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面三维激光扫描仪的检校与精度评估

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地面三维激光扫描仪的检校与精度评估

地面三维激光扫描仪的检校与精度评估

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。

地面三维激光扫描仪误差分析及标定

地面三维激光扫描仪误差分析及标定

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。

三维激光扫描仪建模精度分析

三维激光扫描仪建模精度分析
所示 。
表 １ 控制点坐标 点 名
ＫＯ ５
Ｋ０ ４
（ 单位 ： ｍ） ｌ ， Ｈ
９ ９ ． ８ ３ ２
９９． ９８２
９１ ． １ ２ ６
１ ００
８ ８ ． ２ ５ ４
ｌ ００
Ｊ Ｍ０ ３
Ｋ０ ３
９ １ － ２ ７
１ ３ ０ ． ８ １ ７
【 单位 ： ｒ ｌ １ ） ｌ ，
８ ５． １ ０５ １ ４ ４． １ ４ｌ
表 ２ 标 靶 中心 坐 标 序 号
ｌ
Ｚ
ｌ ０２． ０９８
２
３ ４
７ ８ ． ０ ５
１ ｏ ０
９ ９ ． ８ ３ ７
１ ｏ ｏ ． ｏ ０ ０
图 Ｍ０ ５
９ １ ． １ ８ ７
９ １ ． ０ ３ ９
９１ ． ３ ３８
６ ７ ． ６ ６ ８
５ ０ ． ２ ４ ７
６ ２． ８１ ５
１ ４ ３ ． ３ ２ ８
７ ８ ． ２ ９１
８ ７ ． ５ ０ ６
９ ９ ． ８ ３ ０
９ ９ ． ８ ２ ９
下考虑 ： （ １ ） 走廊 内受外界天气因素影响小 ， 所布设 的
作 者简 介 ： 徐 立伟 （ １ ９ ９ ０ － ．） ， 男， 河 南 商丘 ， 硕 士研 究生 ； 研究方向： 精 密工程 测量 。
其 中控制 网平面部分采用独立坐标系 ， 假设 Ｋ ０ ３ （ １ ３ ０ ． ８ １ ７ ， １ ０ ０ ） ， Ｋ ０ ４ （ １ ０ ０ ， １ ０ ０ ） 两点 为 已知 点 ， 并 赋 予 坐标值 ， 考 虑到 检校场实 际地形情 况 ， 水 准 测 量 无 法进行 ， 故控制点高程采用精密三角高程方法得到 ， 假设 Ｋ ０ ３ 点高程为 １ ０ ０ 。经控制网平差后 ， 结果如表 １

地面三维激光扫描仪变形精度试验研究

地面三维激光扫描仪变形精度试验研究

地面三维激光扫描仪变形精度试验研究地面三维激光扫描仪是近些年发展速度较快的一种测量仪器，具有诸多的优点，在数据监测方法有着较大的优势。

本文结合笔者工作经验，通过介绍地面三维激光扫描仪的数据获取方法，重点探讨了三维激光扫描仪变形精度评估工作，以供类似研究工作参考。

标签：三维激光扫描点云数据测量数据精度评估随着我国科学技术的快速发展，激光扫描技术得到进一步的提高，高端的三维激光扫描仪器逐渐进入普通人的视野。

地面三维激光扫描仪是近年来出现的一种新型仪器，在国内越来越引起研究领域的关注。

它具有高精确、快速、无接触测量等优点，可以以无接触形式快速获取地球表面及其上面各种目标海量的三维点云数据，这使得三维激光扫描仪的应用领域由传统的建筑、制造和室内设计向工程测量、变形监测等测绘领域逐渐发展。

目前，在三维激光扫描仪应用于变形监测工作当中，许多新的技术方法、数据处理研究方法需要随之跟上，如何利用好这项先进的技术做变形监测工作也成为测量人员有待深入研究的话题。

