地面三維激光掃描儀的檢校與測量精度評定

徐壽志，程鵬飛，張　玉，丁朋輝

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心，北京 100830；

3. 國家光電測距儀檢測中心，北京 100039； 4. 中國測繪科學研究院，北京100830)

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地面三維激光掃描儀的檢校與測量精度評定

徐壽志1.3，程鵬飛2，張玉4，丁朋輝3

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心，北京 100830；

3. 國家光電測距儀檢測中心，北京 100039； 4. 中國測繪科學研究院，北京100830)

Calibration and Accuracy Evaluation of Terrestrial Laser Scanner

XU Shouzhi，CHENG Pengfei，ZHANG Yu，DING Penghui

摘要：針對地面三維激光掃描儀的測量精度評定問題，提出了利用比長基線檢定場進行測距精度評定，利用多齒分度臺進行水平角精度評定，利用室內(nèi)檢校場進行垂直角和點位精度評定。采用比長基線檢定場方法，每個觀測點布設(shè)穩(wěn)固，且有強制對中裝置，能夠較好地減少其他誤差的影響。采用多齒分度臺利用全圓組合比較法進行水平角精度評定，該方法所用的角度標準器精度高，可溯源。基于Riegl VZ-1000的試驗結(jié)果表明，本文所提出的方法對地面三維激光掃描儀進行性能評定可靠性好、穩(wěn)定性強，對地面三維激光掃描儀的檢校研究具有一定的參考和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描儀；精度評定；測距；測角；點位

三維激光掃描技術(shù)具有實時、動態(tài)、高速度、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化、非接觸和可量測等優(yōu)點，是目前國際上獲取三維空間數(shù)據(jù)最先進的測量技術(shù)之一。三維激光掃描系統(tǒng)按不同的搭載平臺主要可分為星載激光掃描系統(tǒng)、機載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)。地面三維激光掃描儀(terrestrial laser scanner, TLS)是地面激光掃描系統(tǒng)的主要組成部分，目前TLS的精度指標都是由儀器生產(chǎn)廠商提供，該精度是否符合要求是未知的。此外，長期使用后的硬件老化和磨損等因素都會不同程度影響掃描精度，因此對TLS的各項性能指標進行精度評定顯得十分必要。TLS由于出現(xiàn)時間較晚，結(jié)構(gòu)復雜，如何對不同生產(chǎn)廠商的儀器進行性能評定，目前還沒有統(tǒng)一的標準與規(guī)范。文獻[1]分別利用六段解析法和間接平差法對TLS的測距和測角進行了檢校；文獻[2]利用平均調(diào)制傳遞函數(shù)(AMTF)模型對點云的角度分辨率進行了精度評定；文獻[3]利用B?hler-Sterne鑒別率板對TLS的鑒別率進行了評定；文獻[4]分析了TLS的測距誤差源，并根據(jù)反射強度建立TLS測距誤差改正模型以減少測距誤差；文獻[5]利用自制裝置對TLS的測距不確定度進行了評定；文獻[6]和文獻[7]分別利用自檢校方法對TLS的系統(tǒng)誤差進行了參數(shù)估計；文獻[8]利用球形靶標對TLS進行不確定度評定。目前對于TLS的測量精度評定大多是從某一方面進行評定[9-11]。鑒于此，本文提出利用比長基線檢定場進行測距精度評定，以可溯源的多齒分度臺進行水平角精度評定，利用室內(nèi)檢校場進行垂直角精度和點位精度評定。

一、地面三維激光掃描儀測量原理

TLS由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(可選)、自帶軟件、電源和其他附件組成。目前市場上主流的TLS測量方式有脈沖式和相位式，其工作原理是由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號，通過旋轉(zhuǎn)棱鏡的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對目標的橫向和縱向掃描，然后通過探測器，接收并記錄反射回來的激光脈沖，從而獲取目標點的三維坐標。其測量原理是：通過傳播時間或相位變化來測量距離S，通過儀器內(nèi)的精密時鐘控制編碼器獲取激光束的水平角φ和垂直角θ。TLS采用儀器自定義的坐標系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直構(gòu)成右手坐標系，坐標原點為儀器的掃描中心。由此可以得到點位坐標的計算公式

(1)

由式(1)和誤差傳播定律可以導出點位坐標分量誤差及點位坐標誤差

(2)

從式(2)可以看出，距離、水平角、垂直角的測量精度直接影響點位精度，掃描的距離、水平角、垂直角的數(shù)值大小也對點位坐標誤差分量及點位坐標誤差有著不同程度的影響。

二、地面三維激光掃描儀的精度評定

TLS的測距精度、測角精度和點位精度決定了其基本測量性能。本文結(jié)合TLS本身的特點，提出了相應(yīng)的方法對TLS性能指標進行精度評定。

1. 測距精度

文獻[1]利用六段解析法解算出了TLS的測距加常數(shù)，然后再進行精度評定。該方法得到的是利用測距加常數(shù)改后的測距精度，不是儀器本身實際的測距精度。本文采用經(jīng)國家鑒定的測繪儀器比長基線檢定場作為長度基準(基線場總長1080 m，相對精度為0.36×10-6)，對TLS實際測距精度進行評定。

