MAPTEK I-Site 8200ER三維激光掃描儀測角精度研究

李澤邦，夏永華，柏宏強(qiáng)

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

MAPTEK I-Site 8200ER三維激光掃描儀測角精度研究

李澤邦，夏永華*，柏宏強(qiáng)

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

采用MAPTEK I-Site 8200ER三維激光掃描儀與拓普康GPT-3002LNC全站儀為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在同種距離條件下，分別獲取掃描數(shù)據(jù)和全站儀觀測數(shù)據(jù)，將全站儀的觀測角度值作為基準(zhǔn)，MAPTEK I-Site 8200ER 三維激光掃描儀觀測的數(shù)據(jù)反算的角度作為觀測值，建立平差模型，通過最小二乘法解算掃描儀的水平角和垂直角精度。研究結(jié)果表明，MAPTEK I-Site 8200ER三維激光掃描儀測角精度符合標(biāo)稱測角精度。

三維激光掃描儀； 測角精度； 檢校； 平差模型

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)[1]，具有獲取數(shù)據(jù)速度快、精度高、全自動化、全天候作業(yè)等特點(diǎn)，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段。三維激光掃描儀在測繪、建筑、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，三維激光掃描儀的精度指標(biāo)都是生產(chǎn)廠家提供的，國內(nèi)尚未出臺統(tǒng)一的檢校標(biāo)準(zhǔn)。楊長強(qiáng)等[2]設(shè)計(jì)一種標(biāo)志點(diǎn)用于掃描儀檢定；張毅等[3]建立三維激光掃描系統(tǒng)誤差模型，并對其正確性進(jìn)行了驗(yàn)證；謝宏全等[4]對徠卡C10三維激光掃描儀的水平角精度檢校進(jìn)行研究；張啟福等[5]提出一種新的三維激光掃描儀測角精度評定方法；王玉鵬等[6]對徠卡Scanstation 2型三維激光掃描儀點(diǎn)位精度評定進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，本研究擬對三維激光掃描儀的水平角和垂直角分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 材料與方法

1.1 儀器

采用澳大利亞MAPTEK公司生產(chǎn)的I-Site 8200ER三維激光掃描儀作為待測儀器，其最大測程為500 m，測角精度為10″。根據(jù)實(shí)驗(yàn)精度要求，選擇拓普康GPT-3002LNC全站儀作為基準(zhǔn)儀器，其測角精度為2″。輔助試驗(yàn)設(shè)備包括自制圓形黑白平面標(biāo)靶、工業(yè)腳架、卷尺。

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模x擇昆明理工大學(xué)田徑場作為檢校場，以全站儀測量的角度值作為基準(zhǔn)值，將掃描儀點(diǎn)云坐標(biāo)反算出的角度作為觀測值。考慮軸系誤差的影響，建立角度平差模型，通過解算，與標(biāo)稱精度進(jìn)行對比。

選擇田徑場一豎直墻面，在距離墻面約5 m處設(shè)定一點(diǎn)P，將拓普康全站儀架設(shè)在P點(diǎn)上，對中整平后設(shè)置直角為0°，沿水平方向布設(shè)5個平面黑白標(biāo)靶，各標(biāo)靶中心距離約為0.6 m，水平方向標(biāo)靶從左到右編號依次為A1、A2、A3、A4、A5，如圖1所示。

圖1 水平角精度檢校場

在距離墻面5 m處設(shè)定一點(diǎn)S，沿墻面垂直方向布設(shè)4個平面黑白標(biāo)靶，各標(biāo)靶之間距離約為0.6 m，標(biāo)靶從上至下編號為B1、B2、B3、B4，如圖2所示。

圖2 垂直角精度檢校場

1.3 數(shù)據(jù)獲取

1.3.1 水平角精度檢定

寫成誤差方程：

通過間接平差原理計(jì)算出軸系誤差c和ω，代入平差模型求出改正數(shù)vi，即可求出水平角角度中誤差mφ。

1.3.2 垂直角測角精度檢定

寫成誤差方程：

根據(jù)全站儀中心、掃描儀中心和標(biāo)靶中心三點(diǎn)形成的三角函數(shù)關(guān)系，得出以下方程組：

得到：

其中，l為全站儀和掃描儀之間的高差，Ni為全站儀觀測垂直角。根據(jù)間接平差最小二乘法求出c、ω，代入誤差方程求出改正數(shù)vi，進(jìn)而求出垂直角度中誤差mβ。

2 結(jié)果與分析

利用全站儀觀測3個測回，取平均數(shù)，計(jì)算出水平夾角基準(zhǔn)值(表1)和垂直夾角基準(zhǔn)值(表2)。

表1 水平夾角基準(zhǔn)值

表2 垂直夾角基準(zhǔn)值

利用三維激光掃描儀獲取的水平角夾角和垂直夾角的觀測值如表3、表4所示。

表3 水平夾角觀測值

表4 垂直夾角觀測值

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可解算出水平角測角中誤差mφ=7″，垂直角測角中誤差mβ=7″。

3 小結(jié)

本研究在布設(shè)測角精度檢定場時(shí)，采用全站儀分別沿水平方向和垂直方向布設(shè)平面標(biāo)靶，有效地減小了豎直角和水平角對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，解算出MAPTEK I-Site 8200ER三維激光掃描儀水平測角精度為7″，垂直角測角精度為7″。符合儀器標(biāo)稱精度(12″)，能夠滿足實(shí)際測量需求。影響三維激光掃描儀測角精度的因素有很多，本研究只進(jìn)行了短距離的實(shí)驗(yàn)，并且選在室外場地進(jìn)行。鑒于光照、溫度等外界因素也會對數(shù)據(jù)精度造成影響，因此，各因素對測角精度的影響還需要進(jìn)一步深入研究。

[1] 張會霞, 朱博文. 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 楊長強(qiáng), 葉澤田. 一種基于點(diǎn)對應(yīng)的激光掃描儀外方位參數(shù)檢校方法[J]. 測繪科學(xué), 2011, 36(5):190-192.

[3] 張毅, 閆利, 楊紅, 等. 地面三維激光掃描的系統(tǒng)誤差模型研究[J]. 測繪通報(bào), 2012(1):16-19.

[4] 謝宏全, 高祥偉, 徐孝偉. 地面三維激光掃描儀水平角精度檢校試驗(yàn)研究[J]. 測繪通報(bào), 2013(12):25-27.

[5] 張啟福, 孫現(xiàn)申, 王賀, 等. RIEGL LMS-Z390i三維激光掃描儀測角精度評定方法研究[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 12-15.

[6] 王玉鵬, 盧小平, 葛曉天,等. 地面三維激光掃描點(diǎn)位精度評定[J]. 測繪通報(bào), 2011(4):10-13.

[7] 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估[J]. 工程勘察, 2009, 37(11):56-60.

[8] 劉春. 激光三維遙感的數(shù)據(jù)處理與特征提取[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010: 29-36.

(責(zé)任編輯：高 峻)

2017-02-24

云南省自然科學(xué)基金(人培KKSY201256093)

李澤邦(1991—)，男，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向?yàn)槿S激光掃描系統(tǒng)檢校與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，E-mail：645475056@qq.com。

夏永華(1972—)，男，云南騰沖人，博士，副教授，從事測繪工程、3S技術(shù)等研究工作，E-mail：617073761@qq.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170849

P207

A

0528-9017(2017)08-1462-03

文獻(xiàn)著錄格式：李澤邦，夏永華，柏宏強(qiáng). MAPTEK I-Site 8200ER三維激光掃描儀測角精度研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(8)：1462-1464.