本文针对三维激光扫描仪变形精度研究进行探讨，希望对推广这项技术的应用有所帮助。

1数据获取方法本实验采用索佳精密监测全站仪SOKKIANET1和徕卡三维激光扫描仪LeicaScanStation2来获取被监测对象的变形数据。

数据获取流程为：（1）进行现场踏勘，（2）布设控制点和标靶点，如图1所示。

其中A、B、C和D为变形监测控制点，是稳固不变的点，用于将扫描的点云数据从仪器独立坐标系转换到测量坐标系或局部坐标系下面，同时，它们也可以作为标靶点用来做拼接使用；1～8号点是布设在变形体表面的标靶点，一是点云配准使用，二是作为变形体变形特征点使用（用于分析变形量及其精度评价）。

以上准备工作完成之后，接下来进行三维点云数据的获取。

SOKKIANET1全站仪集成了全站仪的最新技术，最小距离显示为0.1mm。

在无棱镜的条件下，其测量精度也达到了1mm的量级。

LeicaScanStation2的单点定位精度（50m距离）形成模型表面的精度±2mm，标靶获取精度±1.5mm。

三维激光扫描仪测量误差来源及精度分析

三维激光扫描仪测量误差来源及精度分析

三维激光扫描仪测量误差来源及精度分析[摘要] 本文首先介绍了三维激光扫描测量原理，进而分析了测量的误差来源，仪器误差，与目标物体反射面有关的误差和外界条件影响，最后对扫描精度做了分析。

[关键词] 三维激光扫描测量误差精度[Abstract] This article first introduces the measurement principle of the 3D laser scanning. After considered the effects in the ways of instrument，reflector and scanning environment，making a accuracy analysis of it.[Key words] 3D laser scanner surveying error accuracy0.引言三维激光扫描技术是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段[1]。

传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。

三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。

点云数据是一切后续工作的基础，在数据采集过程中不可避免地会带有误差，为了提高点云数据质量，需要对误差来源进行详细的分析。

1997年wallace等人研究了三角激光扫描仪的深度图像测量原理，并通过实验验证了扫描物体的移动能导致深度图像测量的系统性误差[2]。

2000年吴剑锋等人详细分析了激光三角法测距的误差[3]。

1.地面型三维激光扫描系统工作原理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：2.点云数据的误差来源及分析三维激光测量误差可分为：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界环境条件影响这三类。

