85-29-三維激光掃描儀測量精度的快速檢查方法-2016年第2期

1、段龍飛等：三維澈光掃猶儀度的快連檢查方法2016年第2期三維激光掃描儀測量精度的快速檢查方法段龍飛，李培現(xiàn)，李雪松，謝艷清，詹佳琪仲國礦業(yè)大學(xué)a匕京）北京looo林）摘 要 地if三維漱光掃描儀作為一的測儀器，可以為測繪等領(lǐng)城提供海量基確數(shù)務(wù).為了實時快速對其測量蒂度進行檢驗.基干實踐經(jīng)驗.在應(yīng)用重心類方法獲取球體中心坐標信息的基礎(chǔ)上.通過對比離精度全站儀和三維激光掃描儀相應(yīng)數(shù)擁.對二旺掃描儀的點位將度、測距將度和點云拼接蒂度進行了快速檢驗關(guān)鍵詞三維激光掃描儀；點位特度；測距特度；點云拼接特度；繪校中圖分類號TD172 文獻標識碼B 文章編號1006-6225 （2016 ） 02-0114-

2、04Rapid Detection Method of Point Precision of 3-D Laser Scanner#段龍飛等：三維澈光掃猶儀度的快連檢查方法2016年第2期#段龍飛等：三維澈光掃猶儀度的快連檢查方法2016年第2期【收稿日期 1 2015-08-31lM）l 10. 13532/j. cnki. cnl 1 -3677/i（L 2016. 02. 030【基金項目中國礦業(yè)大學(xué) 優(yōu)京）大學(xué)生創(chuàng)業(yè)洞妹頊目Q0151I413077 ）；中國礦業(yè)大學(xué)'< 201502027 ）作者簡介】段龍飛（1985-）,男.山西長治人.在讀博士生.從事3S及其應(yīng)用研究引

3、用格式段龍飛.李培現(xiàn).李雪址.等.三維激光掃描儀測量帶度的快速蝕査方法J煤礦開采.2016. 21 Q）： 114-117.地面三維激光打描儀具冇快速獲取海忙點加數(shù) 據(jù)的能力.為測繪等領(lǐng)域提供皋礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今主流 的地而三維激光打描儀如拓普康GLS-2000的測量 精度為 4mm® 150m,徐卡 P20 為 6mm 100m, FA KO X330為2mm25m等.精度可以達到毫米 級'-2 o但是，扌描儀在獲取數(shù)據(jù)時不町避免地會 產(chǎn)生謀差，誤差來源主要冇3種：儀器系統(tǒng)誤差、 H標反射物產(chǎn)牛的誤差和外部環(huán)境造成的謀差vo 儀器系統(tǒng)誤差必須通過H常的儀器檢校作使貝:影 響最小化

4、。因此，當?shù)孛嫒S激光扌描儀經(jīng)過長時 間使用、磨損、震動或其他原因?qū)е缕錅y量粘度降 低甚至發(fā)牛測就錯誤時.必須對地而三維激光打描 儀做定期精度檢校T作。目前國內(nèi)針對地面三維掃描儀的測距檢測方法 比較單一，通常采用六段解析法來檢定三維激光打 描儀的測茨榊度。六段解析法是一種不需妥知道茶 線的精確長度.而采用全站儀本身的測就成果.通 過間接平差計算求出加常數(shù)K的方法。它不受對 中謀差及乘常數(shù)的影響。該方法對丁測距精度的檢 驗椿度較高.但是相對比較緊瑣。國內(nèi)的許多學(xué)者 對六段解析法進行了研究.如蔡慶牛應(yīng)用六段解析 法檢定了彳來R CI0的精度滿足出廠的精度要求4 ； 謝宏泉采用六段解析模型，并通過M

5、atlab編程驗 證了彳來卡CI0在50m測距范圍內(nèi)和50m測距范圍 外的測距精度變化規(guī)律“；劉春分析了激光掃描 儀的主要誤差來源，介紹了三維激光扌描儀的檢校 原理和方法.從測距、測角、大氣影響等方面，對 激光掃描儀的精度進行測試和評定（° ；冒愛泉利 用高梢度基線場，通過皋線比較計算打描儀的加、 乘常數(shù)，給出誤差改正模型皿；張啟ft（提出了基 丁簡易六段解析法的測距精度檢校方法，并通過 RIEGL VZ-400驗證了該方法的精度本文通過 三維激光知描儀打描特定靶標球.應(yīng)用朿心類方法 獲得球體的中心位置信息，然后將獲得的目標點位 遂求差獲得斜距值.通過對比不同加線之間的斜距 値來分析