比長基線檢定場如圖1所示，其中L4-5=192.082 10 m，L5-6=72.046 99 m。評定方法如下：選擇基線場的兩條相鄰基線邊作為基準邊，利用掃描儀對已知基線邊進行距離測量，最后進行測量結(jié)果比對。評定過程：在基線場的5號點安置TLS，并對中整平，然后分別在4號點和6號點安置TLS的專用標靶，同時對中整平，注意靶標的高度盡量與掃描儀的高度一致，避免垂直角誤差的影響，控制TLS對標靶進行30次重復掃描，利用配套數(shù)據(jù)處理軟件獲取兩者之間的斜距，根據(jù)標準差公式計算測距重復性，根據(jù)均方根誤差公式計算測距精度。

圖1比長基線檢定場示意圖

在計算測距精度時，因為

TLS

提供的距離值D

i

是斜距，而標準值D

0

是平距，因此需要將斜距轉(zhuǎn)化為平距，按照公式D

s

=D

i

sin

θ進行計算，θ為垂直角。其部分測距觀測結(jié)果見表1。

本文測試使用的RieglVZ-1000 192m測距重復性為0.000 9m，測距精度為0.001 7m；72m測距重復性為0.001 1m，測距精度為0.001 2m。

表1　TLS 192 m和72 m部分測距觀測值

利用比長基線場進行測距精度評定，該方法基線場每個觀測點布設(shè)穩(wěn)固，且有強制對中裝置，能夠較好地減少其他誤差的影響。因此，利用該方法進行測距精度評定精度高、可靠性強。

2. 測角精度

TLS與全站儀在角度觀測方式上有著本質(zhì)的區(qū)別，TLS不能通過盤左盤右來消除視準軸誤差，而且儀器本身也不具備瞄準和單點掃描的功能，因此需要借助于專用靶標。TLS每個掃描點包含兩個角度，即水平掃描角和垂直掃描角，需要分別對它們進行精度評定。

(1) 水平角精度

文獻[9]采用Leica T3000電子經(jīng)緯儀對布設(shè)在墻面上的人工標志進行水平角測量，以此提供角度基準，進而進行精度標定。本文采用多齒分度臺進行TLS水平角的精度標定，借鑒了全站儀和電子經(jīng)緯儀一測回水平方向標準差檢定方法中的比較法，即利用多齒分度臺作為角度標準器，與TLS靶標測量獲取的角度觀測值進行比較。

多齒分度臺(如圖2(a)所示)是一種高準確度的圓分度標準器件，一般由齒數(shù)和模數(shù)相同的兩個齒盤組成。使用時，一個齒盤固定，另一個齒盤可與之脫開，旋轉(zhuǎn)到所需角度后嚙合，從而達到定位和高分度的目的。筆者采用的是552齒的多齒分度臺，其最大誤差為0.3″。

評定方法如下：①將多齒分度臺精確調(diào)平，然后將Riegl VZ-1000連同基座固定安置到平臺上并調(diào)平(如圖2(b)所示)；②在距掃描儀約50 m處安置專用靶標；③將多齒分度臺置于零位，每次順時針旋轉(zhuǎn)一定的角度，掃描儀也跟著旋轉(zhuǎn)同樣的角度，旋轉(zhuǎn)完成后掃描儀對靶標進行掃描，提取靶標中心和水平角度值。

圖2

多齒分度臺旋轉(zhuǎn)360°稱為一個測回，一般至少需要測量兩個測回，回零讀數(shù)不參與水平角標準偏差計算，其水平角部分觀測結(jié)果見表2。

表2　多齒分度臺法一測回水平方向觀測值

水平方向誤差按式(3)計算

(3)

式中，αij為各測點標靶測量方向與零方向的角度值；α標j為第j個角度的多齒分度臺標準角度值；i表示第i測回；j表示第j測點。

水平角標準差計算公式為

(4)

本文測試使用的Riegl VZ-1000水平角精度σφ=15.57″。

該方法借助多齒分度臺作為角度基準，通過設(shè)置二者剛性同軸，通過全圓組合比較法進行了水平角精度評定。該方法所用的角度標準器精度高，可溯源。

(2) 垂直角精度

垂直角的精度評定是利用Sokkia NET05全站儀對布設(shè)在室內(nèi)墻面上的多個分布在一條垂直線上的專用靶標進行垂直角度測量(如圖3所示)，從而提供垂直角度基準，該方法也叫多目標法。