3D扫描和测量的精确性评估

3D扫描和测量的精确性评估

3D扫描和测量的精确性评估
介绍
本文档旨在评估3D扫描和测量的精确性。

我们将探讨3D扫描和测量的定义、原理以及精确性评估的常见方法。

该评估对于确保3D扫描和测量的可靠性和准确性至关重要。

3D扫描和测量的定义
3D扫描和测量是一种技术，通过捕捉物体的三维表面，并将其转换为数字模型，以实现精确测量和分析。

该技术广泛应用于建筑、工程、制造和医学领域等。

3D扫描和测量的原理
3D扫描和测量的原理基于光学、激光或摄像机等技术。

通过对物体表面进行扫描或测量，采集大量数据点，并使用算法将其转换为三维模型。

这些数据点的准确性和稳定性直接影响到最终模型的精确性。

精确性评估的方法
为了评估3D扫描和测量的精确性，我们可以采用以下常见方法：
1. 绝对测量：使用标准参考物体进行测量，比较实际尺寸与扫描结果之间的误差。

2. 相对测量：对同一物体进行多次测量，比较不同结果之间的一致性和准确性。

3. 点云对比：将多个扫描数据集进行对比，查看数据之间的差异。

4. 反向工程：将扫描结果与设计模型进行比较，评估其一致性和准确性。

5. 影响因素分析：分析可能影响测量精确性的因素，如光照条件、扫描距离等。

结论
3D扫描和测量的精确性评估是确保数据的准确性和可靠性的重要步骤。

通过采用绝对测量、相对测量、点云对比、反向工程和影响因素分析等方法，我们可以评估3D扫描和测量的精确性，以确保其在实际应用中的可靠性。

地面三维激光扫描仪的检校与精度评估


[ 7]
激光扫描仪的测距精度检测中 , 基线比较法和 六段解析法仍 是两种非 常经典的 方法。基 线比较 法, 其模型是对加常数和乘常数两个参数同时进行 解算。而六段解析法消除乘常数相关影响, 加常数 [ 7, 8] 的检测精度较 高, 但只能检 测加常数 。本文中 全站仪依据六段解析模型得到高精度基线距离值 , 对激光扫描仪则采用基线比较法得到加常数和乘常 数。测角精度检校方面, 本文则借鉴了全站仪的轴 系误差校正方法 , 布设一定的控制点进行检校。大 气影响方面 , 仍然认为 温度湿度 为主要的 影响因 素。 1 1 六段解析模型 六段解析法是 1971 年由 H R Schwendener 提出 来的 , 又称为六段全组合法 , 此种方法不需要标准 基线, 仅通过 对全组合 方式获得 的观测数 据进行
图 1 六段解析法中全 组合式观测
得到观测方程 D ^ i = Di + C + Vi , 其中: D ^i为 平差值、 D i 为 观测值、C 为加常数、Vi 为改正数。 观测值所含有的乘常数 , 相对于加常数独立的隐藏 在观测值 D i 里, 对加常数的解算不产生任何相关 性影响。取 N 条 0 号点至其它点的边为待求边。从 而组成误差方程: Vi = - C + ( D ^ 0k - D ^ 0j ) + l i ( 1) 式中 : i = 1~ N ( N + 1) 2, 待估参数为 C , [ 9] D ^ 01 , D ^ 02 , , D ^ 0N 。组成法方程如 ( 2) 式 所示 :
表1
经加常数改正距离 ( m) 4 78717 9 8995 20 0063 30 0057 40 0092 50 0088
图3
测距精度检校场

三维扫描仪精度测试方法

三维扫描仪精度测试方法一.测试原理使用被评价的三维扫描仪对标准样件(见附录A)进行三维扫描获得三维扫描数据；对三维扫描数据和真值进行偏差分析，从几何尺寸偏差和3D偏差两个层面评价三维扫描仪的扫描精度。

二.测试特性1、几何尺寸偏差分析用三坐标测量机对标准样件进行测量得到真值;用三维扫描仪扫描标准样件得到三维扫描数据；对三维扫描数据的几何尺寸进行测量，并计算测量值与真值的偏差，即为几何尺寸偏差。

2、3D偏差分析经三坐标测量机对标准样件加工精度进行确认后，以标准样件的三维设计数据作为3D偏差分析的真值，并与标准样件的三维扫描数据进行3D偏差分析，得到平均距离、均方根误差。

三.测试数学模型平均值衡量正确度，见式(1);标准差衡量精密度，见式(2)；均方根误差衡量形态精度，见式(3)。

注1：正确度对应多次测量结果中，几何尺寸偏差的平均值以及3D偏差分析中平均距离的平均值。

注2：精密度对应多次测量结果中，几何尺寸偏差的标准差以及3D 偏差 分析中平均距离的标准差。

注3：形态精度对应多次测量结果中,3D 偏差分析中均方根误差平均值。

(1) 平均值衡量正确度公式：%=y n X 、(2) 标准差衡量精密度公式:(3) 均方根误差衡量形态精度公式:/ Vn (xj —Xi_ac t u ai)2 勺乙i=o- 式中:Xj ------- 测量值，单位为毫米(mm);^i-actual ----------------------- 真实值，单位为毫米(mm);n ----- 测量次数，不少于10次；% ——平均值，单位为毫米(価); RMSe =S ——标准差，单位为毫米(nun);RMSe ——均方根误差，单位为毫米(mm)。

