段龍飛，李培現(xiàn)，李雪松，謝艷清，詹佳琪

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

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三維激光掃描儀測(cè)量精度的快速檢查方法

段龍飛，李培現(xiàn)，李雪松，謝艷清，詹佳琪

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

[摘要]地面三維激光掃描儀作為一種高精密的測(cè)量?jī)x器，可以為測(cè)繪等領(lǐng)域提供海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了實(shí)時(shí)快速對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行檢驗(yàn)，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在應(yīng)用重心類(lèi)方法獲取球體中心坐標(biāo)信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比高精度全站儀和三維激光掃描儀相應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)三維激光掃描儀的點(diǎn)位精度、測(cè)距精度和點(diǎn)云拼接精度進(jìn)行了快速檢驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]三維激光掃描儀；點(diǎn)位精度；測(cè)距精度；點(diǎn)云拼接精度；檢校

Rapid Detection Method of Point Precision of 3-D Laser Scanner

地面三維激光掃描儀具有快速獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的能力，為測(cè)繪等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今主流的地面三維激光掃描儀如拓普康GLS-2000的測(cè)量精度為4mm@150m，徠卡P20為6mm@100m，F(xiàn)ARO X330為2mm@25m等，精度可以達(dá)到毫米級(jí)[1- 2]。但是，掃描儀在獲取數(shù)據(jù)時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，誤差來(lái)源主要有3種：儀器系統(tǒng)誤差、目標(biāo)反射物產(chǎn)生的誤差和外部環(huán)境造成的誤差[3]。儀器系統(tǒng)誤差必須通過(guò)日常的儀器檢校工作使其影響最小化。因此，當(dāng)?shù)孛嫒S激光掃描儀經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用、磨損、震動(dòng)或其他原因?qū)е缕錅y(cè)量精度降低甚至發(fā)生測(cè)量錯(cuò)誤時(shí)，必須對(duì)地面三維激光掃描儀做定期精度檢校工作。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)地面三維掃描儀的測(cè)距檢測(cè)方法比較單一，通常采用六段解析法來(lái)檢定三維激光掃描儀的測(cè)距精度。六段解析法是一種不需要知道基線的精確長(zhǎng)度，而采用全站儀本身的測(cè)量成果，通過(guò)間接平差計(jì)算求出加常數(shù)K的方法。它不受對(duì)中誤差及乘常數(shù)的影響。該方法對(duì)于測(cè)距精度的檢驗(yàn)精度較高，但是相對(duì)比較繁瑣。國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者對(duì)六段解析法進(jìn)行了研究，如蔡慶生應(yīng)用六段解析法檢定了徠卡 C10的精度滿(mǎn)足出廠的精度要求[4]；謝宏泉采用六段解析模型，并通過(guò)Matlab編程驗(yàn)證了徠卡 C10在50m測(cè)距范圍內(nèi)和50m測(cè)距范圍外的測(cè)距精度變化規(guī)律[5]；劉春分析了激光掃描儀的主要誤差來(lái)源,介紹了三維激光掃描儀的檢校原理和方法，從測(cè)距、測(cè)角、大氣影響等方面，對(duì)激光掃描儀的精度進(jìn)行測(cè)試和評(píng)定[6]；冒愛(ài)泉利用高精度基線場(chǎng)，通過(guò)基線比較計(jì)算掃描儀的加、乘常數(shù)，給出誤差改正模型[7]；張啟福提出了基于簡(jiǎn)易六段解析法的測(cè)距精度檢校方法，并通過(guò)RIEGL VZ-400驗(yàn)證了該方法的精度[8]。本文通過(guò)三維激光掃描儀掃描特定靶標(biāo)球，應(yīng)用重心類(lèi)方法獲得球體的中心位置信息，然后將獲得的目標(biāo)點(diǎn)位置求差獲得斜距值，通過(guò)對(duì)比不同基線之間的斜距值來(lái)分析掃描儀的距離觀測(cè)精度，從而達(dá)到快速檢驗(yàn)地面三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的目的。

1試驗(yàn)方案

針對(duì)工程應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，本文進(jìn)行了儀器的測(cè)距精度、點(diǎn)云拼接精度和靶標(biāo)精度的快速檢校。由于三維激光掃描儀具有3種掃描模式：點(diǎn)云掃描、靶標(biāo)掃描和棱鏡掃描。根據(jù)各種掃描的特點(diǎn)，在點(diǎn)位精度檢驗(yàn)時(shí)采用點(diǎn)云掃描模式，以更好地獲取靶標(biāo)中心位置信息。

1.1點(diǎn)位精度檢驗(yàn)

