CC BY
135
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ УРАВНИВАНИЯ ДАННЫХ МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Максим Александрович Алтынцев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (383)343-29-66, e-mail: mnbcv@mail.ru
Егор Станиславович Анцифиров
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент 5-го курса факультета «Информационные системы»
В статье рассмотрены особенности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования, полученных съемочной системой Lynx M1 фирмы Optech. Описана методика уравнивания данных мобильного сканирования в программном комплексе TerraSolid. Приведены результаты уравнивания данных, полученных на территорию г. Новосибирска.
Ключевые слова: мобильное лазерное сканирование, уравнивание данных, точность.
ACCURACY RESEARCH OF MOBILE LASER SCANNNING DATA ADJUSTMENT
Maxim A. Altyntsev
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, Russia, senior teacher, photogrammetry and remote sensing department, tel. (383)343-29-66, e-mail: mnbcv@mail.ru
Yegor S. Antsifirov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, Russia, student
In the article features of the mobile laser scanning data adjustment obtained by Optech Lynx M1 are considered. The technique of mobile scanning data adjustment in software TerraSolid is described. The results of the data adjustment obtained for Novosibirsk area are given.
Key words: mobile laser scanning, data adjustment, accuracy.
Вопрос точности и качества создаваемой продукции в любой области является одним из наиважнейших. На точность влияют самые разнообразные факторы, зависящие как от средства измерений, так и вида процесса их обработки. При мобильном лазерном сканировании это модель съемочной системы, условия съемки, её территория, геодезическое обеспечение, такое как количество базовых станций и схема их размещения, программное обеспечение для обработки данных сканирования, методика их калибровки и уравнивания, требуемый вид окончательной продукции, такой как, например, топографический план или трехмерные модели объектов снимаемой территории. Среди данных факторов особо стоит выделить этап калибровки и уравнивания данных, как один из самых ответственных и оказывающий наибольшее влияние на окончательную точность. На этих этапах устраняются различия между положением облаков точек лазерных отражений, полученных различными ла-
зерными сенсорами и при различных проходах, то есть проездом транспортного средства, на котором установлена мобильная лазерная сканирующая система, по одной территории более чем один раз. Количество лазерных сенсоров, входящих в состав мобильной лазерной сканирующей системы, обычно составляет 2 [1, 2, 8-11].
Методика калибровки и уравнивания данных сканирования зависит от их первоначального качества, снимаемой местности и используемого программного обеспечения. Например, выполнить уравнивание данных сканирования, полученных на городскую территорию, проще и быстрее, чем данных, полученных на лесную и сельскую местность, за счет наличия большего числа четких границ различных объектов городской среды. Общая методика уравнивания данных сканирования городских территорий почти всегда более автоматизирована [3-6].
Цель данной работы заключалась в исследовании точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования, полученных на городскую территорию. За исходные были взяты данные съемки территории нескольких объектов г. Новосибирска, выполненной мобильной лазерной сканирующей системой Lynx M1 фирмы Optech: аэропорт «Толмачево», выставочный центр, технопарк Академгородка, оперный театр, северный объезд, советское шоссе и другие. Данные были предварительно откалиброваны в программном комплексе TerraSolid. Калибровка заключалась в определении значений поправок в углы крена, курса и тангажа положения головок лазерных сканеров в момент съемки и осуществлялась в ПК DashMap. Ошибки в определении данных углов отражаются в том, что, например, соответствующие облака ТЛО вертикальных объектов, таких как стены зданий, полученные при различных проходах, оказываются непараллельными друг другу. Также углы крена и тангажа оказывают влияние на ошибку в высотном положении объектов.
Уравнивание данных выполнялось в ПК TerraSolid. В результате экспериментальных исследований было определено, что на первом этапе необходимо устранить систематическую ошибку в высотном положении головок лазерных сканеров друг относительно друга, так как данная ошибка оказывает существенное влияние на дальнейшее определение поправок в углы курса, крена и тангажа. В табл. 1 приведены найденные в ПК TerraSolid поправки за угол курса, крена и тангажа после исключения систематической ошибки в высотном положении головок сканеров и без исключения. Как видно, поправки после исключения данной систематической ошибки отсутствуют, что свидетельствует о высокой точности калибровки данных в ПК DashMap. Поэтому этап устранения ошибок в высотном положении головок сканеров следует отнести к задаче калибровки данных. На рис. 1 показаны примеры облаков ТЛО после применения различных поправок. Ошибка между высотным положением головок сканеров в данном случае составляла 5 см.
Поправки за углы курса, крена и тангажа
Таблица 1
Поправки без исключения систематической ошибки Поправки после исключения систематической ошибки
№ Сканера Курс Крен Тангаж Курс Крен Тангаж
1 -0.0234 0.437 -0.856 0 0 0
2 0.0006 0.456 0.878 0 0 0
Рис. 1. Влияние различных поправок на положение ТЛО: а - до внесение поправок; б - после внесения поправок в высотное положение ТЛО; в - после внесения ошибочно найденных поправок за углы курса, крена и тангажа
Далее автоматически определялись локальные поправки в углы курса, крена и тангажа на различных участках траектории движения мобильной лазерной сканирующей системы. Поиск поправок осуществлялся с помощью найденных связующих линий, соответствующих различным облакам точек одноименных объектов (рис. 2). Значение средней ошибки между положением соответствующих ТЛО из разных проходов до внесения поправок в углы курса, крена и тангажа составила 0,025 м. После внесения поправок значение данной ошибки составило 0,020 м.