四.测试步骤1、制备特定的标准样件，见附录A。

2、使用三坐标测量机对标准样件进行测量得到其几何尺寸真值，并对加工精度进行确认。

3、用待评价的三维扫描仪直接扫描标准样件得到三维扫描数据。

4、将三维扫描数据进行几何尺寸测量，并与真值对比，得到几何尺寸偏差。

地面三维激光扫描点位精度评定


位置放置经纬仪。
5) 根据因瓦尺上选定的点位, 利用后方交会
( 如图 3所示 ) 的方法可测出经纬仪中心 ( 即竖轴与
横轴的交点 ) 的平面位置, 其精度依据后方交会点 位中误差公式计算得到 [ 4]
Mp = m
b sin( +
)
a1
2
+
a2
2
-
a1 2
a2
2
cos(
+
)
( 1)
s1
s2
s1 s2
结合本次方案 (如图 3所示 ) , 可以认为
Z - 3. 1 + 2. 5 - 3. 5 + 2. 9 + 3. 2 - 2. 8 + 4. 2 - 3. 6 + 1. 6 - 1. 8 + 2. 1 - 1. 9 - 2. 6 + 1. 5 - 2. 4 + 2. 6 - 3. 5 - 5. 2 + 2. 8 + 3. 5 + 4. 4 + 4. 3 - 2. 6 + 3. 8
( 092300410056) 作者简介: 王玉鹏 ( 1987 ) , 男, 河南安阳人, 硕士生, 主要从事摄影测量与遥感领域的研究。
2011年 第 4期
王玉鹏, 等: 地面三维激光扫描点位精度评定
11
控制网内目标点的观测精度必须优于 1 mm, 方能 作为真值。建立检校 场及测量目标点 三维坐标的 步骤如下:
Point P recision A ssessm ent for Terrestrial 3D Laser Scanning
WANG Y upeng, LU X iaop ing, GE X iaotian, LU Y ao, SONG B ibo

地面三维激光扫描仪精度评估

地面三维激光扫描仪精度评估王军;李仲勤【摘要】文中针对地面三维激光扫描仪的水平角、测距精度的问题,采用徕卡全站仪TCR 1202与Z+FIMAGER 5010C三维激光扫描仪进行精度的对比检测.在10 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m距离段检测三维激光扫描仪的测距精度.随着测距距离的增加,三维激光扫描仪的测距精度在整体上呈逐渐下降的趋势.在20 m、40 m距离下分析了三维激光扫描仪的水平角精度,水平角精度符合标称精度.【期刊名称】《矿山测量》【年(卷),期】2019(047)002【总页数】5页(P79-83)【关键词】地面三维激光扫描仪;距离;水平角;测距;精度【作者】王军;李仲勤【作者单位】兰州交通大学测绘与地理信息学院,甘肃兰州 730070;甘肃省地理国情监测工程实验室,甘肃兰州 730070;兰州交通大学测绘与地理信息学院,甘肃兰州730070;甘肃省地理国情监测工程实验室,甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】P235随着空间数据的发展潮流，地理空间数据在向大数据、高精度、可视化方向迅速发展。

