镜旋转，将已经发射出的激光直接扫过被监测目标的信号接收器，从而接受来自被监测目标反射回来的激光，利用激光脉冲从发射通过对备件扫描，建立坐标系，逆向建模，可以生成三维模型或者三维空间坐标，从而生成二维图。

包钢钢联股份工程服务公司内蒙古包头市 014080摘要：三维激光扫描主要是利用内部的脉冲发射器对着被监测目标发射脉冲激光，通过反光镜旋转，将已经发射出的激光直接扫过被监测目标的信号接收器，从而接受来自被监测目标反射回来的激光，利用激光脉冲从发射通过对备件扫描，建立坐标系，逆向建模，可以生成三维模型或者三维空间坐标，从而生成二维图。

关键词：三维激光扫描仪；测量误差；应用前言由于现在在测绘过程中，异型件、曲面件逐渐增加，简单机加件逐渐减少，传统的测绘方式很难满足现在的需求，三维扫描仪的出现，推动了工业发展，预测着提供了一种新的技术手段。

1三维激光扫描仪工作原理通过观察投影到表面上的激光线来完成表面采集。

激光扫过表面后，设备根据通过三角测量法确定的位置记录数据。

激光线在部件上的可见度是数据采集成功与否的关键因素。

激光线的可见度受颜色和材料类型影响。

反射率高的部件易产生慢反射，导致难以读取部件上的激光线。

黑色会吸收光线，也会因缺乏对比度而导致激光线难以读取。

通过调整快门参数可抵消黑色、反射和透明物体的影响。

完善的部件准备工作也会带来更好的扫描结果。

2三维激光扫描仪校准确保校准板附近没有标点；如果条件允许，将校准板置于手提箱内保存；确保校准板附近没有反射物；在执行校准时请放松，手势速度要慢；如果探测到错误、损坏或错放的标点，校准过程可能会失败。

扫描仪必须指向校准板中心，即圆圈所示的位置，并应将红线（扫描仪的高度和方向）对齐到绿色矩形内。

第33卷第11期传感技术学报Vol.33No.11 2020年11月CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Nov.2020 Error Analysis and Calibration of Terrestrial3D Laser Scanner"XIA Guisuo1,NIU Zhisheng2,LIU Fang1,FU Yanjun1(1. Ministry of Education Key Laboratory of Nondestructive Testing, Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi330063 ,China；2.Hebei Special Equipment Supervision and Inspection Institute Handan Branch,Handan Hebei056000,China)Abstract:A calibration method based on distance error identification was proposed for ground3D laser scanner.The structure and optical system of the instrument were introduced,and various system errors of the instrument were ana­lyzed,and the error correction algorithm was designed.In the calibration process,multiple targets were arranged in a large range,and the space coordinates of the targets were measured at different positions from the targets by the ter­restrial3D laser scanner.Then the distance between any two targets were calculated,and the instrument correction parameters were identified according to the calibration algorithm.The calibration method neither to obtain the spatial coordinates of the target,nor to perform the conversion between the scanner coordinate system and the world coordi­nate system can greatly reduce the number of calibration parameters.The calibration test and the accuracy verifica­tion test showed that the measurement accuracy of the points near10m,20m,and30m from the instrument were re­spectively±2.7mm,±2.9mm,±4.1mm,and met the accuracy index requirements of±(2+L/10000)mm.The cal­ibration method was easy to operate,had low requirements for calibration conditions,and had strong practicability. Key words:terrestrial3D laser scanner；calibration；distance;targets;parameter identificationEEACC：7230doi：10・3969/j・i s sn.1004-1699・2020・11・014地面三维激光扫描仪误差分析及标定*夏桂锁"，牛志盛2,刘芳打伏燕军1(1.南昌航空大学无损检测教育部重点实验室，江西南昌330063；2.河北省特种设备监督检验研究院邯郸分院，河北邯郸056000)摘要：提出一种基于距离误差辨识的地面三维激光扫描仪标定方法。

三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析摘要：随着社会的发展与进步，重视三维激光扫描仪及其测量误差影响对于现实生活具有重要的意义。

本文主要介绍三维激光扫描仪及其测量误差影响因素的有关内容。

关键词：三维激光扫描仪；误差测定；影响因素；中图分类号： r814 文献标识码： a 文章编号：引言三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。

