激光掃描測量儀器精度的影響

激光掃描測量儀器精度的影響

0地面三維激光掃描儀器檢測與精度評估三維激光掃描測量系統(tǒng)（也稱為三維激光成像系統(tǒng)）主要由三維激光掃描和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。這項工作的目標是快速、方便、準確地檢測距離靜態(tài)物體附近的三維空間模型，并對模型進行分析和處理。激光掃描儀所獲得的數(shù)據(jù)是由離散的三維點構(gòu)成的點云。點云的每一個像素包含有一個距離值和一個角度值。三維激光掃描技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù),可以達到毫米級的采樣間隔,從而使激光掃描技術(shù)可以應(yīng)用于工程測量、古建筑和文物保護、數(shù)字城市等領(lǐng)域,并已有許多成功例子。然而,三維激光掃描儀在使用過程中,對于儀器的精度和指標都有嚴格的要求。事實上,三維激光掃描儀的分辨率、回波、時間和大氣影響等都是影響點云精度的誤差來源。通常情況,儀器與被測點的距離越近,激光光斑越小,分辨率越高,回波信號越強,相應(yīng)的測量精度就越高,反之,則測量精度越低。此外,回波還受目標材質(zhì)的反射率和邊緣效應(yīng)影響。而溫度的變化也可令某種激光掃描儀測距結(jié)果在x,y方向產(chǎn)生偏移?，F(xiàn)有關(guān)于地面三維激光掃描技術(shù)的研究較多集中在逆向工程中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理,然而地面三維激光掃描技術(shù)的精度以及對工程應(yīng)用的影響是實際工程中需要面對的重要問題,激光掃描測量儀器的精度也影響三維點云模型的建立和應(yīng)用,因此地面三維激光掃描儀的檢校與精度評估對于三維激光掃描儀的有效應(yīng)用是十分必要的。本文針對地面三維激光儀的各項指標提出系統(tǒng)的檢校方法,并據(jù)此得到地面三維激光掃描儀器精度評估結(jié)果,為后期的工程應(yīng)用提供精度依據(jù)和質(zhì)量控制。為此,首先針對激光掃描儀的特點,建立各種誤差源的誤差模型,圍繞常規(guī)工程關(guān)心的精度指標,完成對儀器整體的檢校和精度評定。1測角精度檢測激光掃描儀的測距精度檢測中,基線比較法和六段解析法仍是兩種非常經(jīng)典的方法?；€比較法,其模型是對加常數(shù)和乘常數(shù)兩個參數(shù)同時進行解算。而六段解析法消除乘常數(shù)相關(guān)影響,加常數(shù)的檢測精度較高,但只能檢測加常數(shù)。本文中全站儀依據(jù)六段解析模型得到高精度基線距離值,對激光掃描儀則采用基線比較法得到加常數(shù)和乘常數(shù)。測角精度檢校方面,本文則借鑒了全站儀的軸系誤差校正方法,布設(shè)一定的控制點進行檢校。大氣影響方面,仍然認為溫度濕度為主要的影響因素。r+11.1觀測方式及誤差方程六段解析法是1971年由H.R.Schwendener提出來的,又稱為六段全組合法,此種方法不需要標準基線,僅通過對全組合方式獲得的觀測數(shù)據(jù)進行解析計算,即可獲得加常數(shù)。在一條直線上設(shè)置N+1個點,可形成N條基本段。若在這些點上架設(shè)儀器,按全組合方式可獲得N(N+1)/2條觀測邊D,觀測方式如圖1所示。得到觀測方程,其中:i為平差值、Di為觀測值、C為加常數(shù)、Vi為改正數(shù)。觀測值所含有的乘常數(shù),相對于加常數(shù)獨立的隱藏在觀測值Di里,對加常數(shù)的解算不產(chǎn)生任何相關(guān)性影響。