硕士学位论文—基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究 - 图文(7)

第二章 三维激光扫描系统及影响点云精度因素分析

均距离。点云厚度与测量精度成线性关系，点云厚度越厚，说明点云测量的质量越低；点云厚度越薄，则说明点云测量的质量越高。某些三维激光扫描系统可以获取目标的亮度信息，激光扫描回波亮度的研究已经很成熟，在获取点云数据过程中，不同物体回波亮度是不同的。理论上，亮度值越高，点的质量越好；亮度越低，点的质量越低。

2.4.3 目标物体反射表面粗糙程度的影响

激光扫描到物体表面的时候会发生反射，反射分为镜面反射和漫反射两种。当光线入射到光滑物体表面时，光线定向反射出去，这种反射称之为镜面反射。当光线入射到粗糙物体表面的时候，反射光线会发散到各个方向，这种反射称之为漫反射。对于理想的漫反射体，它遵循朗伯余弦定律。一个理想的漫反射体，其辐射亮度是一个与方向无关的常量，且其单位表面积向空间某方向单位立体角反射(发射)的辐射功率和该方向与表面法线夹角的余弦成正比。这个规律就称为朗伯余弦定律[36]。其数学表达式如下：

I??I0cos? (2-5)

式中，I?为与辐射表面法线夹角为?方向上的辐射强度，I0为辐射表面法线方向上的辐射强度。为了确定一个漫反射面接近理想朗伯面的程度，通常可以测量其辐射强度分布曲线。如果辐射强度分布曲线接近图2.8所示的形状，我们就可以认为它是一个朗伯面。故当入射光功率一定时，被测物表面反光性能越好，仪器接收到的激光功率越大，信噪比越高，测量精度越高。

I0IθθdS

图2.8 朗伯余弦定律示意图

三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙程度有密切关系。由于三维激光

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回波信号具有多值性的特点，有些三维激光扫描系统只能处理首次反射回来的回波信号，有些三维激光扫描系统只能处理最迟反射回来的回波信号，也有一些三维激光扫描系统能够综合处理首次和最迟反射回来的回波信号。以处理首次反射回来激光回波信号为例(如图2.9所示)，目标物体表面粗糙程度引起激光脚点的位置的偏差dS1接近于物体表面粗糙极值?max的一半。

????maxdS1物体平均表面

图2.9 目标物体表面粗糙程度引起测距偏差

2.4.4 边缘效应

激光光斑有一定的大小，当扫描仪扫描到物体边界时，仅有一部分激光信号被反射，其余的被发射到了相邻的表面或者是表面的后边界，因此在测量中边缘区域会出现所谓的“拖尾”现象，也称为边缘效应。大误差点通常会出现在从激光拐点到边界点的光线上，它引起的测距误差可能会发生几毫米到几十分米不同的变化，激光大误差点的出现是不可避免的，因为在扫描过程中无法确定光斑在被测物体的表面的尺寸，因此边缘“拖尾”对点云质量的影响是不容忽视。如图2.10所示，在扫描乒乓球时，边缘出现了明显的边缘“拖尾现象”。

边缘效应主要是激光同时接收到了目标边缘和目标背后物体的反射光而引起的，因此，在扫描过程中，根据需求适当增大扫描分辨率可以有效地减弱边缘效应的影响。

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第二章 三维激光扫描系统及影响点云精度因素分析

图2.10 边缘效应影响

2.4.5 激光光束不均匀

在实际应用中大多数的三维激光扫描仪采用的是基于激光脉冲的时间测量来进行测距。由于激光具有发散特性，在测距过程中激光束发散存在着光强分布不均匀现象(如图2.11)，使得激光束到达被测物体表面时光斑大小不均匀变化影响着点云的分辨率，以至于定位出现不确定性。文献[37]对激光发散性进行了数学推导。

图2.11 激光光束不均匀性

假设激光光束成圆形发散，则有如下关系：

W(?W)?W01?(??W2) (2-6) 2?W0式中，?W是与激光发射位置有关的距离参数，W0是被测实体表面的光斑。

地面三维激光扫描仪距离测量是沿着光束中心线测定的，由于激光存在不均匀发散现象致使真正的点位难以准确获取，同时，在扫描实体之前，实体的位置和形状也是未知的，因此需要一个可靠的模型来量化激光光束的不确定性。假设

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激光光束的直径是?，角度定位变化为(?,?)，根据密度公式可以得出光束宽度的不确定性公式如下：

２?4２２? ?＋?＜?2　4???Pb(?,a)?? (2-7)

??２２２?0　 ?＋??4?密度方程的特性是等方性和在任意维数的均值都为0，依据经验判断激光束位置的不确定性约为发散光斑直径的1/4，即有下式

?????b????????2?P(?,a)d?d??? (2-8) ?b4如果假定认为角度采样间隔?在?和?方向是相等的，那么可以得到定位中和实际目标中心一致的可能性与采样间隔有直接关系，由密度公式可得：

???1 ??,?? ??22? (2-9) Ps(?,?)?????0 ??,?? ?22?可以得出中心点定位的标准偏移公式如下：

?????Pc???????2??Ps(?,a)d?d????23 (2-10)

多数的地面三维激光扫描仪在瞬时值Ps(?,?)在?和?方向是相等的，绝对定点的误差一般只与水平角的测量有关，在少数情况下定位误差也受仰角的影响。光束发散的影响造成质心的不确定性，可以通过减少质心计算的点数目，来尽量减小定位的偏差。

在实测过程中，针对扫描目标重点部位，可以采用单点精测的方法来减小激光光束不均匀的影响。

2.4.6 外界环境的影响

环境因素，如温度，气压，相对湿度，光照，振动因素对测量误差均有影响，引起了难以控制的变化。环境因素造成的误差主要包括：

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(1) 激光束在大气中传播变形。激光在空气传播时由于激光衰减导致回波形状变形从而影响激光测距带来测量误差，导致激光衰减的原因很多，主要包括：散射、吸收、激光波长、激光发射点到目标的距离、温度、气压、大气的气态组成以及空气中各种微粒的影响等。

(2) 激光传播速度变化。测距的精度直接受到激光光束传播速度的影响，然而光速和空气中的折射率有关系，折射率是关于温度、气压，相对湿度和空气中二氧化碳成分的函数。另外，大气波动造成环境温度的随机变化从而引起的空气密度波动以及大气湍流等因素影响，使激光在不同温度下传播造成激光弯曲也会导致测量误差。

(3) 恶劣天气的影响。恶劣天气如雾、灰尘、烟、雨水、雪以及大风等环境下测量会大大降低三维激光扫描数据质量，这些因素会导致激光扫描时产生像素差和反射错误。

另外辐射的干扰、三脚架不稳定、地面震动、扫描仪在扫描过程中的冲击以及大风导致扫描仪的平移和旋转振动等均会带来测量误差。因此，在实地测量过程中选择良好天气、使用稳定的支架设备以及选择稳定的测量位置等可以减少外界环境造成的影响，三维激光扫描系统可以进行温度气压改正，所以在扫描之前准确测量实时温度、气压将其输入到扫描软件中可以提高测量精度。

2.5 实验结果分析

实验仪器使用Trimble GXTM三维激光扫描仪。扫描对象是粘贴在平面上的不同颜色、不同粗糙程度的纸片以及混凝土和大理石表面，如图2.12所示。

图2.12 实验扫描对象

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