第 21 卷 第 2 期 ( 总第 129 期) 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 Vol. 21No. 2 ( Series No. 129 ) COAL MINING TECHNOLOGY April 2016 三维激光扫描仪测量精度的快速检查方法 段龙飞，李培现，李雪松，谢艳清，詹佳琪 ( 中国矿业大学 ( 北京) ，北京 ) 100083 ［摘 要］ 地面三维激光扫描仪作为一种高精密的测量仪器，可以为测绘等领域提供海量基础 数据。为了实时快速对其测量精度进行检验，基于实践经验，在应用重心类方法获取球体中心坐标信 息的基础上，通过对比高精度全站仪和三维激光扫描仪相应数据，对三维激光扫描仪的点位精度、测 距精度和点云拼接精度进行了快速检验。 ［关键词］ 三维激光扫描仪; 点位精度; 测距精度; 点云拼接精度; 检校 ) ［中图分类号］ TD172 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1006-6225 2016 ( 02-0114-04 Ｒapid Detection Method of Point Precision of 3-D Laser Scanner ］ 1－ 2 。 。 为 P20 ，徕 卡 2mm@ 25m 4mm @ 150m GLS－2000 为 据的能力，为测绘等领域提供基础数据 的地面三维激光扫描仪如拓普康 精度 为 地面三维激光扫描仪具有快速获取海量点云数 现今主流 的测量 ， 6mm @ 100m 等，精度可以达到毫米 但是，扫描仪在获取数据时不可避免地会 种: 仪器系统误差 ］ 3 FAＲO X330 级［ 产生误差，误差来源主要有 目标反射物产生的误差和外部环境造成的误差［ 。 仪器系统误差必须通过日常的仪器检校工作使其影 因此，当地面三维激光扫描仪经过长时 响最小化 间使用 震动或其他原因导致其测量精度降 低甚至发生测量错误时，必须对地面三维激光扫描 仪做定期精度检校工作 。 磨损 、 、 、 3 。 K 。 。 。 的方法 目前国内针对地面三维扫描仪的测距检测方法 比较单一，通常采用六段解析法来检定三维激光扫 描仪的测距精度 六段解析法是一种不需要知道基 线的精确长度，而采用全站仪本身的测量成果，通 过间接平差计算求出加常数 它不受对 该方法对于测距精度的检 中误差及乘常数的影响 验精度较高，但是相对比较繁琐 国内的许多学者 对六段解析法进行了研究，如蔡庆生应用六段解析 ］; 法检定了徕卡 谢宏泉采用六段解析模型，并通过 编程验 证了徕卡 测距范围 测距范围内和 ］; 刘春分析了激光扫描 外的测距精度变化规律［ 仪的主要误差来源，介绍了三维激光扫描仪的检校 大气影响等方面，对 原理和方法，从测距 ］; 冒爱泉利 激光扫描仪的精度进行测试和评定［ 的精度满足出厂的精度要求［ Matlab 测角 50m 50m C10 C10 在 。 、 、 5 6 4 7 验证了该方法的精度［ 用高精度基线场，通过基线比较计算扫描仪的加 、 ］; 张启福提出了基 乘常数，给出误差改正模型［ 于简易六段解析法的测距精度检校方法，并通过 本文通过 ＲIEGL VZ－400 三维激光扫描仪扫描特定靶标球，应用重心类方法 获得球体的中心位置信息，然后将获得的目标点位 置求差获得斜距值，通过对比不同基线之间的斜距 值来分析扫描仪的距离观测精度，从而达到快速检 验地面三维激光扫描仪点云数据精度的目的 。 ］ 8 。 1 试验方案 。 。 、 、 由于三维激光扫描仪具有 靶标扫描和棱镜扫描 针对工程应用中的实际问题，本文进行了仪器 点云拼接精度和靶标精度的快速检 的测距精度 种扫描模式: 点云 校 3 。 扫描 根据各种扫描的特 点，在点位精度检验时采用点云扫描模式，以更好 地获取靶标中心位置信息 1. 1 点位精度检验 1. 1. 1 点位精度检校试验平台的设计 选择 140mm 直径的靶标及其配套的棱镜作为 扫描仪及全站仪观测的目标对象［ 为了保证靶 标能够平稳地放在凹陷区域，同时保证扫描仪可以 获得足够点云数据来拟合中心位置坐标，试验设计 了一个下向凹陷的磁块作为支撑台，凹陷的部分保 证与靶标相互吻合 所示黑色长方体为磁性 支架，圆形为靶标，测站位置上架设扫描仪并对中 整平 号靶标作 。① 为检校点 号点之间的角度保持在 号靶标作为基准点， 号点和 ②、③ 如图 和 。 