取N條0號點至其它點的邊為待求邊。從而組成誤差方程:其中:r=1～N,j=0～N-1。經(jīng)解算可得到參數(shù)估值:加常數(shù)C,及各段邊長平差值。加常數(shù)C的檢測誤差(標準差):1.2加常數(shù)及乘常數(shù)在圖1所示的全組合基線上,已知基線距離標準參考值ˉDi(i=1,2,Λ21)Dˉˉˉi(i=1,2,Λ21),可列出如下方程ˉDi=(Di+vi)+k+R?DiDiˉˉˉˉ=(Di+vi)+k+R?Di,其中k為加常數(shù),R為乘常數(shù),Di為檢校儀器的觀測距離,vi為改正數(shù)。令Li=Di-ˉDiLi=Di?Diˉˉˉˉ,可得到誤差方程:vi=-k-R?Di-(Di-ˉDi)(3)vi=?k?R?Di?(Di?Diˉˉˉˉ)(3)根據(jù)間接平差原理,解算出加常數(shù)及乘常數(shù)。法方程式為:1.3軸系誤差的建模本文試驗所采用的激光掃描儀的工作原理與傳統(tǒng)測角儀器不同,不能通過盤左盤右來消除視準軸誤差提高精度。本次實驗儀器HDS3000工作時激光束是通過一塊旋轉(zhuǎn)棱鏡沿垂直方向逐行掃描物體表面,可認為該掃描儀存在如下的軸系誤差:①激光光束不垂直于掃描棱鏡旋轉(zhuǎn)軸的誤差c,它對水平角的影響為c/cosα;②棱鏡旋轉(zhuǎn)軸傾斜誤差i,它對水平角的影響為itanα。其中α為掃描目標的垂直角。因此可以建立如下的觀測值方程:ˉφi=(φi+vi)+ci+ii(5)φiˉˉˉ=(φi+vi)+ci+ii(5)其中ci=c/cosαi,ii=itanαi。寫成誤差方程式為:vi=(-1cosαi-tanαi)(ci)-(φi-ˉφi)(6)利用間接平差解算得到軸系誤差c及i,同時計算出角度觀測值改正數(shù)vi。2測試測試2.1掃描距離2.0m本文設(shè)計的實驗采用的儀器為Leica公司的HDS3000地面三維激光掃描儀,該儀器標稱距離精度是4mm。其最小采樣間隔為1mm×1mm?；夭蕿?8%時掃描距離為134m。掃描頻率在4000點/秒以上。掃描范圍為豎直方向270°,水平方向360°。標稱掃描角度精度為6×10-5rad(約為0.0034°)。激光腳點在50m處的半徑不超過6mm。實驗中所用到的激光掃描儀器和其他的輔助儀器如圖2所示。2.2檢場及水平角在實驗實施前,首先需要建立滿足實驗要求的檢校場。其目的是將激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)和標準參考值(常規(guī)儀器測量獲得)進行比較。本次實驗布設(shè)了兩塊檢校場,第一塊區(qū)域包含一條直線上的7個控制點(見圖3),用來檢校距離精度;另一塊區(qū)域為室內(nèi)豎直光滑墻面上布設(shè)的8個水平方向控制點(見圖4)用來檢校角度精度。水平角的檢校場為如圖4所示,在離墻壁一定距離處的地面上確定一點S,將索佳NET1200全站儀置于該點上對中整平,在墻上沿水平方向布設(shè)8個平面靶標,利用全站儀采用方向觀測法量測各平面靶標的水平角。由于該全站儀測角精度則為1″,將測出的角度值作為基準值(見表2)。3實驗與結(jié)果分析3.1hds3000測量結(jié)果在測距精度檢校場,用HDS3000和球面反射靶標,分別對21段距離值進行掃描,每段距離上掃描3次,提取靶心坐標反算距離值后取均值。其單個靶標的點云掃描圖像如圖5所示。將HDS3000測量結(jié)果與真實值相比較,從圖6上可以看出在50m以內(nèi)的距離,搭配球面靶標的測距精度最低為9mm,低于標稱的4mm。