6、打描儀的茨離觀測持度.從而達到快速檢 驗地面三維激光打描儀點云數(shù)據(jù)精度的忖的。1試驗方案針對程應(yīng)用中的實際問題.本文進行了儀器 的測距精度、點云拼接精度和靶標精度的快速檢 校。由于三維激光掃描儀具有3種掃描模式：點云 打描、靶標打描和棱鏡tl描。根據(jù)各種打描的待 點，在點位持度檢驗時采用點云打描模式以更好 地獲取靶標中心位置信息。11點位精度檢驗1.1.1點位精度檢校試臉平臺的設(shè)計選擇140mm直徑的靶標及其配套的棱鏡作為 打描儀及全站儀觀測的H標對象3。為了保證靶 標能夠平穩(wěn)地放在凹陷區(qū)域，同時保證打描儀町以 獲得足夠點云數(shù)據(jù)來擬合中心位置坐標，試驗設(shè)汁 了一個下向M陷的磁塊作為支揑臺M陷的

7、部分保 證與靶標相互吻合。如圖1所示黑色長方體為磁性 支架，圓形為靶標，測站位置上架設(shè)掃描儀并対中 整平.靶標作為基準點，、和號靶標作 為檢校點。號點和號點之間的角度保持在4590。之間。圖1點位持度檢夠設(shè)計臺1. 1.2耙標中心位置坐標提取方法靶標中心坐標提取過程步騾為：初次擬合平 面；噪聲點剔除；擬合平面；重心類提取中心坐 標。(1)初次擬合平面平面的一般方程表達式為：z = aox + axy + a2(1 )令S最小,則：嘗 DO. 1. 2)S = 丫 GoxJ +(”； + «2 -二；)2(2 )fnnnyx2yxyyri iiA = 11= !J = 1itftnZ

8、xz. = 1:w ft5=1 1 1 1 1 1 ItIt工&n<4 = 1i = 1<«2>1 1pV i = I/解此川求出.即町求出平面的表達 式。Q)噪尙點剔除以點到平而的更離與所冇點到平面茨離的平均 值之差為則中誤差為§ =花耳 以二倍中 誤差為閾值,若距離差值大丁閾值，則別除該點.0)擬合平面噪聲點別除后的數(shù)據(jù)再次擬合平面.過程同初 次擬合平面。0)巫心類提取中心坐標取所冇點云坐標數(shù)據(jù)的平均值為靶標的中心坐 標值，即% = 2 X Jn ； y =工 Yt/n ； z =工 Z,/n 4 )1. 1.3點位測童赭度檢驗首先將靶標放置在

9、號點位置上.打描號點 獲取球面點厶數(shù)據(jù).通過軟件處理擬合出球體中心 位置信息。然后再順序掃描、和號點位置, 獲取、和號球體的中心位世信息。取下打描 儀，放置全站儀并對中整平。類似地分別在、 、和位置上放置配套棱鏡咪形靶標和球 熨棱鏡的半徑大小相等，以保證獲取的點位坐標一 致)，順序觀測4個棱鏡位置，記錄全站儀的觀測 值。為了減少觀測謀差.采用多次觀測取平均值作 為真實的觀測值。以全站儀數(shù)據(jù)為基準，通過比較其與1. 1.2節(jié) 計算所側(cè)靶標小心坐標數(shù)據(jù)，対點位測雖梢度進仃 檢校。1.2測距精度檢驗依據(jù)點位精度檢驗計算所得中心坐標計算各 個點之間的距離，并與全站儀計算所得相應(yīng)點間距 進行對比分析，若

10、互痊超過限值，則儀器測距柄度 不達標.應(yīng)進行重新檢校。1.3點云拼接精度檢驗選取具有一些明屯特征點的牢地.采用測站/ 后視的切描方式逐站扌描并獲取三維點厶數(shù)據(jù)和形 像數(shù)據(jù)。在影像數(shù)據(jù)上選取并標注路面上的特征 點。使用高特度全站儀觀測已標注待征點.獲 取其坐標數(shù)據(jù)。然后對點公數(shù)據(jù)進行后處理.提取 特征點的三維坐標信息，將其與全站儀觀測值進行 對比分析.若兩者戰(zhàn)大差值超過限值.則點云拼接 特度不滿足匸程需要。2試驗數(shù)據(jù)試驗選用拓?f康的GI-1500地面三維激光打 描儀和1"級高精度全站儀。(；15-150()地面三維激 光扌描儀的測距梢度為4mm 150叭 靶標測址粘 度為 6inm