1.1.1點(diǎn)位精度檢校試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

選擇140mm直徑的靶標(biāo)及其配套的棱鏡作為掃描儀及全站儀觀測(cè)的目標(biāo)對(duì)象[9-11]。為了保證靶標(biāo)能夠平穩(wěn)地放在凹陷區(qū)域，同時(shí)保證掃描儀可以獲得足夠點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)擬合中心位置坐標(biāo)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)下向凹陷的磁塊作為支撐臺(tái)，凹陷的部分保證與靶標(biāo)相互吻合。如圖1所示黑色長(zhǎng)方體為磁性支架，圓形為靶標(biāo)，測(cè)站位置上架設(shè)掃描儀并對(duì)中整平。①號(hào)靶標(biāo)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，②、③和④號(hào)靶標(biāo)作為檢校點(diǎn)。①號(hào)點(diǎn)和③號(hào)點(diǎn)之間的角度保持在45～90°之間。

圖1　點(diǎn)位精度檢驗(yàn)設(shè)計(jì)臺(tái)

1.1.2靶標(biāo)中心位置坐標(biāo)提取方法

(1)初次擬合平面

平面的一般方程表達(dá)式為：

z=a0x+a1y+a2

(1)

令S最小，則：

(2)

即

(3)

解此可求出a0,a1,a2，即可求出平面的表達(dá)式。

(2)噪聲點(diǎn)剔除

(3)擬合平面

噪聲點(diǎn)剔除后的數(shù)據(jù)再次擬合平面，過(guò)程同初次擬合平面。

(4)重心類(lèi)提取中心坐標(biāo)

取所有點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值為靶標(biāo)的中心坐標(biāo)值，即

(4)

1.1.3點(diǎn)位測(cè)量精度檢驗(yàn)

首先將靶標(biāo)放置在①號(hào)點(diǎn)位置上，掃描①號(hào)點(diǎn)獲取球面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理擬合出球體中心位置信息。然后再順序掃描②、③和④號(hào)點(diǎn)位置，獲取②、③和④號(hào)球體的中心位置信息。取下掃描儀，放置全站儀并對(duì)中整平。類(lèi)似地分別在①、②、③和④位置上放置配套棱鏡(球形靶標(biāo)和球型棱鏡的半徑大小相等，以保證獲取的點(diǎn)位坐標(biāo)一致)，順序觀測(cè)4個(gè)棱鏡位置，記錄全站儀的觀測(cè)值。為了減少觀測(cè)誤差，采用多次觀測(cè)取平均值作為真實(shí)的觀測(cè)值。

以全站儀數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過(guò)比較其與1.1.2節(jié)計(jì)算所得靶標(biāo)中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)位測(cè)量精度進(jìn)行檢校。

1.2測(cè)距精度檢驗(yàn)

依據(jù)點(diǎn)位精度檢驗(yàn)計(jì)算所得中心坐標(biāo)，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)之間的距離，并與全站儀計(jì)算所得相應(yīng)點(diǎn)間距進(jìn)行對(duì)比分析，若互差超過(guò)限值，則儀器測(cè)距精度不達(dá)標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行重新檢校。

1.3點(diǎn)云拼接精度檢驗(yàn)

選取具有一些明顯特征點(diǎn)的空地，采用測(cè)站/后視的掃描方式逐站掃描并獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。在影像數(shù)據(jù)上選取并標(biāo)注路面上的特征點(diǎn)[13]。使用高精度全站儀觀測(cè)已標(biāo)注特征點(diǎn)，獲取其坐標(biāo)數(shù)據(jù)。然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，提取特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，將其與全站儀觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，若兩者最大差值超過(guò)限值，則點(diǎn)云拼接精度不滿(mǎn)足工程需要。

2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)選用拓普康的GLS-1500地面三維激光掃描儀和1″級(jí)高精度全站儀。GLS-1500地面三維激光掃描儀的測(cè)距精度為4mm@150m，靶標(biāo)測(cè)量精度為6mm@50m。

2.1點(diǎn)位精度檢驗(yàn)

使用三維激光掃描儀分別掃描1號(hào)點(diǎn)(Pt1)、2號(hào)點(diǎn)(Pt2)、3號(hào)點(diǎn)(Pt3)和4號(hào)點(diǎn)(Pt4)獲取球面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用重心類(lèi)方法獲取擬合點(diǎn)的中心坐標(biāo)。利用全站儀獲取球體中心坐標(biāo)值，兩者之間的差值見(jiàn)表1。

表1　位置觀測(cè)誤差值

通過(guò)求取兩種手段獲取的基準(zhǔn)點(diǎn)和檢校點(diǎn)的中心坐標(biāo)的差值來(lái)判斷地面三維激光掃描儀點(diǎn)位精度。通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)可以得出，地面三維激光掃描儀的點(diǎn)位精度滿(mǎn)足其標(biāo)稱(chēng)精度，可以進(jìn)行正常的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工作。

