地面三维激光扫描仪变形精度试验研究
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[摘要]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。
[关键词]三维激光扫描 点云数据 测量数据 精度评估
[中图分类号] O343.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-8-220-2
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。实验获取的是被监测对象的表面三维点云数据（两期数据，每期有多站测量数据）以及所有控制点和标靶点的高精度三维全站仪坐标数据。三维点云数据的拼接、去噪、平滑和抽稀是在徕卡Cyclone6.0软件中完成的，Cyclone三维数据处理软件的主要模块有Cyclone-SCAN、Cyclone-REGISTER、Cyclone-MODEL、Cyclone-SURVEY等模块，可控制徕卡扫描仪完成点云数据采集、自动扫描测量标靶点、依据标靶或点云实现点云拼接、可以导入和输出DXF、TXT等多种数据格式等强大的功能。
接下来我们把用全站仪所测量的控制点（A、B、C、D点）的测量坐标以txt文本进行存储，并在Cyclone6.0中以标靶点云的形式导入，以它为基准进行每期点云数据的坐标转换，这样整个点云数据就都在标准测量坐标系或者局部坐标系的下面，然后我们就可以进行变形分析信息的提取和误差分析。
2点变形分析与精度评估
三维点云数据经过控制点转换后，所有坐标就转换到测量坐标或者局地坐标系下面。每一个标靶点都具有三维激光扫描转换坐标和全站仪实测坐标两个坐标值，并且全站仪实测坐标值的精度要比三维激光测量精度高一个数量级。本文以全站仪坐标值为真实值来评价三维激光点的精度。根据测量中误差公式：
现将变形监测结果和精度评价列于表1。
通过表中数据可以看出，三维激光扫描测量标靶点变形监测有很高的精度，观测点的点位精度中误差分别是Mx=±0.0004，My=±0.0006，Mz=±0.0006，观测点平面误差Dxy=±0.0008，Dxz=±0.0007，Dyz=±0.0009，观测点的三维误差为Dxyz=±0.0010。
3线变形分析与精度评估
三维激光扫描是变形测量的代表，能很好的反映监测对象整体的变形信息，除去标靶点外，很难在两期点云数据之间找到其他的同名点。基于此，我们根据数值分析中插值的思想，采用三次样条插值函数拟合三次样条曲线，这样就可以得到被监测对象任何一点的变形值。首先我们以一个垂直于z轴的平面剖割点云（为了研究的方便，剖线是依据标靶点z坐标来剖割的，并且具有一定宽度的剖割），然后将剖出的点云数据以txt格式导出，最后在MATLAB软件中实现三次样条曲线的拟合。
三次样条函数的拟合是在MATLAB软件中实现的，主要代码如下：
clear
A=importdata（′C：＼Users＼lyg＼Desktop＼11。txt′）；
m=A（：，1）；
n=A（：，2）；
x=m′；
y=n′；
xx=-98.6163：0.0001：-96.7838；
yy=spline（x，y，xx）；
plot（x，y，′o′，xx，yy）
pp=spline（x，y）；
[breaks，coefs，nploys，ncofs，dim]=unmkpp（pp）；
经过上面的过程，我们就可以拟合出所需要的曲线，并对曲线进行分析。为了表示一般性，拟合过程中需要事先把标靶点剔除，这样就可以对三维激光曲线拟合的一般性进行讨论了。我们拟合出标靶点的坐标并和标靶点实测值对比，如表3。
计算的出拟合精度中误差为m=0.001377。
这样，我们在拟合的曲线y=f（x），x每间隔100mm取一个变形点，这样就可以得到线上每一个点的变形，达到我们研究被监测对象上面任何一点变形信息的研究目的。变形结果如表4。
4结语
综上所述，三维激光扫描仪的变形监测与传统的变形监测相比有很大的不同，主要体现在监测仪器、数据获取方式和数据分析的方法等方面。本文通过探讨地面三维激光扫描仪的变形精度研究工作，提出了利用三次样条插值来解决三维激光扫描变形监测中非标靶点的点变形数据处理，其结果可靠，相信在往后的变形监测中会有更为广阔的应用前景。
参考文献
[1] 谢宏全；高祥伟；邵洋.地面三维激光扫描仪测距精度检校试验研究[J].测绘通报.2013年第12期.
[2] 欧斌；孔祥玲.固定式地面激光扫描仪变形测量精度分析[J].测绘.2013年第01期.