地面三維激光掃描儀距離測(cè)量精度試驗(yàn)研究

張永彬，高祥偉，謝宏全，李衛(wèi)良

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

地面三維激光掃描儀距離測(cè)量精度試驗(yàn)研究

張永彬1，高祥偉2，謝宏全2，李衛(wèi)良2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)掃描精度的要求越來(lái)越高，儀器的測(cè)距性能是影響其掃描精度的重要因素之一。本文以徠卡C10三維激光掃描儀為研究對(duì)象，在對(duì)球形標(biāo)靶中心識(shí)別精度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)儀器的有效掃描范圍選擇10個(gè)距離進(jìn)行試驗(yàn)研究；采用拓普康902A全站儀獲取不同距離的數(shù)據(jù)，通過(guò)掃描儀對(duì)球形標(biāo)靶掃描提取儀器中心到球形標(biāo)靶中心的水平距離，分別計(jì)算出掃描儀測(cè)距的內(nèi)外符合精度。研究結(jié)果表明，在150 m距離范圍內(nèi)掃描儀的內(nèi)符合精度相對(duì)穩(wěn)定；在100 m距離范圍內(nèi)掃描儀的外符合精度能夠達(dá)到5 mm以內(nèi)；超出一定范圍后隨著距離的增加，內(nèi)外符合精度逐漸下降。

徠卡C10；距離測(cè)量；精度；球形標(biāo)靶

一、引 言

近年來(lái)，地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速，已成為空間信息獲取的重要手段。測(cè)距精度是點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的重要依據(jù)，因此掃描儀的測(cè)距精度具有重要的研究意義[1]。近年來(lái)一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定的成果。如黃釗[2]對(duì)激光測(cè)距精度進(jìn)行了研究分析；齊建偉等[3]對(duì)掃描儀測(cè)距的內(nèi)符合精度進(jìn)行了研究分析。掃描儀通過(guò)對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行掃描，獲取標(biāo)靶中心信息來(lái)對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可以進(jìn)行測(cè)距，因此掃描標(biāo)靶中心的識(shí)別精度對(duì)掃描儀的應(yīng)用具有非常重要的意義。謝宏全等[4]對(duì)地面三維激光掃描儀測(cè)距精度檢校進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究；朱凌[5]對(duì)平面標(biāo)靶進(jìn)行了相關(guān)研究；蘇曉蓓等[6]對(duì)地面三維激光掃描儀標(biāo)靶中心識(shí)別精度進(jìn)行了研究。本文利用徠卡C10三維激光掃描儀與球形標(biāo)靶，對(duì)儀器的測(cè)距精度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

二、球形標(biāo)靶中心識(shí)別精度試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)靶的形狀可以分為平面標(biāo)靶和球形標(biāo)靶。本研究采用球形標(biāo)靶，它可以從任何一個(gè)方向掃描而得到中心，非常適用于各種特殊地形條件的掃描，而且不存在傾角問(wèn)題帶來(lái)的各種誤差，使用非常方便，但其不能一次性獲得整個(gè)標(biāo)靶表面全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。下面對(duì)試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析作簡(jiǎn)要介紹。

1.數(shù)據(jù)采集方法

依據(jù)徠卡C10的有效掃描范圍，在校園內(nèi)選擇合適的道路作為試驗(yàn)場(chǎng)地，試驗(yàn)主要技術(shù)過(guò)程如下：

1)在地面上選擇3個(gè)點(diǎn)(A、B、C)，大概呈正三角形，邊長(zhǎng)約2 m，做好臨時(shí)點(diǎn)的標(biāo)志，在點(diǎn)上架設(shè)球形標(biāo)靶(如圖1所示)。

2)用掃描儀在距離標(biāo)靶10 m、40 m、70 m、100 m、150 m、200 m、250 m的距離分別對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行5次掃描。

3)在室內(nèi)將掃描儀內(nèi)的數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤(pán)，導(dǎo)入儀器配套的Cyclone軟件中進(jìn)行擬合球形標(biāo)靶。

4)提取每個(gè)掃描數(shù)據(jù)標(biāo)靶之間的距離，具體操作是點(diǎn)擊多選命令，依次點(diǎn)擊3個(gè)擬合的標(biāo)靶A、B、C，然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)選 Distance—Center To Center。軟件操作界面將會(huì)顯示標(biāo)靶中心之間的距離(如圖2所示)，并將距離數(shù)據(jù)記錄在 Excel表格中。