11、50m o 2.1點位精度檢驗使用三維激光掃描儀分別掃描1號點 31)、 2號點32)、3號點33 )和4號點(Bt4 )獲 取球面點/；數(shù)據(jù)，應(yīng)用啦心類方法獲取擬合點的中 心坐標。利用全站儀獲取球體中心坐標值，兩者之 間的差值見表1°表1位置觀測誤差值點U全站儀斜距值/小扌描儀斜距值/山謀基值/mmhl-H27. 73257. 72992.6ni-m7. 62197. 62031.6ni-iM7. 68257. 68121.3115段龍飛篩：三維澈光掃猶儀度的快方法2016年第2期通過求取網(wǎng)種于段獲取的基準點和檢校點的中 心坐標的差值來判斷地而三維激光打描儀點位精 度。通過對比數(shù)據(jù)

12、町以得出.地面三維激光掃描儀 的點位精度滿足其標稱粘度町以進行正常的匸程 應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工作。2.2測距精度分析使用地面三維激光掃描儀的靶標測就功能，順 序獲取所有靶標位置0號點（皿）、1號點 31）、2號點（Pi2 ）、3號點（H3 ）和4號點 4）的三維坐標信息.記錄靶標觀測就。通過點 位茨離計算公式計算基準點和離散靶標點之間的斜 距值,見表2。表2靶標測星距離值in觀測數(shù)據(jù)HK）-mPI0-H2HI0-P6I¥)-Pt4平距0.0550. 2580. 4061.576料距19.71849. 52450. 03351.261使川全站儀順序觀測所冇靶標位世的三維坐標信息通過點位距離計

13、算公式計算基準點和離散靶標點之間的斜茨值.見表3。表3全站儀原始觀測值及斜距離值in點號XYZ解距值979. 3272051.90711.867hl981.5682032.31511.92919. 720h21(X)3. 7332008.81312. 12649. 52611310W. 9872008. 95411.46250.036Pi41(X)5. 8792008. ()X510. 29351.263對比分析靶標觀測蜃的斜距值與全站儀觀測M的斜距值.見衣4。表4靶標與全站儀觀測屋的斜距值對比點號IB標斜距值/m全站儀斜甌值/跳謀差值/mmPtO - Hl19.71819. 7202.0Pt

14、O - Pt249. 52449. 5262.0PtO - H350.03350.0363.0PiO - h451.26151.2632.0通過求取網(wǎng)種手段獲取的展準點和檢校點之間 的茨離的莘值來判斷地面三維激光打描儀測茨粘 度。通過對比數(shù)據(jù)町以得出，地面三維激光JU描儀 的點位粘度與拓普康CLS-1500的測距精度相差不 大.滿足其標稱精度.町以進行正常的程應(yīng)用數(shù) 據(jù)采集T作。2.3點云配準精度檢驗點云配準足指把不同坐標系統(tǒng)下的點云坐標轉(zhuǎn) 換到統(tǒng)一的坐標系下。在攝影測就中匹配的方法 是在像方找到相鄰影像的同名點，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。通過此方法來進

15、行點云配準.需耍保證冇 精度足夠好的公共靶標點云坐標。但SlIlT地面三 維打描儀本身精度的局限性.設(shè)站位弦的不同.外 界環(huán)境的影響，公共靶標中心反射率的強弱、靶標 的材質(zhì)和粘貼、靶心提取的誤舜等因索，都會影響 點云數(shù)據(jù)的拼接特度“。按照測站后視的方法依 次分站打描路面，獲得7站打描數(shù)據(jù)，見圖2I7AM I171116.1 316 721IJO)I4M»13/X8113圖2拼接后的點云數(shù)據(jù)通過影像數(shù)據(jù)選取清晰町辨的特征點（ControlPoint,簡稱CP）.利用全站儀或者GPS獲取路面 特征點數(shù)據(jù)，見表5。表5檢驗點坐標m點號XYZCP144()4083. 1388459649.

