三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析

三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析

陆大厅

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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。右侧指示条：扫描仪距离标定板的高度，在垂直于校准板的方向上调整不同高度。顶部指示条：扫描仪的水平方向倾斜角，手持左右倾斜。

左侧指示条：扫描仪的竖直方向倾斜角，手持前后倾斜。

十字丝：表示扫描仪绕垂直标定板坐标轴的旋转角，扫描时应尽量保证十字丝不发生旋转,左侧和上方的绿色指示块表示需要对准的规定倾斜角度，右侧绿块表示需要对准的高度；

十字圆表示扫描仪当前的位置；圆的大小表示当前扫描仪距离标定板的高度；

红色实心圆表示标定时需要扫描仪对准的规定位置；左侧和上方的绿色指示块表示需要对准的规定倾斜角度，右侧绿块表示需要对准的高度。

3三维激光扫描的优势

3.1大数据采样

三维激光扫描可以快速获得大面积被监测物体的空间信息，使用该技术能以极快的速度获取被监测物体的三维信息，甚至可以达到对实体的三维信息进行实时动态监测的程度，因此，可以将其运用到建筑物形变监测之中。

3.2动态实时性

三维激光扫描内部系统可以主动发射激光信号，通过对反射棱镜发射回来的信号进行分析，进而获得被监测目标的数据信息，这种测量方法不受气压、光照等外界环境限制，可以在全天的任意时间段进行实时监测。

3.3非接触性

三维激光扫描系统主要是利用脉冲信号的发射以及对被监测物体反射回的脉冲信号进行分析，从而获取被监测物体的外部形态信息。在一系列的过程中，都不需要人工接触被监测物体，这种优势可以将此种技术直接应用在危险区域或者工作人员无法凭借自身力量达到的地方。

3.4精度高、密度大

激光扫描测量可以快速获得较大面积的被监测目标的空间信息，对被监测目标直接进行扫描，从而对目标特征进行描述。它主要运用浓密的网格以及庞大的点阵获取目标信息，所以每个采样点之间的距离都很小。

4三维激光扫描仪范围

4.1测绘精度范围

三维扫描仪属光学仪器，存在一定测量误差。测绘精度可参考以下范围：单向最大尺寸不大于500毫米，精度范围为0.05-0.08毫米/米区间内；单向最大尺寸大于500毫米且小于1000毫米的，精度范围为0.08-0.10毫米/米区间内；单向尺寸大于1000毫米的，精度范围为0.20毫米/米左右。

4.2被测物体范围要求

磨损程度：无磨损或有轻微磨损

材质要求：三维扫描仪使用规定对物体本身材质未做要求（金属、非金属均可），但软质、移动易产生形变的材质除外（例如：橡胶软管、聚乙烯塑料等）。

表面光洁度要求：被测物体要求表面光洁、无油污、无锈蚀。

结构要求：三维扫描仪适用于结构较为复杂，不方便传统手工测绘方式测绘的物体。如含有球体、曲面、异性结构等。由于三维测绘工作量大，对于用游标卡尺、螺旋测微仪等仪器可进行直接手工测量的物体，三维测绘组不予测绘。受限于扫描仪本身物理尺寸，对于尺寸过于狭小的内部结构，无法测绘（具体情形依实际情况判断）。

5关于出图过程中产生的误差原因分析

5.1误差产生原因：

（1）仪器本身测量误差

仪器本身测量误差0.03mm-0.06mm/m。

（2）测绘人员在测绘过程中产生误差

在测绘前，测绘人员对标准点在备件位置选取差异，尤其对不规则备件标准点位置选取差异，并且扫描不完整，会产生空洞，也会产生测量误差。

（3）现场测绘环境影响产生误差

光学仪器使用过程中，对光线、灰尘以及所测备件表面要求比较严格，在现场测绘过程中，环境复杂，灰尘对扫描件点云有影响、光线会影响标志点在软件中读取位置，以及所测备件表面磨损、油污，都会对测绘结果产生误差。

（4）在geomagic软件使用过程中产生误差

计算机计算误差，不同面高低不同，选取平均值有误差产生，在对齐到全局坐标系过程中，也会产生相应误差。

（5）UG软件逆向过程产生误差

UG逆向过程，本身是贴合过程，UG建模匹配过程中产生误差。

6特点

该系统具备以下先进的技术特点：

目标点自动定位，无须臂或其他跟踪设备；

即插即用的系统，快速安装及使用；

高分辨率的CCD系统， 2个CCD 及激光发射器, 扫描更清晰和精确；

点云无分层，自动生成三维实体图形(三角网格面)；

手持任意扫描, 随身携带，只有0.83kg；

7对十字交叉激光束+额外1束激光，扫描速度达48万次测量/秒；

自动生成STL三角网格面，STL 格式可快速处理数据；

设备操作简单，易学易用，１天即可熟练操作；

操作方便，适用范围广，可在狭窄的空间扫描，对工作环境无要求。

7三维扫描仪与传统扫描仪比较

传统接触式测量方法:采用RTK、水准仪等常规测量仪器上线测量,测量前须提前1 个月向铁路相关部门申请“天窗点”,待批复后,才能在下个月指定的“天窗点”上线测量。该方法测量周期长、成本高、安全风险大。因此,寻求一种安全、高效的既有线勘测方法具有十分重要的意义。

三维激光扫描技术是一种通过位置坐标、距离、角度、反射强度等观测数据获取对象表面的三维坐标信息,可搜集、提取地表信息和还原三维场景的观测技术。与其他遥感技术相比,具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等优点。

8.后期发展

下一步工作重点开拓展创新思维，开发三维扫描技术的新功能、新应用，发挥先进仪器的优势性能。完善当前三大测绘业务:备件测绘、几何误差分析、磨损程度分析等。深度开发三维软件的装配功能、模拟备件运动功能，实现对备件的多角度、全方面还原。

要从周边机加工企业及雕刻厂家进行业务承揽，充分利用先进仪器功能培养多元化人才及业务范围。雕刻细节地一些死角是非常难获取设计的，利用3D扫描仪对浮雕进行全方位的扫描获取数据，通过软件将所有数据和纹理自动拼接在一起，同时我们在后期对点云质量进行优化。

传统产品设计通常是设计师凭自己的产品设计理念构建产品图纸，导致产品设计周期长、难度大，具有较大风险。逆向工程作为一种非常高效的产品设计思路和方法，可以徐速、精确、方便地获取实物三维数据及模型。例如：使用传统卡尺测量建模地方法对挖斗进行逆向建模，经常会遇到速度慢、曲面测量不准确，无法对曲面进行测量等问题。在加上手持合金分析仪对材质地判断，后期可以对产品进行设计。

参考文献：

［1］中国有色金属工业协会.工程测量规范：GB50026-2007［Ｓ］.北京：中国计划出版社，2008.

［2］胡磊，彭劲松，叶波，等.三维激光扫描技术在地质灾害应急测绘中的应用［Ｊ］.测绘通报，2017（09）：154-155.