。 ④ 9－11 1 ］ 。① ③ 45 ［收稿日期］ 2015－08－31 ［基金项目］ 中国矿业大学 ( 北京) 大学生创业训练项目 ( ［作者简介］ 段龙飞 ( 1985－) ，男，山西长治人，在读博士生，从事 3S 及其应用研究。 ［引用格式］ 段龙飞，李培现，李雪松，等 . 三维激光扫描仪测量精度的快速检查方法 ［ ］ J 201511413077 ］ ［ DOI ) ; 中国矿业大学 ( 北京) 大学生创新训练项目 ( 10. 13532 / j. cnki. cn11－3677 / td. 2016. 02. 030 C201502027 ) . 煤矿开采， 2016 ， 21 ) : ( 2 114－117. 411 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

段龙飞等: 三维激光扫描仪测量精度的快速检查方法 2016 年第 2 期 ～ 90° 之间 。 ① 。 和 ②、③ ②、③ 1. 1. 3 点位测量精度检验 ① 首先将靶标放置在 号点位置上，扫描 号点 获取球面点云数据，通过软件处理拟合出球体中心 号点位置， 位置信息 获取 取下扫描 仪，放置全站仪并对中 整 平 ④ 号球体的中心位置信息 然后再顺序扫描 和 ①、 位置上放置配套棱镜 ( 球形靶标和球 ②、③ 型棱镜的半径大小相等，以保证获取的点位坐标一 个棱镜位置，记录全站仪的观测 致) ，顺序观测 为了减少观测误差，采用多次观测取平均值作 值 为真实的观测值 类 似 地 分 别 在 和 ④ 。 。 ④ 。 4 。 。 1. 1. 2 以全站仪数据为基准，通过比较其与 节 计算所得靶标中心坐标数据，对点位测量精度进行 检校 1. 2 测距精度检验 依据点位精度检验计算所得中心坐标，计算各 个点之间的距离，并与全站仪计算所得相应点间距 进行对比分析，若互差超过限值，则仪器测距精度 不达标，应进行重新检校 1. 3 点云拼接精度检验 选取具有一些明显特征点的空地，采用测站 / 后视的扫描方式逐站扫描并获取三维点云数据和影 像数据 在影像数据上选取并标注路面上的特征 。 使用高精度全站仪观测已标注特征点，获 点［ 然后对点云数据进行后处理，提取 取其坐标数据 特征点的三维坐标信息，将其与全站仪观测值进行 对比分析，若两者最大差值超过限值，则点云拼接 精度不满足工程需要 。 。 。 ］ 13 。 2 试验数据 试验选用拓普康的 1″ 级高精度全站仪 描仪和 光扫描仪的测距精度为 度为 6mm@ 50m。 2. 1 点位精度检验 GLS－1500 。GLS－1500 4mm@ 150m 地面三维激光扫 地面三维激 ，靶标测量精 号点 ( 使用三维激光扫描仪分别扫描 ) Pt2 、3 号点 ( 号点 ( Pt1 、 ) 获 2 取球面点云数据，应用重心类方法获取拟合点的中 利用全站仪获取球体中心坐标值，两者之 心坐标 间的差值见表 1 号点 ( ) 和 Pt3 Pt4 。 4 ) 1。 表 1 位置观测误差值 ( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 图 1 点位精度检验设计台 1. 1. 2 靶标中心位置坐标提取方法 靶标中心坐标提取过程步骤为: 初次拟合平 面; 噪声点剔除; 拟合平面; 重心类提取中心坐 标 。 ) 初次拟合平面 ( 1 平面的一般方程表达式为: z = a0 x + a1 y + a2 令 最小，则: S ( = 0 k = 0 ， 1 ， 2 ) S ak a0 x1 2 + a1 y1 2 + a2 － z1 2 ) 2 ( n －1 S = Σ i = 0 即         n ∑ i = 1 n X2 i ∑ i = 1 Xi Yi ∑ i = 1 Y2 i ∑ i = 1 n ∑ i = 1 n n Xi Yi ∑ i = 1 n ∑ i = 1 Yi Xi ∑ 解此可求出 i = 1 n n Yi Xi        N ， a2 式 。         a0 a1 a 2 =         Xi Zi Zi Yi n ∑ i = 1 n ∑ i = 1 n Z i ∑ i = 1         ， a0 a1 ，即可求出平面的表达 ) 噪声点剔除 ( 2 以点到平面的距离与所有点到平面距离的平均 [ ] ΔΔ n －槡 1 值之差为 Δ ，则中误差为 δ = ，以二倍中 误差为阈值，若距离差值大于阈值，则剔除该点 。 ) 拟合平面 ( 3 噪声点剔除后的数据再次拟合平面，过程同初 次拟合平面 。 ) 重心类提取中心坐标 ( 4 取所有点云坐标数据的平均值为靶标的中心坐 标值，即 n x = ∑ i = 1 Xi / n ; n y = ∑ i = 1 Yi / n ; n z = ∑ i = 1 Zi / n ( ) 4 点号 Pt1－Pt2 Pt1－Pt3 Pt1－Pt4 全站仪斜距值 扫描仪斜距值 误差值 / mm / m / m 7. 7325 7. 6219 7. 6825 7. 7299 7. 6203 7. 6812 2. 6 1. 6 1. 3 511 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

总第 129 期 煤 矿 开 采 2016 年第 2 期 。 通过求取两种手段获取的基准点和检校点的中 心坐标的差值来判断地面三维激光扫描仪点位精 通过对比数据可以得出，地面三维激光扫描仪 度 的点位精度满足其标称精度，可以进行正常的工程 应用数据采集工作 。 2. 2 测距精度分析 使用地面三维激光扫描仪的靶标测量功能，顺 号 点 序获 取 所 有 靶 标 位 置 ( 号 点 4 ( 通过点 位距离计算公式计算基准点和离散靶标点之间的斜 距值，见表 ) ) 的三维坐标信息，记录靶标观测量 号 点 ( 号 点 ( ) ) 和 号 点 ( 、1 、3 、2 Pt0 Pt2 Pt1 Pt3 Pt4 。 0 ) 2。 表 2 靶标测量距离值 观测数据 平距 斜距 Pt0－Pt1 0. 055 19. 718 Pt0－Pt2 0. 258 49. 524 Pt0－Pt3 0. 406 50. 033 m Pt0－Pt4 1. 576 51. 261 使用全站仪顺序观测所有靶标位置的三维坐标 信息，通过点位距离计算公式计算基准点和离散靶 标点之间的斜距值，见表 3。 表 3 全站仪原始观测值及斜距离值 点号 Pt0 Pt1 Pt2 Pt3 Pt4 X 979. 327 981. 568 Y 2051. 907 2032. 315 1003. 733 2008. 813 1004. 987 2008. 954 1005. 879 2008. 085 Z 11. 867 11. 929 12. 126 11. 462 10. 293 m 斜距值 19. 720 49. 526 50. 036 51. 263 对比分析靶标观测量的斜距值与全站仪观测量 的斜距值，见表 4。 表 4 靶标与全站仪观测量的斜距值对比 Pt1 点号 – – – Pt3 – Pt4 Pt2 Pt0 Pt0 Pt0 Pt0 靶标斜距值 / m 全站仪斜距值 / m 误差值 / mm 19. 718 49. 524 50. 033 51. 261 19. 720 49. 526 50. 036 51. 263 2. 0 2. 0 3. 0 2. 0 。 通过求取两种手段获取的基准点和检校点之间 的距离的差值来判断地面三维激光扫描仪测距精 通过对比数据可以得出，地面三维激光扫描仪 度 的点位精度与拓普康 的测距精度相差不 大，满足其标称精度，可以进行正常的工程应用数 据采集工作 2. 3 点云配准精度检验 GLS－1500 点云配准是指把不同坐标系统下的点云坐标转 在摄影测量中，匹配的方法 换到统一的坐标系下 是在像方找到相邻影像的同名点，再映射到空间 方，解算出相邻模型的空间相似变换参数，以此拼 通过此方法来进行点云配准，需要保证有 接影像 。 。 。 611 。 但是由于地面三 精度足够好的公共靶标点云坐标 维扫描仪本身精度的局限性，设站位置的不同，外 界环境的影响，公共靶标中心反射率的强弱 靶标 靶心提取的误差等因素，都会影响 的材质和粘贴 点云数据的拼接精度［ 按照测站后视的方法依 。 次分站扫描路面，获得 站扫描数据，见图 、 、 ］ 14 7 2。 图 2 拼接后的点云数据 通过影像数据选取清晰可辨的特征点 ( ，简称 ) ，利用全站仪或者 Control 获取路面 GPS Point 特征点数据，见表 CP 5。 表 5 检验点坐标 点号 CP1 CP2 CP3 CP4 CP5 CP6 CP7 X Y 4404083. 1388 459649. 7598 4404086. 