又称为“实景复制技术”，主要面向高精度逆向工程的三维建模与重构。

它可以高效地采集大量的三维点。

少则几万个，多则几百万个。

它可以深入到复杂的现场环境中进行扫描，将各种大型的、复杂的、不规则的实景三维数据完整地采集到电脑中，从而快速重构出目标的三维点云模型。

此外，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。

这对于有限元分析、工程力学分析、流体动力分析等是非常重要的。

这种逆向工程的数据获取方式目前在我国还是个薄弱的领域。

一、三维激光扫描仪的概念三维激光扫描技术是测绘领域继gps技术之后的一次技术革命。

三维激光扫描仪通过高速激光发射器运用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器。

它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。

三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

二、地面型三维激光扫描系统工作原理三维激光扫描仪运用了激光的方向性、单色性、高亮性、相干性等特点，实现了测量速度快，操作简单，测量精确度高等目的。

对地面三维激光扫描仪来说，采用的是仪器坐标系统，即所采集到的物体表面点的空间信息是以其自身的坐标系统为准的。

系统以激光束发射处为坐标原点；z轴位于仪器的竖向扫描面内，向上为正；x 轴位于仪器的横向扫描面内；y轴位于仪器的横向扫描面内且与x 轴垂直，如图1-1，由此可得点坐标的计算公式：图1采用脉冲测距法的三维激光点坐标图2 目标物体倾斜引起测距偏差二、点云数据的误差来源及分析从误差理论来分析，径向扫描系统测量误差可分为系统误差和偶然误差。

三维激光扫描技术及其误差影响因素分析［摘要］本文在阐述了三维激光扫描技术的测量原理及其扫描特点的基础上，进一步分析了其测量误差的影响因素，以供参考。

［关键字］三维激光扫描技术误差影响因素三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS 空间定位系统之后又一项测绘技术的新突破。

它以高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。

能够快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。

具有快速性，不接触性，穿透性，动态、实时、主动性，高精度、高密度，自动化、数字化等特性。

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。

它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势•三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

1三维激光扫描仪的测量原理三维激光扫描仪是在激光的相干性、方向性、单色性和高亮度等特性基础上，同时注重操作简便和测量速度，从而保证测量的综合精度，测量原理主要为有测距、扫描、测角、定向四方面。

应用扫瞄技术来测量工件尺寸及形状等原理来工作。

主要应用于逆向工程，负责曲面抄数，工件三维测量，针对现有三维实物在无技术文档情况下，可快速测得物体轮廓集合数据，加以建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。

2快速扫描技术特点快速扫描是扫描仪诞生的概念，常规测量中，对每一点测量花费时间在2-5秒，而有时对一点的坐标进行测量更达到几分钟的时间，当下对于此测量速度已经十分落后了，而改变了这一现状的正是由于三维激光扫描仪的诞生，脉冲扫描仪（seanstation2最快速度可达到每秒50000点，而相位式扫描仪Surphaser最高速度已超120万点每秒，这种扫描技术是对物体详细描述的基本保证，深入测量的领域包括古文体，工厂管道，隧道，地形等。

激光雷达测量误差分析和修正方法探讨激光雷达作为一种高精度、高分辨率的测量工具，被广泛应用于地图绘制、自动驾驶、机器人导航等领域。

然而，在实际应用中，激光雷达的测量结果往往会受到各种误差的影响，这些误差会对测量结果的准确性和可靠性产生重大影响。

本文将探讨激光雷达测量误差的来源，以及一些常见的修正方法。

激光雷达测量误差主要可以分为硬件误差和环境误差两类。

硬件误差包括系统误差和器件误差。

系统误差主要源自激光装置、光电探测器和信号处理等方面，如发射器的非线性、接收器的失真、时间同步误差等；器件误差主要是由于激光雷达的机械部件和电子部件的不完美制造或老化引起的，如激光发射器与接收器的对准误差、光电元件的非均匀性等。

环境误差则包括大气折射误差、噪声干扰、多路径效应等因素。

因此，在进行激光雷达测量时，我们需要对这些误差进行分析和修正，以提高测量结果的精确度。

针对激光雷达的硬件误差，我们可以通过标定和校准来进行修正。

标定是指通过实验或者比对相对准确的参考数据，将激光雷达的测量结果与实际数值进行对比，从而建立误差模型。

校准则是根据误差模型对测量结果进行修正。

常见的标定方法包括距离标定、角度标定和强度标定等。

距离标定是通过已知距离的目标物进行标定，来校准激光雷达的测量距离值。

角度标定则是通过已知角度的目标物进行标定，来校准激光雷达的测量角度值。

强度标定则是通过已知反射率的目标物进行标定，来校准激光雷达的测量强度值。

标定后，可以建立误差模型，并通过相应的算法对每个测量值进行修正，从而提高测量结果的精确度。

对于激光雷达的环境误差，我们可以通过滤波算法进行处理。

滤波算法主要用于去除测量结果中的噪声和异常值，从而提高测量结果的可靠性。

常见的滤波算法包括均值滤波、中值滤波、卡尔曼滤波等。

均值滤波是通过取多次测量值的平均值来降低误差和噪声的影响，适用于噪声比较平稳的情况；中值滤波则是通过去除最大值和最小值，取剩余值的平均值来达到去除异常值的效果；卡尔曼滤波则是一种递归最小二乘估计滤波算法，通过预测和更新步骤，对测量结果进行动态修正，适用于需要实时跟踪目标位置和速度的场景。