地面激光掃描儀鑒別率檢定方法的研究

王守國

(天津海事局海測大隊，天津300220)

地面激光掃描儀鑒別率檢定方法的研究

王守國

(天津海事局海測大隊，天津300220)

首先區分鑒別率與分辨率的相互關系，在此基礎上研究地面激光掃描儀鑒別率的檢定設備、檢定方法。研究結果可為我國地面激光掃描儀檢定規程的制定提供參考。

地面激光掃描儀;鑒別率;鑒別率檢定板;檢定方法

一、引 言

三維激光掃描技術是一種采用非接觸、主動測量方式快速獲取被測物體表面海量采樣點三維坐標的高新技術，國內外許多專家都認為三維激光掃描技術是繼GPS技術之后測繪儀器領域的又一個里程碑式的技術進步。自1997年美國Cyra技術公司生產世界上第一臺地面激光掃描儀(terrestrial laser scanner，TLS)以來，現已有多個生產廠家生產出測程及精度各異的多種儀器。TLS也早已在考古、古建筑修復、建筑施工、計量檢測、模型仿真、機械設計、工業檢測、交通事故現場重建等行業得到了廣泛的應用，目前也已經開始應用到工程測量、變形測量等傳統測繪領域。這項新技術在測繪行業的應用將進一步拓寬測繪技術的服務領域。

作為一種新型測量設備，人們自然會關注其測量精度及測量成果的可靠性，以便更加合理有效地使用TLS。為此，國外諸多研究機構從2000年就開始系統地研究TLS的誤差源、檢定方法及檢定設備，已經取得了豐碩的成果［1－2］。但國內還主要是關注TLS在各種工程中的應用，缺乏對TLS的誤差源、檢定方法及檢定設備等的研究。由于TLS的檢定項目眾多，無法在本文中全都涉及，本文僅研究TLS鑒別率的檢定。

二、分辨率與鑒別率

1.鑒別率的定義

按照原國家質量技術監督局的定義，鑒別率是指當測量儀器在某一示值給以一定的輸入，這種激勵變化緩慢從單方向逐步增加，當測量儀器的輸出產生有可覺察的響應變化時，此輸入的激勵變化稱為鑒別率［3］。產生鑒別率的原因與儀器的內外部噪聲等有關。

對TLS而言，鑒別率則是指用點云數據能夠區分與測量方向垂直的表面上的縱橫方向上點位差異的能力［4］。通俗地講就是通過對點云數據進行處理后，獲取被測物體最小縫隙的能力，即當被測物體表面的縫隙多寬時，利用點云數據才能夠清晰地識別出來。

2.分辨率的定義

TLS的分辨率是指掃描點的采樣間隔，反映了對被測物體掃描的精細程度。在對被測物體進行掃描之前，要依據激光束發散角的大小以及距離的遠近設置TLS的分辨率。圖1表明不同分辨率所獲取掃描數據的情況。

圖1 地面激光掃描儀分辨率與點云數據［5］

從鑒別率與分辨率的定義可以看出，二者是不一致的。鑒別率需要通過一定的檢定設備和檢定方法才能夠獲得，而采樣率則可以在TLS上進行設置。鑒別率受采樣率、測距光束發散角、測距光束入射角、測距信號處理能力及返回的受噪聲污染的測距信號等的影響，影響量的大小隨距離測量偏差改變，因此TLS的鑒別率直接與被測距離相關。

三、鑒別率的檢定方法

1.檢定設備

鑒別率的檢定是采用B?hler－Sterne鑒別率板來完成的。它是由德國美因茨高等專業學院的B?hler－Sterne博士于2002年設計完成的［4］，經過多次改進，形成目前的形式［2］，如圖2所示。

鑒別率板由前、后兩個相互平行的平板組成，在兩個平板上均涂有薄薄的漫反射材料，兩個平板之間的間距為b。前面的平板有規律地開鑿出一些扇形縫隙，每個扇形的中心角相等，為γ。由于制造工藝的限制，在扇形中心點有一個半徑為r0的圓無法開出縫隙。通過設置扇形縫隙的不同位置，能夠使TLS掃描一個扇面時，獲得從r0·γ至rmax·γ范圍內的不同縫隙寬。鑒別率AV(D)用B?hler－Sterne鑒別率板上最小縫隙的寬度rmin·γ來定義。