由于在一些工程中，传统测绘仪器无法直接测量或者为了对保护性建筑降低二次伤害，三维激光扫描仪的应用解决了这些数据的采集问题[1]。

三维激光扫描仪在获取物体的三维空间坐标时，无需接触就能采集三维坐标，又能通过相应的软件进行三维建模生成三维模型，被称为“实景复制技术”[2-3]。

地面三维激光扫描系统测量精度评估和检定对于点云数据质量和工程应用成果质量的控制至关重要。

谢宏全等采用徕卡C10三维激光扫描仪对测距精度进行研究分析[4]；徐寿志等对Riegl VZ-1000三维激光扫描仪进行精度评定[5]。

本文以三维激光扫描仪的扫描误差来源分析为基础，以Z+F5010C地面三维激光扫描仪为研究对象，以直接比较的方法研究了地面三维激光扫描仪水平角与测距误差规律。

1 地面三维激光扫描仪系统地面三维激光扫描系统由三维扫描仪、系统软件、电源以及附属设备构成。

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ϕi = (ϕi + vi ) + ci + ii
其中 ci = c cos α i ， ii = i tan α i 。写成误差方程式为：
（5）
1 vi = − cos α i
c − tan α i − (ϕ i − ϕ i ) i
（6）
利用间接平差解算得到轴系误差 c 及 i，同时计算出角度观测值改正数 vi 。
（2）
ˆ 。 其中：r=1~N，j=0~N-1。经解算可得到参数估值：加常数C，及各段边长平差值 D 0i
： mc = 加常数C的检测误差（标准差） 2.2 基线比较模型 在图1所示的全组合基线上，已知基线距离标准参考值 Di (i = 1,2, Λ 21) ，可列出如下方程
6 = m0 Qcc N ( N − 1)
二、 仪器检校基本原理
激光扫描仪的测距精度检测中，基线比较法和六段解析法仍是两种非常经典的方法。基线 比较法，其模型是对加常数和乘常数两个参数同时进行解算。而六段解析法消除乘常数相关影
作者 1 简介：刘春 ，男，1973.2 生，汉族，江苏海门人，博士。同济大学土木工程学院测量与国土信息工程系副 教授。 作者 2 简介：张蕴灵，女，1984.4 生，汉族，辽宁人，硕士。
[5] [3] [4] [3] [2] [1]
。
[6]
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。 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。
表 1 全站仪得到的距离值 测站 目标点 2 3 1 4 5 6 7 测距平均值（m） 4.7834 9.8965 20.0045 30.0019 40.0055 50.0067 全站仪加常数 C=-0.0015 经加常数改正距离（m） 4.78717 9.8995 20.0063 30.0057 40.0092 50.0088
4.1 测距实验 在测距精度检校场，用 HDS3000 和球面反射靶标，分别对 21 段距离值进行扫描，每段距离 上扫描 3 次，提取靶心坐标反算距离值后取均值。其单个靶标的点云扫描图像如图 5 所示。
图 5 球形靶标扫描图像 将 HDS3000 测量结果与真实值相比较，从图 6 上可以看出在 50m 以内的距离，搭配球面靶 标的测距精度最低为 9mm，低于标称的 4mm。
图 8 平面靶标点扫描图像
从扫描点云中提取各靶标中心坐标，通过 ϕ = arctan
y 计算出扫描水平角 ϕ i ，其中 x，y x
x2 + y2 z
为扫描点的横纵坐标。同时设竖直角为 α i （i=A,B,C……H） ， 同理， 通过 α = arctan
三、 实验测试
3.1 实验仪器 本文设计的实验采用的仪器为Leica公司的HDS3000 地面三维激光扫描仪， 该仪器标称距离 精度是4mm。其最小采样间隔为1mm×1mm。回波率为18%时扫描距离为134m。扫描频率在4000点/ -5 秒以上。扫描范围为竖直方向270度，水平方向360度。标称扫描角度精度为6×10 弧度(约为 [10] 0.0034度)。激光脚点在50m处的半径不超过6mm 。实验中所用到的激光扫描仪器和其他的辅助 仪器如图2所示：
《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛论文集
3
Di = (Di + vi ) + k + R ⋅ Di ，其中k为加常数，R为乘常数， Di 为检校仪器的观测距离， vi 为改正
数。令 Li = Di − Di ，可得到误差方程：
vi = − k − R ⋅ Di − Di − Di
根据间接平差原理，解算出加常数及乘常数。法方程式为：
2
扫描仪测距误差(mm)
0 -2 -4 -6 -8 -10
0
10
20
30 基线标准参考值(m)