9015 459653. 9419 4404090. 9298 459658. 2717 4404079. 6797 459653. 3079 4404084. 5715 459661. 2055 4404084. 5715 459655. 2603 4404081. 6750 459563. 4359 m Z 14. 0947 14. 0783 14. 0549 14. 1579 14. 1368 14. 1080 14. 0778 将点云数据和影像数据融合，获得带 色 观测的特征点数据导入至 ＲGB 的点云数据，再将 点云数据中，其位置关系如图 GPS 所示 。 3 图 3 特征点信息对比 通过量测功能，量取 GPS 据和点云对应的特征点数据在 的误差值，如表 所示 。 路 面特征点数据在 6 仪获取的特征点数 ， 个方向 和 X Y Z 3 和 ， Y Z 3 个方向的中误 X 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

段龙飞等: 三维激光扫描仪测量精度的快速检查方法 2016 年第 2 期 点号 CP1－r1 CP2－r2 CP3－r3 CP4－r4 CP5－r5 CP6－r6 CP7－r7 中误差 表 6 数据精度对比 m X 0. 0021 0. 0335 0. 0052 0. 0023 0. 0295 0. 0305 0. 0210 0. 0238 Y 0. 0532 0. 0221 －0. 0077 0. 0261 0. 0135 －0. 0143 －0. 0039 0. 0273 Z 0. 0023 0. 0007 0. 0001 0. 0021 0. 0022 0. 0001 0. 0002 0. 0016 ， 0. 0238m ，拼接 差值分别为 后的成果满足一般工程产品的制作精度要求，可以 进行正常的工程应用数据采集工作 0. 0273m 0. 0016m 和 。 ［ ］ 9 3 结 论 1″ 以 级高精度全站仪所测数据为基准，基于 重心类方法提取出靶标中心位置信息，通过设计简 易的检测平台，对三维激光扫描仪精度进行了检 验，从而达到了快速检验三维激光扫描仪精度的目 的，为地面三维激光扫描仪精度的定期检验提供了 一种有效的解决方法 。 绘与空间地理信息， 2015 ］ 谢宏全，高祥伟，邵 洋 ［ 5 . ， ( ) : 1 38 地面三维激光扫描仪测距精度检 217－221. 校试验研究 ［ ］ J ［ ］ 刘 春，杨 伟 6 . . 测绘通报， 三维激光扫描仪对构筑物的采集和空间建 25－27. 2013 ) : 12 ( 模 ［ ］ J 工程勘察， ， ( ) : . 34 ］ 冒爱泉，朱益虎，郝思宝，等 ［ . 7 评方法和误差改正模型研究 ［ ］ J 2006 49－53. 4 地面三维激光扫描仪精度测 测绘通报， 2014 ( ) : 2 72 . －75. ］ 张启福，孙现申，王 力 ［ 8 . 基于简易六段法的 ＲIEGL VZ－400 激光扫描仪精 度 测 试 方 法 研 究 ［ ］ J ( ， ) : 3 63－66 81. ， Yuriy Ｒeshetyuk Milan Horemuz ， Lars E. Sioberg Determination 工 程 勘 察， ， 39 2011 . of the optimal diameter for spherical targets used in 3D laser scan- ， ning Survey Ｒeview ， 2005 ， 38 ( 297 ) : ［ ］ 10 Balzani ， M. ， Pellegrinelli ， A. ， Perfetti 243－253. ， N. and Uccelli ， F. ， 2001. A terrestrial laser scanner : 18 th International Symposium CIPA 2001 accuracy tests. Proceedings of ) ， ， ( Potsdam Germany September 18－21 : 445－453. ， ［ 11 ］ ， Shultz T. and Ingensand ， H. 2004. Terrestrial Lalser scan- ning-Investigations and Applications for High Precision Scan- ning. Proceedings of FIG Working Week ， Athens ， Greece ， May 22 －27. http : / / www. fig ， net / pub / athens /. ［ ］ 官云兰，詹新武，程效军，等 12 一种稳健的地面激光扫描靶 . ［参考文献］ 标球定位方 法 ［ ］ J ， 49. 