三維激光掃描儀單點精度的檢驗與分析

韓三琪

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波　315000)

1　概述

地面三維激光掃描技術(shù)是三維數(shù)據(jù)獲取與場景建模技術(shù)中最新的一種，興起于20世紀(jì)90年代。它采用高精度逆向三維建模及重構(gòu)技術(shù)，以獲取研究目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和數(shù)碼照片的方式，快速獲取大型實體或?qū)嵕暗饶繕?biāo)的三維立體信息，通過計算機重構(gòu)其3D數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物真實的形態(tài)特性[1]。該技術(shù)為快速獲取空間數(shù)據(jù)提供了有效手段，是繼GPS技術(shù)以后的又一項測繪技術(shù)新突破。

由于激光掃描儀問世時間短，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有的測繪儀器檢驗方法無法直接用來檢定地面激光掃描儀，因此儀器的性能，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性以及最終輸出產(chǎn)品的質(zhì)量和精度就無法完全保證，這對于儀器應(yīng)用領(lǐng)域的拓展是個阻礙[2]。盡管很多的儀器廠商給出了儀器的一些性能指標(biāo)，但由于沒有統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，這些指標(biāo)并不一致，這讓用戶在選擇儀器時有諸多不便。此外，儀器廠商給出的性能指標(biāo)都是在理想實驗環(huán)境下得到的，在實際工程應(yīng)用中很難檢驗，從而導(dǎo)致無法了解儀器的真實性能。因此，需要對儀器的測量精度做進(jìn)一步研究實驗。此外，一些涉及到單點精度的研究更多是利用掃描儀易識別的反光片進(jìn)行試驗，與實際應(yīng)用中的一般掃描對象存在較大差別，從而導(dǎo)致試驗的數(shù)據(jù)與實際不符[3]。

利用與實際應(yīng)用中反光強度相當(dāng)?shù)募埰娣垂馄M(jìn)行掃描試驗[4]，將掃描儀的單點定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)和同等條件下全站儀觀測到的靶標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以全站儀取得的點位坐標(biāo)為基準(zhǔn)，檢驗掃描儀在這種常規(guī)測量中單點定位的精度。主要工作如下：

(1)設(shè)計實驗方案，獲得地面三維激光掃描儀和相同條件下全站儀的測量數(shù)據(jù)。

(2)實驗數(shù)據(jù)分析，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將全站儀和掃描儀的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中，從掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)中提取出每一個靶標(biāo)的靶心坐標(biāo)，并與轉(zhuǎn)換后的全站儀坐標(biāo)進(jìn)行對比，評定地面三維激光掃描儀的單點定位精度。

2　地面三維激光掃描儀檢驗試驗與數(shù)據(jù)處理

2.1　試驗?zāi)康?/h3>

檢測試驗?zāi)康氖峭ㄟ^設(shè)計合理的方案將地面三維激光掃描儀測量得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與相同條件下全站儀的測量結(jié)果進(jìn)行比較，以全站儀的測量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對地面三維激光掃描儀的單點測量精度進(jìn)行試驗與分析。本文實驗以距離為10 m的單點測量為例，研究三維激光掃描儀的測量單點精度。

2.2　試驗場地

本次試驗在某大學(xué)試驗場中進(jìn)行，試驗場內(nèi)光線良好，室溫約為25 ℃。試驗場地各條件穩(wěn)定，試驗時無人員走動。

2.3　實驗設(shè)備

以RIEGL公司VZ-400地面三維激光掃描儀為例，其參數(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1　VZ-400地面三維激光掃描儀的基本參數(shù)指標(biāo)

表2　Leica 1202全站儀基本參數(shù)指標(biāo)

2.4　實驗步驟

(1)在試驗場掃描儀對面及兩側(cè)垂直墻面上貼上6個反光片作為靶標(biāo)，用于后期全站儀和地面三維激光掃描儀的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化基準(zhǔn)點。6個反光片均勻分布，反光情況良好。

(2)在一塊表面光滑，顏色略深的平板上布設(shè)12個靶標(biāo)點，其中四個角的靶標(biāo)點用反光片，其他的靶標(biāo)點用自制的白色紙片代替，靶標(biāo)點在平板上分布均勻。

(3)將制作好的上述平板置于三維激光掃描儀的正前方墻面處，靠墻擺正并固定好。要保證平板上的每一個靶標(biāo)都能被地面三維激光掃描儀掃描到，且成像良好。同時，平板應(yīng)置于步驟1的6個坐標(biāo)轉(zhuǎn)化基準(zhǔn)點中央，保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)的可靠性。