2.2測(cè)距精度分析

使用地面三維激光掃描儀的靶標(biāo)測(cè)量功能，順序獲取所有靶標(biāo)位置0號(hào)點(diǎn)(Pt0)、1號(hào)點(diǎn)(Pt1)、2號(hào)點(diǎn)(Pt2)、3號(hào)點(diǎn)(Pt3)和4號(hào)點(diǎn)(Pt4)的三維坐標(biāo)信息，記錄靶標(biāo)觀測(cè)量。通過(guò)點(diǎn)位距離計(jì)算公式計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)和離散靶標(biāo)點(diǎn)之間的斜距值，見(jiàn)表2。

表2　靶標(biāo)測(cè)量距離值　m

使用全站儀順序觀測(cè)所有靶標(biāo)位置的三維坐標(biāo)信息，通過(guò)點(diǎn)位距離計(jì)算公式計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)和離散靶標(biāo)點(diǎn)之間的斜距值，見(jiàn)表3。

表3　全站儀原始觀測(cè)值及斜距離值　m

對(duì)比分析靶標(biāo)觀測(cè)量的斜距值與全站儀觀測(cè)量的斜距值，見(jiàn)表4。

表4　靶標(biāo)與全站儀觀測(cè)量的斜距值對(duì)比

通過(guò)求取兩種手段獲取的基準(zhǔn)點(diǎn)和檢校點(diǎn)之間的距離的差值來(lái)判斷地面三維激光掃描儀測(cè)距精度。通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)可以得出，地面三維激光掃描儀的點(diǎn)位精度與拓普康GLS-1500的測(cè)距精度相差不大，滿(mǎn)足其標(biāo)稱(chēng)精度，可以進(jìn)行正常的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工作。

2.3點(diǎn)云配準(zhǔn)精度檢驗(yàn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)是指把不同坐標(biāo)系統(tǒng)下的點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。在攝影測(cè)量中，匹配的方法是在像方找到相鄰影像的同名點(diǎn)，再映射到空間方，解算出相鄰模型的空間相似變換參數(shù)，以此拼接影像。通過(guò)此方法來(lái)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，需要保證有精度足夠好的公共靶標(biāo)點(diǎn)云坐標(biāo)。但是由于地面三維掃描儀本身精度的局限性，設(shè)站位置的不同，外界環(huán)境的影響，公共靶標(biāo)中心反射率的強(qiáng)弱、靶標(biāo)的材質(zhì)和粘貼、靶心提取的誤差等因素，都會(huì)影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度[14]。按照測(cè)站后視的方法依次分站掃描路面，獲得7站掃描數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2。

圖2　拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通過(guò)影像數(shù)據(jù)選取清晰可辨的特征點(diǎn)(Control Point，簡(jiǎn)稱(chēng)CP)，利用全站儀或者GPS獲取路面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5　檢驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)　m

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)融合，獲得帶RGB色的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將GPS觀測(cè)的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，其位置關(guān)系如圖3所示。

圖3　特征點(diǎn)信息對(duì)比

通過(guò)量測(cè)功能，量取GPS儀獲取的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)和點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)在X，Y和Z3個(gè)方向的誤差值，如表6所示。

路面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)在X，Y和Z3個(gè)方向的中誤差值分別為0.0238m，0.0273m和0.0016m，拼接后的成果滿(mǎn)足一般工程產(chǎn)品的制作精度要求，可以進(jìn)行正常的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工作。

表6　數(shù)據(jù)精度對(duì)比　m

3結(jié) 論

以1″級(jí)高精度全站儀所測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，基于重心類(lèi)方法提取出靶標(biāo)中心位置信息，通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)三維激光掃描儀精度進(jìn)行了檢驗(yàn)，從而達(dá)到了快速檢驗(yàn)三維激光掃描儀精度的目的，為地面三維激光掃描儀精度的定期檢驗(yàn)提供了一種有效的解決方法。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

靶標(biāo)中心坐標(biāo)提取過(guò)程步驟為：初次擬合平面；噪聲點(diǎn)剔除；擬合平面；重心類(lèi)提取中心坐標(biāo)。

[收稿日期]2015-08-31

[基金項(xiàng)目]中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201511413077)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(C201502027)

[作者簡(jiǎn)介]段龍飛(1985-)，男，山西長(zhǎng)治人，在讀博士生，從事3S及其應(yīng)用研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD172

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)02-0114-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.030

[引用格式]段龍飛，李培現(xiàn)，李雪松，等.三維激光掃描儀測(cè)量精度的快速檢查方法[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(2)：114-117.