三维激光扫描技术通过远距离非接触式高速扫描被测物体,获得被测物体轮廓表面三维阵列式点云数据,通过对点云数据的进一步分析和处理,便可得到被测物体的三维信息。该技术以其高效采集、非接触式测量等特点尤其适用于现场环境恶劣、被测零件尺寸过大的工业测量领域。然而,在激光扫描过程中,受多种误差因素的综合影响,采集得到的三维点云数据不可避免地存在一定偏差,进而影响最终测量结果的准确度。因此,有必要对三维激光扫描系统的测量精度做出不确定度评价。目前的研究多仅限于原始点云数据的误差分析及单一测点的不确定度评价,而对于点云中作为被测对象的几何特征的测量不确定度评价却鲜有研究。本文以一种脉冲测距式三维激光雷达测量系统为研究对象,分析其扫描点云数据的误差传播规律,基于误差椭球理论建立了多种点云几何特征的测量不确定度模型,同时有针对性地提出减小测量误差的策略。具体的研究工作内容包括:(1)建立激光雷达扫描测量系统的点位误差模型及空间误差分布。首先分析测量系统的主要误差来源,然后通过误差传递规律推导出单一测点的误差分布,并基于误差椭球理论建立了单一测点的点位误差椭球模型,进而获得测量系统点云扫描的空间误差分布。(2)基于误差椭球理论的多种点云几何特征的测量不确定度研究。基于单一测点的点位误差椭球模型,建立了多种几何特征的点云误差分布图。基于RANSAC拟合算法的思想提出了“关键点”理论,并据此将单一测点的误差椭球模型扩展到了多种几何特征的点云测量不确定度模型,包括点-点间距、点-面间距、面-面间距及圆柱半径的测量不确定度等,并进行相关实验加以验证。此外,对点云数据从采集到处理的各个环节,有针对性地提出了提高点云测量精度的策略,其有效性也通过相关实验得以验证。(3)三维激光雷达测量系统上位机软件的开发。软件共分为电机控制模块、雷达通讯模块及数据处理模块。在LabVIEW平台完成电机控制及雷达通讯两个模块的开发以实现点云数据的采集;通过C++结合Point Cloud Library(PCL点云库)完成点云数据处理模块的开发以实现点云滤波、点云分割、RANSAC几何特征识别及相关尺寸的测量功能,最终建立一套完整的三维激光雷达测量系统。