按基線比較模型中公式(4)對數(shù)據(jù)進行平差解算,得到HDS3000在搭配球面靶標時加常數(shù)為3.9mm,乘常數(shù)為-0.00003016,即-30ppm。經(jīng)過加乘常數(shù)改正后的HDS3000測距值和全站儀測距結(jié)果進行了對比和分析,得到激光掃描儀HDS3000測距誤差在±4mm以內(nèi)變化,達到了標稱精度,如圖7所示。3.2激光光束不垂直掃描誤差的消除如圖4所示,將掃描儀架設(shè)在S點上,對中整平且與一塊平面靶標高度大致相等。對所有靶標所在區(qū)域掃描2次,掃描分辨率為1mm×1mm。其單個靶標點掃描圖像如圖8所示。從掃描點云中提取各靶標中心坐標,通過計算出掃描水平角φi,其中x,y為掃描點的橫縱坐標。同時設(shè)豎直角為αi(i=A,B,C……H),同理,通過計算出豎直角。利用水平角檢校模型中公式(6),通過間接平差得到激光光束不垂直于掃描棱鏡旋轉(zhuǎn)軸的誤差c及棱鏡旋轉(zhuǎn)軸傾斜誤差i分別為:經(jīng)過軸系誤差改正后的水平角度誤差如圖9所示。解算經(jīng)過軸系誤差改正后的水平角中誤差為:基本符合標稱精度(0.0034°)。3.3濕度對掃描測距精度的影響選擇清晨、正午的不同溫度,干燥和潮濕的不同環(huán)境,對同一平面靶標進行多次掃描(具體見表3),變換同一類環(huán)境的過程保持掃描儀位置不變。第一次掃描在清晨,溫度增高(見圖10),濕度降低(見圖11)。由圖12可以看出,當溫度和濕度變化較平穩(wěn)時,掃描儀的測距值的變化也相對平穩(wěn),當溫度濕度變化較大且不同向時,測距值呈震蕩趨勢,方差變大,相差最大處約3mm?？梢?溫度及濕度確實對掃描儀的測距精度產(chǎn)生了一定影響。式中:i=1～N(N+1)2,待估參數(shù)為C,。組成法方程如(2)式所示:第二次掃描為正午時分,由于環(huán)境溫度在這段時間內(nèi)恒定為19.8℃,掃描得到的6個點的距離值的變化可以認為主要是由濕度變化引起的。由圖13、圖14可見,掃描點的距離反算值有隨濕度增大的趨勢,但增大并不完全同步,也不顯著,只有不到2mm的差距。對兩次掃描的數(shù)據(jù)進行分析,不同的掃描環(huán)境下(溫度不同,濕度不同,光照不同),但其方差值數(shù)量級為10-6和10-7,10m左右距離上中誤差在2mm以內(nèi),由此說明以上幾種環(huán)境條件的改變對掃描的點位精度影響非常有限,中誤差計算結(jié)果見表44u3000誤差檢校本文通過一系列實驗針對Leica公司的地面三維激光掃描儀HDS3000進行全面而系統(tǒng)的檢校和精度評估,為后期的工程提供精度依據(jù)和質(zhì)量控制,并為其他同類儀器的檢校提供方法和數(shù)據(jù)處理模型。通過檢校實驗,可以得到以下結(jié)論:(1)地面三維激光掃描儀HDS3000在50m以內(nèi)的距離觀測值,經(jīng)加乘常數(shù)改正后測距精度可達到±4mm;(2)經(jīng)軸系誤差改正后水平角的精度可以達到±0.0028°;(3)由于激光掃描儀區(qū)別于傳統(tǒng)的全站儀,無法精確定位出與儀器中心點在同一水平面上的掃描點,所以目前無法給出嚴密的激光掃描儀豎直角的誤差檢校模型。本文檢測的HDS3000的豎直夾角精度為±0.0148°,低于儀器技術(shù)文檔標稱精度±0.0034°;(4)溫度環(huán)境對儀器的影響則不十分顯著。總之,該儀器經(jīng)檢校后的測距精度與水平角精度較高,可以達到標稱精度,而垂直角未經(jīng)改正,則精度稍低。因此,由于無法嚴密的校正,該地面三維激光掃描儀整體的水平觀測能力要好于豎直觀測能力,