B?hler－Sterne鑒別率板的大小及形狀等參數需要先進行檢測，其檢測結果的測量不確定度為被檢參數的1/3。

圖2 B?hler－Sterne鑒別率檢定板［2］

2.檢定方法

由于鑒別率直接與被測距離相關，因此在檢定鑒別率時，至少需要將B?hler－Sterne鑒別率板放置到3個位置上進行檢定。選擇這3個距離時，應考慮鑒別率板至TLS的距離均勻分布在生產廠家和儀器使用者共同認可的范圍內。

B?hler－Sterne鑒別率板安置到每個位置后，必須以小于 1°的測量不確定度進行準直;B?hler－Sterne鑒別率板至儀器的距離，也必須進行測量，其測距精度為被檢參數的1/3。安置完B?hler－Sterne鑒別率板后，需要采用統一的分辨率對鑒別率板進行完全掃描。

3.數據處理

(1)鑒別率板準直方向的確定

首先計算出TLS與鑒別率板的準直關系。在確認測量點位于B?hler－Sterne鑒別率板前面的擋板上時，這些點才能夠作為計算“實測平面”的原始數據。按最小二乘法計算的原理，依據這些選定的測量點計算出“實測平面”，該平面的法線向量n(如圖2所示)即為B?hler－Sterne鑒別率板的準直方向。

(2)鑒別率的計算

采用分割數據的方法計算出掃描點至鑒別率板中心的距離vi，vi應該滿足

式中，Δr為分割數據時選擇的圓環寬，其最大值為B?hler－Sterne鑒別率板最大半徑的1/10。

在任意距離D上選定Δr后，對每一個掃描點均可以計算出前后板之間的距離差Δlj，m，再與已知值Δlj，k求差

對于每一個掃描點均按式(2)計算出ΔL并進行假設檢驗。原假設為

當以顯著水平α通過式(3)的原假設時，找出圓環的最小半徑rmin及點云分割圓環寬Δr，則TLS的鑒別率AV(D)為

四、鑒別率檢定結果

文獻［7］采用上述原理對3臺TLS進行了鑒別率檢定，其結果如表1所示。表2為這3臺儀器的技術指標。

表1 鑒別率檢定結果［7］

五、結束語

鑒別率是評價TLS品質最主要的技術指標之一，也是高效使用TLS的前提。過高地選擇分辨率不僅將耗費大量的測量時間、大量增加點云數據量，而且也無助于人為提高TLS的鑒別率。本文提供的TLS鑒別率的檢定方法和檢定設備在國外已經成功地使用多年并得到了儀器生產廠家的認可，因此該結果可為我國地面激光掃描儀檢定規程的制定提供參考。

表2 3臺TLS的技術指標

［1］ SCHULZ T.Calibration of a Terrestrial Laser Scanner for Engineering Geodesy［D］.Zürich:Die Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich，2007.

［2］ RESHETYUK Y.Investigation and Calibration of Pulsed Time－of－flight Terrestrial Laser Scanners［D］.Stockholm:Royal Institute of Technology(KTH)，2006.

［3］ 國家質量技術監督局.通用計量術語及定義解釋［M］.北京:中國計量出版社，2001.

［4］ KERN F.Prüfrichtlinie zur Abnahme und überwachung von Terrestrischen Laserscanner－Systemen－ENTWURF V1.0.1［EB/OL］.［2010－09－06］.http:∥www.xdesy. de/paper/TLSRichtlinie.06.pdf.

［5］ RIETDORF A.Automatisierte Auswertung und Kalibrierung von Scannenden Messsystemen mit Tachymetrischem Messprinzip［D］.Berlin:Technischen Universit?t Berlin，2005.

［6］ B?HLER W，VICENT M B，MARBS A.Investigating Laser Scanner Accuracy［C］∥The XIXthCIPA Symposium at Antalya.Turkey:［s.n.］，2003.

［7］ KERN F，HUXHAGEN U.2008.Ans?tze zur Systematischen Kalibrierungund Prüfung von Terrestrischen Laserscannern(TLS)［C］∥Terrestrisches Laserscanning (TLS 2008).Augsburg:Schriftenreihe des DVW，Band 54，Wiβner，Augsburg，S，2008:111－124.

Research on Verification Method for Discrimination of Terrestrial Laser Scanner

WANG Shouguo

0494－0911(2011)06－0045－03

P204

B

2010－03－02

王守國(1970—)，男，天津靜海人，高級工程師，主要從事測繪生產和管理工作。