圖1 標(biāo)靶掃描的擺放位置

圖2 標(biāo)靶中心之間的距離

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

在Cyclone軟件中提取不同距離的3個(gè)標(biāo)靶中心之間的距離并進(jìn)行整理，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。以10 m、40 m、70 m、100 m 4個(gè)觀測(cè)段5次掃描的數(shù)據(jù)平均值作為最或然值，根據(jù)中誤差計(jì)算公式計(jì)算出每個(gè)位置標(biāo)靶中心識(shí)別的中誤差，根據(jù)所得中誤差數(shù)據(jù)繪制折線圖(如圖3所示)。

表1 標(biāo)靶中心提取精度試驗(yàn)數(shù)據(jù) m

圖3 不同距離處標(biāo)靶中心提取精度

從表1與圖3中可以看出，在100 m以內(nèi)，球形標(biāo)靶中心的提取精度在2 mm以內(nèi)，100～200 m范圍內(nèi)標(biāo)靶中心的提取精度在4 mm以內(nèi)，超過(guò)200 m距離以后，標(biāo)靶中心的提取精度隨著距離的增加而急劇降低。總體來(lái)說(shuō)，在200 m以內(nèi)，球形標(biāo)靶中心提取精度能夠滿足點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接等應(yīng)用。

三、距離測(cè)量精度試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)采用拓普康GTS-902A測(cè)量機(jī)器人及徠卡C10三維激光掃描儀對(duì)球形標(biāo)靶進(jìn)行掃描，依據(jù)掃描儀的有效掃描范圍，選擇10個(gè)不同的距離進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖4所示。

圖4 掃描儀測(cè)距試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

1.數(shù)據(jù)采集流程

1)將拓普康902A全站儀架設(shè)在固定點(diǎn)上，分別在選擇的不同距離點(diǎn)上架設(shè)全站儀配套棱鏡(如圖5所示)進(jìn)行測(cè)距，每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行5次，并將數(shù)據(jù)記錄到表格。

2)將掃描儀安置在固定點(diǎn)上，對(duì)不同位置的球形標(biāo)靶進(jìn)行5次掃描(如圖6所示)。

3)將掃描儀的掃描數(shù)據(jù)在Cyclone軟件中提取出每個(gè)點(diǎn)上標(biāo)靶中心點(diǎn)到儀器中心的水平距離，并將數(shù)據(jù)記錄到表格。

圖5 全站儀觀測(cè)棱鏡

圖6 掃描儀掃描標(biāo)靶

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)中全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)求取每個(gè)距離段內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值(見(jiàn)表2)，再將掃描儀數(shù)據(jù)用軟件提取出每個(gè)位置標(biāo)靶中心到儀器中心的平距(見(jiàn)表3)，并求取每個(gè)距離段內(nèi)的平均值。按照中誤差計(jì)算公式分別計(jì)算出掃描儀測(cè)距的內(nèi)外符合精度中誤差，如圖7、圖8所示。

表2 全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)m

表3 掃描儀數(shù)據(jù)m

圖7 掃描儀內(nèi)符合精度分布圖

圖8 掃描儀測(cè)距外符合精度分布圖

由圖7可知，當(dāng)掃描儀在150 m以內(nèi)對(duì)球形標(biāo)靶掃描時(shí)，其內(nèi)符合精度在1 mm以內(nèi)，在150 m以外隨著距離的增加，其內(nèi)符合精度也相應(yīng)地降低。徠卡C10測(cè)距精度相對(duì)穩(wěn)定，能夠滿足一般工程的需求。

由圖8可知，在100 m以內(nèi)其精度能夠達(dá)到5 mm以內(nèi)，在100～200 m的范圍內(nèi)，能夠達(dá)到5～10 mm的精度，在200～300 m的范圍內(nèi)，能達(dá)到10～20 mm的精度。5 mm的測(cè)距精度能夠滿足較高要求的測(cè)量工程，因此在100 m以內(nèi)徠卡C10能夠進(jìn)行較高精度的測(cè)量工作，在200 m以內(nèi)，其能夠適用于一般精度要求的工程項(xiàng)目，當(dāng)精度要求不是很高時(shí)，如地形測(cè)量，土石方計(jì)算測(cè)量等工程當(dāng)中，徠卡C10在其有效測(cè)程范圍內(nèi)還是能夠達(dá)到要求的。

