三维激光扫描仪APM定位法精度分析

三维激光扫描仪APM定位法精度分析

王科

中铁隧道集团四处有限公司

摘要：APM定位法——快速自动进行扫描仪测站数据的获取和直接将相对坐标系下点云三维坐标转换成用户坐标系点云三维坐标,通过和全站仪测量数据对比分析,得出在一定条件下点云绝对定位法获得的隧道扫描成果可以满足相关规范要求的结论。

关键词：APM定位法、扫描仪、隧道扫描

0引言

现代化的检测方法和严格的质量要求对施工技术方面提出了更高的要求，在目前已知隧道控制领域三维激光扫描技术是最能够最快速、最便捷、最准确地的一种技术。

三维激光扫描技术是一种新的高效隧道测量技术手段。它是利用激光测距的原理，通过分析发射和接收激光信号的强度及相位差，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，快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据,。

三维激光扫描技术最常用、最准确的一种方法是APM定位法，APM定位法是Amberg公司专利技术，该技术替代扫描仪原厂的多站靶球拼接法用于多站数据拼接和用户坐标系坐标传递，优点是该方法定位后的每站点云的绝对定位精度比多站拼接均匀，不存多站点云拼接后再坐标传递时，距离控制点较远的测站点云绝对位置精度偏弱情况。

本文以新建玉溪至磨憨铁路站前工程YMZQ-3标为依托，通过误差分析及数据对比，分析APM定位法精度。

1APM定位法

APM定位法是指三维激光扫描仪快速自动进行扫描仪测站数据的获取，通过两个棱镜和一个靶球与三维激光扫描仪相对关系直接将相对坐标系下点云三维坐标转换为用户坐标系下点云三维坐标。

1.1外业操作步骤

1）架设全站仪，通过已知控制点完成设站。

2）架设三维激光扫描仪，将棱镜面对准全站仪方向。

3）架设靶球，靶球棱镜面对准全站仪方向。

4）全站仪操作人员测量左右棱镜及靶球的坐标、高程并记录。

5）三维激光扫描仪操作人员点击开始，进行扫描。

1.2外业注意事项

1）靶球距离三维激光扫描仪8～10m最佳。

2）全站仪操作人员测量时，面对三维激光扫描仪的左侧为左棱镜，右侧为右棱镜，按照先左后右再靶球的顺序测量，为三个棱镜编号并记录测量结果。测量时，棱镜及靶球高度设为0m。

3）三维激光扫描仪扫描时，靶球棱镜一面须背对三维激光扫描仪，建议靶球架设在三维激光扫描仪与全站仪之间，如此靶球便可不移动方向，消除因移动方向产生的误差。

4)可以根据扫描场景需要任意位置设站，扫描仪本身无需设站定向，只要全站仪、扫描仪、靶球棱镜三者互相通视即可，工作过程中由于镜头高速旋转，严禁被水滴，以免损坏仪器。

5）扫描仪工作过程中严禁遮挡靶球，扫描结束后查看靶球是否被正常扫描，避免因未扫描到靶球而造成点云数据无法处理。

1.3内业操作步骤

1）编辑测站信息，格式为TXT格式，测站跟测量数据需要一一对应，左1右2球3的顺序，编辑方法为“测站号+顺序号，Y坐标，X坐标，Z坐标，中间用空格隔开”。

2）选择重定位APM，导入编辑好的测站信息，软件会根据坐标数据定位点云，并确认靶球的位置。

3）点云定位成功，即将相对坐标系下点云三维坐标转换成用户坐标系点云三维坐标。

1.4内业注意事项

1）重定位APM时，APM序号与编辑的测站信息测站号必须一致，注意检查全站仪坐标顺序是否跟设计数据坐标匹配。

2）APM重定位完成后，检核十字丝必须在靶球正中心，否则就是数据有误。

2APM定位法误差分析

2.1仪器自身误差

1）角度测量

a:激光束发射和接收轴水平时，如果垂直度盘的天顶距读数不为90°，会产生垂直度盘指标差。

b:当水平轴与激光束发射和接收轴不垂直，或者垂直轴与水平轴不垂直，会产生视准轴误差。

2)距离测量

a:相位式扫描仪由于反射及接收之间的电信号、光串扰而引起周期性误差。

b:因激光束位置不同进行距离测量会造成相位不均匀误差。

c:因被测物体的位置、反射面的平整度、离仪器的距离变化等影响，扫描仪接收到的信号发生变化，从而造成福相误差。

2.2外界条件及目标引起的误差

1）激光束投射到被测物体的棱角地带时，已经碰触到待测物体表面的一部分激光返回，另一部分没碰触到待测物体的激光继续前进直到碰触到物体返回，那么激光束行进的距离为这两部分的平均值，从而产生误差。

2）当待测物体表面不平整会出现漫反射现象，此时返回的激光如果不足，会造成此待测点距离无法测出，点云处理时用其周边点顺出其位置，造成误差。

3）激光束入射角度如果不垂直物体表面，会形成一个椭圆，从而引起偏差。

4）温度、气压、空气折射、灰尘、反射面曲率、待测物反射特性、形状等引起误差。

2.3操作误差

测站点、后视点、左右棱镜、靶球的定位定向精度引起误差。

3与全站仪数据对比

本次试验在新建玉磨铁路YMZQ-3标新平隧道进行，全站仪完成设站后，测量左右棱镜和靶球棱镜坐标及高程，在扫描仪扫描过程中使用全站仪同步进行断面扫描，全站仪与扫描仪同一里程断面数据对比如下：

由断面数据对比可知，扫描仪与全站仪数据误差在5mm以内，完全满足规范要求。

4结语

综上所述，三维激光扫描仪APM定位法扫描时间短、扫描点位密集、操作简单、数据准确，能够满足现代化的检测方法及施工需求。

参考文献：

[1]GB50026-2007工程测量规范

[2]TB10601-2009高速铁路工程测量规范

[3]尤相骏，詹登峰一种新型三维激光扫描隧道测量点云坐标定位方法的精度评估测绘通报2017（4）:80-84