16、759814. 0947CK24404086.9015459653. 941914.0783CB34404090. 9298459658. 271714. 0549CP444()4079. 6797459653. 307914. 1579CP544040K4. 5715459661. 205514.1368CP644040K4. 5715459655. 260314. 1080CK74404081.675()459563. 435914. 0778將點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)融合.獲得帶R（；R色 的點広數(shù)據(jù).再將GPS觀測的特征點數(shù)據(jù)導(dǎo)入至 點云數(shù)據(jù)中，其位置關(guān)系如圖3所示。>4$%$545%

17、«圖3特征點信息對比通過量測功能.量取CPS儀獲取的特征點數(shù) 據(jù)和點云對應(yīng)的特征點數(shù)據(jù)在xy和2 3個方向 的謀差值,如表6所示。路面特征點數(shù)據(jù)在X和Z 3個方向的中謀表6數(shù)據(jù)精度對比in點號XYZCPl-rl0.00210. ()5320.0023CH2-r20.03350.02210. 0007CE3-r30. (X)52-0. (X)770. 0(X)1CP4-t40. 00230. 02610. 0()21CP5-r50.02950.01350. 0022(：P6-t60. ()305-0. 01430. 0(X)1CR7-r70. 021()-0. (X)390. 0002

18、中謀差0.02380. 02730.0016差值分別為0. 0238 m, 0. 0273m和0.0016m,拼接 后的成果滿足一般程產(chǎn)品的制作精度要求.町以 進行正常的1程應(yīng)用數(shù)據(jù)采集作。3結(jié)論以1"級高精度全站儀所測數(shù)據(jù)為加準，展于 朿心類方法提取出靶標中心位置信息.通過設(shè)計簡 易的檢測平臺.對三維激光打描儀粘度進行了檢 驗，從而達別了快速檢驗三維激光疔描儀精度的口 的.為地而三維激光打描儀精度的定期檢驗提供了 一種有效的解決方法。參考文獻J劉 存張?zhí)N靈.吳杭彬地面三維激光打描儀的檢枚與fa 度評估UJ丁程期察.200937 （II ）： 56-6066.2陳允芳葉澤IT1.謝彩

19、命 等【MU/D（舲輔助乍戟CCD及激 光扌描儀三維數(shù)據(jù)采集與建模IJ）測繪科學(xué).2006. 31 6 ）： 91-92. 77.3陳俊杰何仇濤基于激光點云的平面覽標中心坐標提取方 法研究JT稈妙察.2013. 41 « ）： 53-57.4J粲慶生.地血三維激光扌描儀測距檢校與帝度評泄JJ測（±接72頁）充分開采條帶煤柱的穩(wěn)定性進行分析.依據(jù)數(shù)值試 驗結(jié)果設(shè)計了條帶開采的方案，主要結(jié)論如下：（1）應(yīng)用FLaL冇限元程序?qū)?2煤層不同開 采寬度上覆巖層的移動破壞過程逬行了數(shù)值模擬計 算.認為采動程度是控制該采區(qū)地表移動和變形的 主要閃素.并給出了極不充分開采采出寬度的計算

20、方法"0）設(shè)計了 12煤層的條帶開采方案，確定12 煤采寬60m留寬70m的開采方案.實際應(yīng)用驗 證了方案的町行性。參考文獻1劉金輝.張 垮.林南倉礦業(yè)分公司風(fēng)井丁業(yè)場地及風(fēng)機房 擁壞原兇分析JI礦山測域2006 Q： 69-71.繪與空間地理信息.2015. 38 (1 )： 217-221 15J謝密全島#偉.邵洋地血三維激光扌描儀測距帝度檢 校試驗研究 測繪通報.2()13 (12 )： 25-27.16劉 徐暢 偉.三維激光掃描儀對構(gòu)筑物的采集和空何建 模J 丁程勵疾.2(X)6. 34 «)： 49-53.17.忖愛泉朱益虎.擁思寶.等.地血三維激光扌描儀帝度測

21、評方法和謀羞改正模巾研究IJ測繪通報.2014 G)： 72 75.&張啟福.孫現(xiàn)申.王 力.基于簡易六段法的RIEGL VZ-400 激光扌描儀侑度測試方法研究JI：程勒察.201H 39 G )： 63-66 81.9_ Yuri、Krli<*huk« Milan Horeinuz Lnw E. Sioln-rg Drlennination <»i (hr oplimal ilidimMrr >phri*ical largHs um-<! in 31) Iumt ncan- niiig. Suney Review. 2005. 38 G9

22、7 )： 243-253.(10 J Kulzani M. . PrllrgriixHi A PfriHti. N. und Uocelli. F 2001. A terrrstrial laer M*anner: acc uracy PixMrr<lings of 18,k Intemalional Syn>|MHiun)CIPA 2001 Potsilam (Germany ) SrptmJjer 18-21 ： 445 -453.11 Shullz. T. un<l Ingrnsaixl II. 2(X)4. Trrrrslriiil lailscr scan- ning-liivotigdtion and Applications lor High PrvciMoii Scanning. Pmceedi® of FIG Working Week. AtheiM Greece. May 22 -27. htlp：