(4)在離平板正前方約8 m處架設(shè)地面三維激光掃描儀，接通電源，開機預(yù)熱并對中整平，用數(shù)據(jù)線連接計算機，利用掃描儀自帶的Riscan Pro 軟件控制整個掃描過程。

(5)全站儀測量：在地面三維激光掃描儀旁邊架設(shè)全站儀，對中整平，對平板上的12個靶標(biāo)點以及墻面上的6個基準(zhǔn)點進(jìn)行觀測，盤左盤右各觀測一次，在手簿上記錄下18個點的靶心坐標(biāo)。

(6)核對地面三維激光掃描儀和全站儀的測量結(jié)果。

2.5　數(shù)據(jù)處理與分析

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)化采取七參數(shù)法，利用掃描儀和全站儀得到的4個反光片基準(zhǔn)點的坐標(biāo)，求出七個參數(shù)的值，進(jìn)而利用七參數(shù)模型將8個目標(biāo)點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到同一坐標(biāo)系中。

(2)靶心坐標(biāo)提取

靶心坐標(biāo)提取原理如圖1，已知點為實驗平板上四周的四個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點，未知點為需要確定靶心坐標(biāo)的白紙片。靶心坐標(biāo)的確定：根據(jù)最小二乘原理，將未知點的約300個坐標(biāo)數(shù)據(jù)依次計算與四個已知點的距離平方，最后得到四個距離平方和，將這個平方和與同樣方法計算得到的全站儀測得坐標(biāo)的平方和相減后求出其差之和，取和的值最小的點坐標(biāo)作為掃描儀掃描得到的靶心[3]，其坐標(biāo)公式如下

(1)

圖1　靶心坐標(biāo)提取原理示意

(3)靶心坐標(biāo)改正

計算得到的靶心坐標(biāo)與實際值有偏差，在與全站儀做對比之前需要對其進(jìn)行坐標(biāo)改正，以消除系統(tǒng)誤差帶來的影響。

實驗得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、靶心坐標(biāo)的提取之后，得到坐標(biāo)如表3所示。

由于X、Y、Z坐標(biāo)差均在一個固定的數(shù)值附近，特別是Z坐標(biāo)很明顯，考慮到可能存在較為明顯系統(tǒng)誤差，于是嘗試進(jìn)行坐標(biāo)改正。根據(jù)改正數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ，取改正數(shù)ΔX=0.002 m，ΔY=0.004 m，ΔZ=0.079 m，則改正后的靶心坐標(biāo)如表4所示。

表3　掃描儀和全站儀測量的靶心坐標(biāo)　m

表4　改正后的靶心坐標(biāo)差　m

(4)精度評定

從上面數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)改正后的XYZ三項坐標(biāo)差值均在4 mm以內(nèi)，計算其中誤差

距離中誤差為

從以上計算可以看出，每個點的三維坐標(biāo)差在4 mm以內(nèi)，在三維激光掃描儀的標(biāo)稱精度范圍內(nèi)(5 mm)，且三維坐標(biāo)的中誤差均小于標(biāo)稱精度，達(dá)到了實驗的目的。

3　結(jié)束語

圍繞地面三維激光掃描儀的精度進(jìn)行檢驗試驗與分析，設(shè)計了較為合理的實驗方案，通過RIEGL公司的VZ-400地面三維激光掃描儀和Leica公司的 1202 型全站儀在相同條件下對同一批靶標(biāo)進(jìn)行測量，在經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后，以全站儀的坐標(biāo)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，比較三維激光掃描儀的坐標(biāo)測量精度。

通過計算兩者的坐標(biāo)差可以看出，在消除系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的影響之后，地面三維激光掃描儀的測量精度在測量距離為10 m左右時，可以達(dá)到4 mm以內(nèi)，坐標(biāo)中誤差可以控制在3 mm以內(nèi)。證明了三維激光掃描儀的在此距離測量情況下，單點精度與其標(biāo)稱精度相差不大。同理，運用本文的方法，可以在不同距離，不同角度等環(huán)境下對三維激光掃描儀的單點掃描精度進(jìn)行評定，為實際生產(chǎn)中提供精度參考。

[1]官云蘭.地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理中的若干問題研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2008

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[5]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].測繪通報，2011(4)