工 程 勘 察， ， 36 ( 10 ) : 2008 . 42 － 45 ［ ］ 梁建军，范百兴，邓向瑞，等 13 三维激光扫描仪球形靶标测 . 地面三维激光扫描仪的检校与精 . 量方法与精度评定 ［ ］ J . 工程勘察， 2011 ， 39 ( ) : 2 81 －84 ］ 刘 春，张蕴灵，吴杭彬 ［ 1 工程勘察， 度评估 ［ ］ J 2009 ］ 陈允芳，叶泽田，谢彩香，等 ［ 2 . 光扫描仪三维 数 据 采 集 与 建 模 ［ ］ J ( ， ) : . 5 77. ］ 陈俊杰，闫伟涛 ［ 3 91－92 . ， 37 ( 11 ) : . IMU / DGPS ， 66. 56－60 辅助车载 测 绘 科 学， CCD 2006 及激 ， 31 工程勘察， 法研究 ［ ］ J 地面三维激光扫描仪测距检校与精度评定 ［ ］ J 53－57. 2013 ， ) : ［ ］ 蔡庆生 4 41 8 ( . . . ［ 14 ］ 王 研，张晓林，李晓飞，等 . 激光扫描仪对点云的提取 ［ ］ J ( ) : 4 81－83. 影像密集匹配技术辅助三维 测绘技术装备， ， 16 2014 . 究 ［ ］ J . 同济大学学报 ( 自然科学版) ， 点云配准误差传播规律的研 ) : ， ( 2009 37 12 测 . 1668－1672. ［责任编辑: 施红霞 ］ 基于激光点云的平面靶标中心坐标提取方 ［ ］ 程效军，施贵刚，王 峰，等 15 . 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 ( 上接 72 页) 充分开采条带煤柱的稳定性进行分析，依据数值试 验结果设计了条带开采的方案，主要结论如下: 林南仓煤矿矿井构造特征 ［ ］ J ( ］ 王 猛，朱炎铭，袁 伟 ［ 2 ［ ］ 张显峰，静国峰，刘进文 3 林南仓矿煤层群上行开采技术实 黑龙江科技学院学报， 382－386. 2006 ) : 6 . . . ( 1 ) 应用 FLAC3D有限元程序对 煤层不同开 采宽度上覆岩层的移动破坏过程进行了数值模拟计 算，认为采动程度是控制该采区地表移动和变形的 主要因素，并给出了极不充分开采采出宽度的计算 方法 12 。 ( ) 设计了 12 2 ，留宽 煤采宽 证了方案的可行性 60m 70m 。 煤层的条带开采方案，确定 12 的开采方案，实际应用验 ［参考文献］ ］ 刘金辉，张 峰 ［ 1 . 损坏原因分析 ［ ］ J 林南仓矿业分公司风井工业场地及风机房 矿山测量， 2006 ( ) : 2 69－71. . 践 ［ ］ J 2011 ［ ］ 丁立峰，霍志朝，赵春景 4 . . 矿山测量， ( ) : 66－68. 1 林南仓矿东一采区煤 裂隙带高度确定技术及开采方案 ［ ］ J ( ) : . 8 61－63. 12 煤炭工程， 覆岩导水 ， 43 2011 ［ ］ 刘建庄，王作棠，宫平阳，等 5 . 林南仓矿软岩巷道底鼓综合 治理技术实践 ［ ］ J 煤炭工程， ) : ( 9 开滦林南仓矿构造发育规律研究 ［ ］ J 2011 ， 43 ［ ］ 宋恩春 6 . . 50－52. 水力采煤与 . 管道运输， 2010 ］ 郭乃厚，刘曙聪 ［ 7 ( . 17－20+95. ) : 2 林南仓矿软岩巷道支护 ［ ］ J . 建井技术， 84－85. ) : 林南仓矿膨胀性岩石中的巷道施工经验 ［ ］ J S2 . 建井 . 1986 ( ) : 3 26－29. 极不充分开采地表移动预计方法及建筑物深部压煤 ． ］ 开采技术的研究 ［ D ． 北京: 中国矿业大学 ( 北京) ， 2000. ［责任编辑: 李 青］ 711 1996 ( ］ 曲光春 ［ 8 技术， ［ ］ 郭增长 9 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net