三維激光掃描儀點(diǎn)位精度檢測(cè)研究

王鳴霄,戴相喜,王正強(qiáng)

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

三維激光掃描儀點(diǎn)位精度檢測(cè)研究

王鳴霄?,戴相喜,王正強(qiáng)

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

三維激光掃描儀掃描作為一種新型的地物三維坐標(biāo)快速獲取手段，具有傳統(tǒng)測(cè)量手段很多無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了解其掃描所得點(diǎn)的實(shí)際精度，以便確定其適用領(lǐng)域，本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采用三維激光掃描儀和全站儀重復(fù)測(cè)量的方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，得到三維激光掃描儀精度的基本情況，為確定其適用范圍提供數(shù)據(jù)支持。

三維激光掃描儀；LiDAR；全站儀

1 引 言

地面三維激光掃描技術(shù)是整個(gè)三維數(shù)據(jù)獲取和重構(gòu)技術(shù)體系中最新的技術(shù),真正做到了直接從實(shí)物進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)。無(wú)需作任何實(shí)物表面處理,就可以獲得景深長(zhǎng)、避免光學(xué)變形因素帶來(lái)誤差的實(shí)體表面位置數(shù)據(jù),激光點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)都是直接采集的目標(biāo)真實(shí)位置數(shù)據(jù),進(jìn)而使得供后處理的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。三維激光掃描技術(shù)正因?yàn)槠浍@取速度快、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、全數(shù)字化等特點(diǎn),并且能夠制作形式多樣的數(shù)字產(chǎn)品等突出優(yōu)勢(shì)[1]。激光掃描測(cè)量?jī)x器的精度也影響三維點(diǎn)云模型的建立和應(yīng)用,因此地面三維激光掃描儀的檢校與精度評(píng)估對(duì)于三維激光掃描儀的有效應(yīng)用是十分必要的[3]。本文采用全站儀對(duì)同一測(cè)量區(qū)域分別使用地面激光掃描儀和全站儀進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,并選取幾何特征點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比,初步得到三維激光掃描的掃描精度,為三維激光掃描儀進(jìn)一步使用提供精度方面參考。

2 三維激光掃描儀工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)(可選)、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、軟件控制平臺(tái),數(shù)據(jù)處理平臺(tái)及電源和其他附件設(shè)備共同構(gòu)成。

目前市面上主流的三維激光掃描儀有脈沖式和相位式。其主要工作原理如1所示,首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)(震蕩)棱鏡,射向被測(cè)物體,然后通過(guò)探測(cè)器,接收并記錄反射回來(lái)的激光脈沖[5],最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識(shí)別處理的數(shù)據(jù)信息。

三維激光掃描儀的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)一般包括激光光束的水平角、垂直角、距離值、反射強(qiáng)度,如配備有數(shù)碼相機(jī),通過(guò)后期處理可匹配色彩信息。通過(guò)數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)由大量離散的點(diǎn)組成,稱為點(diǎn)云,包含信息有:點(diǎn)位坐標(biāo)、反射強(qiáng)度和顏色信息(或灰度信息)。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯構(gòu)建三維模型,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示和應(yīng)用。在數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中主要的誤差源有:點(diǎn)位誤差(系統(tǒng)誤差和偶然誤差)和建模誤差。本文通過(guò)對(duì)點(diǎn)云精度和模型精度的分析,分析總結(jié)通過(guò)三維激光掃描儀所獲得的成果的精度情況。

圖1 地面三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

實(shí)驗(yàn)采用Riegl420i三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)試,性能如表1所示。

Riegl 420i激光掃描儀性能指標(biāo) 表1

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文三維激光掃描精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)選擇在工業(yè)廠區(qū),對(duì)架空工業(yè)管道進(jìn)行掃描、建模,然后進(jìn)行精度對(duì)比。

3.1 點(diǎn)云精度檢測(cè)

首先,在圖2場(chǎng)景下利用支架布設(shè)10組平面標(biāo)靶,每組為縱向5個(gè)標(biāo)靶,具體要求如下:

(1)在布設(shè)標(biāo)靶時(shí)利用全站儀控制每組標(biāo)靶在同一垂線上,且在支架上均勻分布；

(2)標(biāo)靶距離掃描儀距離應(yīng)大于掃描儀最小觀測(cè)距離,且小于標(biāo)靶可判讀距離；

(3)對(duì)于距離較遠(yuǎn)的標(biāo)靶應(yīng)布設(shè)在支架特征點(diǎn)處,以提高后續(xù)判讀的可靠性。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)照片

而后,利用現(xiàn)場(chǎng)RTK控制點(diǎn)將50個(gè)標(biāo)靶的中心點(diǎn)位測(cè)量到92南京地方坐標(biāo)系和吳淞高程系下；同時(shí)利用3個(gè)點(diǎn)做坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的標(biāo)靶中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到92南京地方坐標(biāo)系和吳淞高程系。

