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(qū)分鑒別率與分辨率的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究地面激光掃描儀鑒別率的檢定設(shè)備、檢定方法。研究結(jié)果可為我國地面激光掃描儀檢定規(guī)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(shù)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(diǎn)三維坐標(biāo)的高新技術(shù)，國內(nèi)外許多專家都認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)之后測繪儀器領(lǐng)域的又一個里程碑式的技術(shù)進(jìn)步。自1997年美國Cyra技術(shù)公司生產(chǎn)世界上第一臺地面激光掃描儀(terrestrial laser scanner，TLS)以來，現(xiàn)已有多個生產(chǎn)廠家生產(chǎn)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(fù)、建筑施工、計量檢測、模型仿真、機(jī)械設(shè)計、工業(yè)檢測、交通事故現(xiàn)場重建等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，目前也已經(jīng)開始應(yīng)用到工程測量、變形測量等傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域。這項新技術(shù)在測繪行業(yè)的應(yīng)用將進(jìn)一步拓寬測繪技術(shù)的服務(wù)領(lǐng)域。

作為一種新型測量設(shè)備，人們自然會關(guān)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(jī)構(gòu)從2000年就開始系統(tǒng)地研究TLS的誤差源、檢定方法及檢定設(shè)備，已經(jīng)取得了豐碩的成果［1－2］。但國內(nèi)還主要是關(guān)注TLS在各種工程中的應(yīng)用，缺乏對TLS的誤差源、檢定方法及檢定設(shè)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(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的定義，鑒別率是指當(dāng)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(dāng)測量儀器的輸出產(chǎn)生有可覺察的響應(yīng)變化時，此輸入的激勵變化稱為鑒別率［3］。產(chǎn)生鑒別率的原因與儀器的內(nèi)外部噪聲等有關(guān)。

對TLS而言，鑒別率則是指用點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠區(qū)分與測量方向垂直的表面上的縱橫方向上點(diǎn)位差異的能力［4］。通俗地講就是通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，獲取被測物體最小縫隙的能力，即當(dāng)被測物體表面的縫隙多寬時，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(diǎn)的采樣間隔，反映了對被測物體掃描的精細(xì)程度。在對被測物體進(jìn)行掃描之前，要依據(jù)激光束發(fā)散角的大小以及距離的遠(yuǎn)近設(shè)置TLS的分辨率。圖1表明不同分辨率所獲取掃描數(shù)據(jù)的情況。

圖1 地面激光掃描儀分辨率與點(diǎn)云數(shù)據(jù)［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(shè)備和檢定方法才能夠獲得，而采樣率則可以在TLS上進(jìn)行設(shè)置。鑒別率受采樣率、測距光束發(fā)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(guān)。

三、鑒別率的檢定方法

1.檢定設(shè)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(yè)學(xué)院的B?hler－Sterne博士于2002年設(shè)計完成的［4］，經(jīng)過多次改進(jìn)，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(guī)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(diǎn)有一個半徑為r0的圓無法開出縫隙。通過設(shè)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(nèi)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(shù)需要先進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果的測量不確定度為被檢參數(shù)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(guān)，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(jìn)行檢定。選擇這3個距離時，應(yīng)考慮鑒別率板至TLS的距離均勻分布在生產(chǎn)廠家和儀器使用者共同認(rèn)可的范圍內(nèi)。

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(jìn)行準(zhǔn)直;B?hler－Sterne鑒別率板至儀器的距離，也必須進(jìn)行測量，其測距精度為被檢參數(shù)的1/3。安置完B?hler－Sterne鑒別率板后，需要采用統(tǒng)一的分辨率對鑒別率板進(jìn)行完全掃描。

3.數(shù)據(jù)處理

(1)鑒別率板準(zhǔn)直方向的確定

首先計算出TLS與鑒別率板的準(zhǔn)直關(guān)系。在確認(rèn)測量點(diǎn)位于B?hler－Sterne鑒別率板前面的擋板上時，這些點(diǎn)才能夠作為計算“實(shí)測平面”的原始數(shù)據(jù)。按最小二乘法計算的原理，依據(jù)這些選定的測量點(diǎn)計算出“實(shí)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(zhǔn)直方向。

(2)鑒別率的計算

采用分割數(shù)據(jù)的方法計算出掃描點(diǎn)至鑒別率板中心的距離vi，vi應(yīng)該滿足

式中，Δr為分割數(shù)據(jù)時選擇的圓環(huán)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(diǎn)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(diǎn)均按式(2)計算出ΔL并進(jìn)行假設(shè)檢驗。原假設(shè)為

當(dāng)以顯著水平α通過式(3)的原假設(shè)時，找出圓環(huán)的最小半徑rmin及點(diǎn)云分割圓環(huán)寬Δr，則TLS的鑒別率AV(D)為

四、鑒別率檢定結(jié)果

文獻(xiàn)［7］采用上述原理對3臺TLS進(jìn)行了鑒別率檢定，其結(jié)果如表1所示。表2為這3臺儀器的技術(shù)指標(biāo)。

表1 鑒別率檢定結(jié)果［7］

五、結(jié)束語

鑒別率是評價TLS品質(zhì)最主要的技術(shù)指標(biāo)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(fèi)大量的測量時間、大量增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(shè)備在國外已經(jīng)成功地使用多年并得到了儀器生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，因此該結(jié)果可為我國地面激光掃描儀檢定規(guī)程的制定提供參考。

表2 3臺TLS的技術(shù)指標(biāo)

［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(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.通用計量術(shù)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(chǎn)和管理工作。