40
50
60
《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛论文集 图 6 原始激光扫描仪测距值误差
6
按基线比较模型中公式（4）对数据进行平差解算，得到 HDS3000 在搭配球面靶标时加常数 为 3.9mm，乘常数为-0.00003016，即-30ppm。经过加乘常数改正后的 HDS3000 测距值和全站仪 测距结果进行了对比和分析，得到激光扫描仪 HDS3000 测距误差在±4mm 以内变化，达到了标 称精度，如图 7 所示。
ˆ − ∆D ˆ )+l Vi = −C + (∆D 0k 0j i
ˆ ， ∆D ˆ ，…， ∆D ˆ 式中：i =1~ N(N+1)/2，待估参数为C， ∆D 01 02 0N
[9]
（1） 。组成法方程如下：
N ( N + 1) 2
( N − 2) − 2 j N
水平角的检校场为如图 4 所示，在离墙壁一定距离处的地面上确定一点 S，将索佳 NET1200 全站仪置于该点上对中整平，在墙上沿水平方向布设 8 个平面靶标，利用全站仪采用方向观测 法量测各平面靶标的水平角。由于该全站仪测角精度则为 1″，将测出的角度值作为基准值（表 2） 。
H
A
B
C
D
E
F
G
站点 S
5m 1 2 5m 3 10m 4 10m 5 10m 6 10m 7
图 3 测距精度检校场 如图 3 所示的检校场， 用索佳 NET1200 全站仪对 7 个控制点的 21 段全组合距离进行精确测 量，每段距离上测三个测回。索佳 NET1200 全站仪的标称测距精度为±1mm。按六段解析模型中 公式（2）解算出 7 段距离值(表 1)。由于全站仪的测距精度高于激光扫描仪，这些距离数据值 经改正可作为标准参考值与后续激光扫描仪的实验结果比对。全站仪的中误差经解算为± 1.61mm。
计算出竖直角。利用水平角检校模型中公式（6） ，通过间接平差得到激光光束不垂直于扫描棱 镜旋转轴的误差 c 及棱镜旋转轴倾斜误差 i 分别为：
c = 0.0075 ο i = 0.0461ο
《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛论文集
7
经过轴系误差改正后的水平角度误差如图 9 所示：
(
)
（3）
N ∑ D i
∑D ∑D
i 2 i
k ∑ Li + R ∑ D L = 0 i i
（4）
2.3角度检校模型 本文试验所采用的激光扫描仪的工作原理与传统测角仪器不同，不能通过盘左盘右来消除 视准轴误差提高精度。 本次实验仪器HDS3000工作时激光束是通过一块旋转棱镜沿垂直方向逐行 扫描物体表面，可认为该扫描仪存在如下的轴系误差：①激光光束不垂直于扫描棱镜旋转轴的 误差c，它对水平角的影响为 c cos α ；②棱镜旋转轴倾斜误差i ，它对水平角的影响为 i tan α 。 其中 α 为扫描目标的垂直角。因此可以建立如下的观测值方程：
维点云模型的建立和精度影响至关重要。本文分析了激光扫描仪的主要误差来源，同时介绍了三维激光扫描仪的检校原理和方法， 并以 Leica 公司的 HDS3000 为例，从测距、测角、大气影响等方面，对激光扫描仪的精度进行测试和评定。
关键词：三维激光扫描仪 检校 精度评估
一、 引言
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
HDS3000 激光扫描 仪
平面靶标
球面靶标
索佳 NET1200 全 站仪
图 2 激光扫描仪测距实验仪器
《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛论文集
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3.2 检校场的建立 在实验实施前，首先需要建立满足实验要求的检校场。其目的是将激光扫描仪获取的数据 和标准参考值（常规仪器测量获得）进行比较。本次实验布设了两块检校场，第一块区域包含 一条直线上的 7 个控制点（图 3） ，用来检校距离精度；另一块区域为室内竖直光滑墙面上布设 的 8 个水平方向控制点（图 4）用来检校角度精度。
→ Λ −1 Λ Ο Ο
N −1 N Λ C l jk ∑ ∑ ∆D ˆ j = 0 k = j +1 01 Λ r −1 N Μ + l + l − l rm = 0 ∑ ∑ nr 0r n =1 m = r +1 Μ Μ ˆ ∆D0 N Μ Ο
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图1 六段解析法中全组合式观测
ห้องสมุดไป่ตู้ˆ = D + C + V ，其中： D ˆ 为平差值、 D 为观测值、 C 为加常数、 V 为 得到观测方程 D i i i i i i