最后,將全站儀數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì),結(jié)果見(jiàn)表2所示。

點(diǎn)位比較表 表2

點(diǎn)位差值中誤差為:m0=±0.004 m

點(diǎn)位差值最大差值為:m大=0.012 m

Riegl 420i三維激光掃描儀的標(biāo)稱精度為±4 mm。本次實(shí)驗(yàn)標(biāo)靶與掃描儀最大距離為30 m,結(jié)合標(biāo)靶坐標(biāo)比對(duì)成果和標(biāo)靶至掃描儀的距離綜合分析,扣除部分點(diǎn)判讀影響,距離近的標(biāo)靶掃描精度略高。建議對(duì)于高精度掃描不宜大于30 m。

3.2 模型精度檢測(cè)

在項(xiàng)目模型的基礎(chǔ)上利用免棱鏡全站儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)體表面坐標(biāo),在內(nèi)業(yè)將全站儀獲取的坐標(biāo)與建立的模型進(jìn)行空間相對(duì)關(guān)系比對(duì)。主要比對(duì)的是點(diǎn)到模型的最近距離。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別選擇平面(選擇較平整建筑墻體)和圓管(選擇工業(yè)架空管線)進(jìn)行模型精度檢測(cè)。

平面模型比對(duì)結(jié)果如表3所示。點(diǎn)位差值中誤差為:m0=±0.024 m點(diǎn)位差值最大差值為:m大=0.058 m圓管模型比對(duì)結(jié)果如表4所示。

模型精度檢查表 表3

模型精度檢查表 表4

點(diǎn)位差值中誤差為:m0=±0.075 m

點(diǎn)位差值最大差值為:m大=0.219 m

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)圓管變形等和墻體表面的凸凹等情況綜合分析,模型精度可達(dá)到1∶500數(shù)字地圖要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)據(jù)檢測(cè)的信息表明,地面三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以非常精確地測(cè)量出實(shí)體的尺寸大小。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的單點(diǎn)位置精度和表現(xiàn)效果都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字測(cè)圖,完全可以滿足大比例尺測(cè)圖的要求。就野外測(cè)量而言,測(cè)量人員無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)控制點(diǎn)、立尺或立棱鏡等工作,就可獲取足夠的數(shù)據(jù),這在很大程度上減輕了外業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)時(shí)間。在內(nèi)業(yè)處理上,內(nèi)業(yè)人員可以借助于處理軟件的功能,有針對(duì)性地選擇處理目標(biāo),快速實(shí)現(xiàn)各種掃描結(jié)果的數(shù)字化,且掃描的結(jié)果具有重復(fù)應(yīng)用的特性。

但是,本文所進(jìn)行的試驗(yàn)均是在小范圍內(nèi)進(jìn)行,未對(duì)影響激光點(diǎn)精度的多種干擾源進(jìn)行獨(dú)立分析；而且通過(guò)三維激光掃描所獲取的數(shù)據(jù)較為豐富,同時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大,在數(shù)據(jù)處理時(shí)除了結(jié)合專業(yè)軟件外對(duì)計(jì)算機(jī)配置和人員要求較高,在推廣應(yīng)用中還有待進(jìn)一步研究。

[1] 劉浩，張冬陽(yáng)，馮健.地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)的誤差分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，10(4)：38～41.

[2] 梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪[J].測(cè)繪通報(bào)，2010(1)：53～56.

[3] 劉春，張?zhí)N靈，吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評(píng)估[A].《測(cè)繪通報(bào)》測(cè)繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇摘要集[C]；2008，1～9.

[4] 張國(guó)輝.基于三維激光掃描儀的地形變化監(jiān)測(cè)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(6)：96～97.

[5] 臧克.基于Riegl三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)的初步研究[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2007，28(1)：77～82.

[6] 張宏，胡明.三維激光掃描儀在地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2007，26(8)：16～19.

Study on Detection of 3D Laser Scanner Positional Accuracy

Wang Mingxiao,Dai Xiangxi,Wang Zhengqiang
(Nanjing Institute of Surveying,Mapping＆Geotechnical Investigation,Co.Ltd,Nanjing 210019,China)

3D laser scanner is a new fastmean to acquire 3d coordinates of ground objects,hasmany increasing incomparable advantages than traditionalmeasuringmeans and haswide application prospect.Aim to obtain the actual accuracy of its scanning data,so as to confirm its range of application；this paper designed an experiment,detection accuracy through surveying the same area using both 3d laser scanner and total station instrument,finally get the general accuracy information of 3d laser scanner,offer data support to confirm its application range.

3d laser scanner；LiDAR；total station instrument

1672-8262(2013)06-79-03

P237

B

2013—05—29

王鳴霄(1976—),男,高級(jí)工程師,主要從事大地測(cè)量、精密工程測(cè)量等方面工作。