四、結(jié)束語(yǔ)

在儀器的有效掃描范圍內(nèi)，球形標(biāo)靶中心識(shí)別精度較高。用球形標(biāo)靶進(jìn)行測(cè)距，在一定距離內(nèi)，測(cè)距精度相對(duì)較穩(wěn)定，超出一定范圍后隨著距離的增加，內(nèi)外符合精度逐漸下降。本次試驗(yàn)只是對(duì)掃描儀測(cè)距精度進(jìn)行分析，還有待從其他一些外界因素對(duì)掃描數(shù)據(jù)的影響作相應(yīng)研究，如溫度、風(fēng)速，以及目標(biāo)物的材料、顏色等。

[1] 吳靜.三維激光掃描測(cè)量?jī)x性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用研究[D].青島：山東科大學(xué)，2008.

[2] 黃釗.脈沖激光測(cè)距高精度關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[3] 齊建偉，朱恩利.三維激光掃描測(cè)量?jī)?nèi)符合精度試驗(yàn)研究[J].地理空間信息，2012，10(4)：20-22.

[4] 謝宏全，高祥偉，邵洋.地面三維激光掃描儀測(cè)距精度檢校試驗(yàn)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2013(12)：25-27.

[5] 朱凌.地面三維激光掃描標(biāo)靶研究[J].激光雜志，2008，29(1)：33-35.

[6] 蘇曉蓓，郝剛.地面三維激光掃描標(biāo)靶中心識(shí)別算法研究[J].城市勘測(cè)，2010(3)：68-70.

都市圈獲首個(gè)三維仿真互聯(lián)網(wǎng)地圖“準(zhǔn)生證”

[本刊訊]2014年11月6日，中海達(dá)旗下都市圈收到了國(guó)家測(cè)繪地理信息局地圖技術(shù)審查中心關(guān)于《濰坊市奎文區(qū)、濰城區(qū)、坊子區(qū)、寒亭區(qū)、高新區(qū)三維仿真地圖》的互聯(lián)網(wǎng)地圖審核批準(zhǔn)書(shū)，這是國(guó)家測(cè)繪地理信息局批準(zhǔn)的首個(gè)三維仿真地圖的審圖號(hào)。

地圖審圖號(hào)是電子地圖在互聯(lián)網(wǎng)上公開(kāi)登載的許可證，相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)電子地圖的“準(zhǔn)生證”，都市圈能獲得國(guó)家測(cè)繪地理信息局批準(zhǔn)的首個(gè)三維仿真地圖的審圖號(hào)，彰顯了其在三維仿真地圖制作方面的實(shí)力。

都市圈長(zhǎng)期專注于三維仿真地圖領(lǐng)域，能提供三維仿真地圖“數(shù)據(jù)＋平臺(tái)＋行業(yè)應(yīng)用”整體解決方案。截至目前，已建成廣州、深圳、上海、北京、武漢、澳門(mén)、貴陽(yáng)、昆明、太原、重慶等80個(gè)城市約7000 km2的三維仿真地圖，并與百度、四維圖新達(dá)成戰(zhàn)略合作。都市圈自主研發(fā)的三維仿真公共服務(wù)平臺(tái)OGIS已成功應(yīng)用于100多個(gè)項(xiàng)目中，基于OGIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)的行業(yè)應(yīng)用也覆蓋了數(shù)字城市、數(shù)字國(guó)土、網(wǎng)格化社區(qū)、數(shù)字校園、消防安全、環(huán)保應(yīng)急、人防、電力、電信等行業(yè)，已經(jīng)完成和在建的行業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目超過(guò)200個(gè)。

(本刊編輯部)

Test Research of Distance Measurement Accuracy of Terrestrial 3D Laser Scanner

ZHANG Yongbin，GAO Xiangwei，XIE Hongquan，LI Weiliang

P234.5

B

0494-0911(2014)12-0016-04

張永彬，高祥偉，謝宏全，等.地面三維激光掃描儀距離測(cè)量精度試驗(yàn)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(12)：16-19.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0387

2014-09-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(31270745)

張永彬(1969—)，男，河北衡水人，博士，教授，主要從事3S技術(shù)集成與應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作。