圖3　測定垂直角精度的室內(nèi)靶標分布圖

評定方法如下：①將全站儀安置在升降工作臺上，同時量取全站儀儀器高，然后利用全站儀從上往下依次觀測靶標的中心，并記錄其垂直角度方向值；②卸下全站儀，將掃描儀安置在升降工作臺上，調(diào)節(jié)升降平臺使得掃描儀的幾何中心高度與全站儀的儀器高一致，然后自上而下依次照準標靶，掃描完成后提取出角度方向值，至少需掃描2個測回；③將垂直角度方向值兩兩相減得到垂直角，垂直角的標準差計算公式同水平角標準差計算公式，按式(3)、式(4)計算。其垂直角度值見表3。

表3　TLS垂直角度值

本文測試使用的Riegl VZ-1000垂直角精度σθ=14.77″。

垂直角精度與水平角精度相當，表明利用多目標法進行垂直角精度評定是有效、可行的。該方法需要注意的是測量過程必須保持TLS的幾何中心高度與全站儀的儀器高一致。

3. 點位精度

TLS的點位精度直接決定點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此對點位進行精度評定顯得尤為重要。本文采用室內(nèi)檢校場方法，即在室內(nèi)檢校場墻面上布置一系列的專用靶標。評定方法如下：①首先將全站儀安置在升降平臺上，量取儀器高，然后利用Sokkia NET05全站儀通過后視定向測量出所有的專用靶標坐標，全站儀的測站坐標設(shè)定為(100.0,100.0,100.0)；②卸下全站儀安置TLS，調(diào)節(jié)升降平臺使得TLS儀器幾何中心與全站儀的儀器高一樣，測站坐標也設(shè)定為(100.0,100.0,100.0)，然后瞄準同樣的后視點進行后視定向，控制TLS對室內(nèi)檢測場進行高密度單站掃描，利用后處理軟件獲得標靶中心坐標。點位精度計算公式為

σcoord=

(5)

式中，(Xi,Yi,Zi)為TLS掃描的點位坐標；(Xi0,Yi0,

Zi0)為全站儀測量坐標；n為靶標個數(shù)。

室內(nèi)檢校場的每個墻面均勻布設(shè)5個專用靶標(如圖4所示)，TLS按順時針(或逆時針)對靶標進行掃描，其測量結(jié)果見表4。

圖4　室內(nèi)專用靶標分布圖(黑色圓點)

本文測試使用的RieglVZ-1000的點位精度σcoord=0.004 3m。點位的精度受距離的影響較大，RieglVZ-1000短距離點位精度可以達到毫米級，室外的測試表明，RieglVZ-1000長距離點位精度可以達到厘米級。

表4　TLS點云觀測數(shù)據(jù)

三、結(jié)果和討論

從Riegl VZ-1000的評定結(jié)果可以看出，其測距精度和測距重復性符合廠家給出的精度要求(見表5)。Riegl VZ-1000的實際測量距離達到1000 m以上，廠家給出的標稱精度為100 m的測距精度，因此本文選擇192 m和72 m兩個標準長度進行測距精度評定。另一方面，由于隨著距離的增大，點云密度受地面三維激光掃描儀發(fā)散角的影響就越明顯，點云密度越小，選點相對比較困難。另外，廠家并沒有給出測角標稱精度，本文得到的測角精度為15″左右。將測距精度和測角精度代入式(2)得到Riegl VZ-1000理論點位精度為0.001 8 m，與實際點位精度0.004 3 m有一定的差異，可能是由于靶標中心擬合誤差影響所致。

表5　Riegl VZ-1000 主要技術(shù)參數(shù)

四、結(jié)束語

TLS主要用于三維建模和虛擬現(xiàn)實，以及生成基于點云的可量測影像。作為獲取三維空間信息的高新技術(shù)，其儀器性能的優(yōu)劣決定了測量成果的好壞，其測量精度也直接決定它的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍，因此對其進行測量性能評定至關(guān)重要。本文以Riegl VZ-1000為例，從測距精度、測角精度、點位精度對其進行了性能評定。此外，點云的配準精度、點云的建模精度將是下一步的研究工作。本文的主要結(jié)論為：

1) 通過高精度的比長基線檢定場進行TLS測距精度評定，該方法操作簡單、省時、省力、精度高、可溯源。

2) 多齒分度臺可以用于TLS的水平角精度評定，該方法無需布設(shè)多個目標點，精度高、穩(wěn)定性好、可溯源。

3) 可以利用室內(nèi)檢校場通過坐標已知的多個靶標進行點位精度評定。

4) Riegl VZ-1000測距精度1～2 mm，符合標稱精度；測角精度15″左右；點位精度可以達到毫米級，其受距離的影響較大。

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中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0079-05

作者簡介：徐壽志(1986—)男，博士生，主要從事車載移動測量系統(tǒng)的檢校及理論研究。E-mail：xsz2011@whu.edu.cn

基金項目：測繪地理信息公益性行業(yè)專項(201512010)

收稿日期：2015-11-06

引文格式： 徐壽志，程鵬飛，張玉，等. 地面三維激光掃描儀的檢校與測量精度評定[J].測繪通報，2016(2)：79-83.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0054.