Следующим шагом являлось устранение ошибок планового положения объектов местности. Данный этап необходимо выполнять в интерактивном режиме посредством набора связующих точек на краях нанесенной дорожной разметки и на углах зданий (рис. 3) по всей траектории движения. Интерактивный процесс набора точек является самым ответственным этапом, так как существует проблема неправильной идентификации каких-либо углов объектов вследствие возможного недостаточного количества точек на каком-либо проходе.
Рис. 2. Пример найденных связующих линий
Рис. 3. Пример интерактивного набора связующих точек
По найденным точкам вычислялись поправки в плановые координаты положения ОРБ-антенны. Для контроля были измерены в интерактивном режиме координаты хорошо отображаемых на облаке ТЛО нескольких углов зданий, не участвовавших в уравнивании. Были рассчитаны ошибки несовпадения координат точек, набранных по углам зданий и дорожной разметке, участвовавших
в уравнивании, и ошибки по контрольным точкам. На последнем этапе устранялись ошибки высотного положения ТЛО. Поиск поправок осуществлялся по автоматически найденным связующим линиям. После внесения поправок были рассчитаны ошибки высотного положения объектов по опорными и контрольным точкам. Результаты окончательной оценки точности приведены в табл. 3. На рис. 4 показа пример положения ТЛО после уравнивания.
Таблица 3
Оценка точности уравнивания координат ТЛО
Опорные точки Конт рольные точки
X, м Y, м Z, м X, м Y, м Z, м
Средняя ошибка 0.019 0.020 0.007 0,020 0,016 0,010
СКО 0.030 0.027 0.011 0,027 0,021 0,014
Макс. ошибка 0.116 0.110 0.031 0,071 0,069 0,042
Рис. 4. Пример уравненного облака ТЛО
Таким образом, были проведены исследования точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования, полученных для городской территории. В ходе уравнивания данных на территорию г. Новосибирска были сделаны следующие выводы:
- необходимо устранять систематическую ошибку в высотном положении головок лазерных сканеров друг относительно друга на этапе калибровки данных сканирования;
- следует выполнять устранение ошибок в угловых элементах ориентирования положения головок лазерных сканеров и ошибок высотного положения ТЛО посредством автоматического поиска связующих линий по ТЛО, соответствующим классу земли и классу стен зданий.
- следует выполнять устранение ошибок планового положения ТЛО в интерактивном режиме посредством набора связующих точек на краях нанесенной дорожной разметки и на углах зданий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ussyshkin, V. Mobile Laser Scanning Technology for Surveying Application: From Data Collection to End-Products [Text] / V. Ussyshkin //FIG working week. - Eilat, Israel, 3-8 May 2009.
2. Середович В.А., Востров И.В. Обзор современных программных продуктов для создания и использования трехмерных моделей для проектирования автомобильных дорог // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 115-120.
3. Ковач Н.С., Клименок И.В. Возможности применения мобильного лазерного сканирования для мониторинга дорог и сопутствующей инфраструктуры на основе опыта произведённых работ на участках Октябрьской, Рязанской, Смоленской и Брянской железных дорог // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 92-97.
4. Деговцев А.А. Технология мобильного лазерного сканирования для выполнения проектно-изыскательских работ // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 140-144.
5. Антипов А.В. Калибровка данных воздушного лазерного сканирования в программном продукте TerraSolid // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 4. - С. 7-10.
6. Алтынцев М.А., Антипов А.В. Уравнивание данных воздушного лазерного сканирования для создания поверхности дорожного полотна // Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами: сб. материалов Междунар. конф. - Алматы, Республика Казахстан: Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева, 2012. - С. 24-31.
7. Широкова Т.А., Антипов А.В., Арбузов С.А. Определение изменений на местности с применением данных лидарной съемки // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 38-45.
8. Методика лазерного сканирования и пропорционального анализа форм памятника архитектуры (на примере храма Александра Невского в Новосибирске) / А.В. Радзюкевич, М.А. Чернова, В.А. Середович, А.В. Иванов, О.Р. Мифтахудинова // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 121-132.
9. Проверка внутреннего очертания тоннеля при помощи наземного лазерного сканера / Е.И. Горохова, И.В. Алешина, Е.В. Романович, А.В. Иванов, А.Р. Мифтахудинов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 107-114.
10. Секачев П.М. Разработка мобильных лазерных сканеров на примере АПК «Скан-путь» // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 102-106.
11. Гук А.П., Гордиенко А.С., Лазерко М.М. Основные научные исследования кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования в 2010 году: автоматизация дешифрирования космических снимков, построение 3d моделей по материалам дистанционного зондирования // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 4, ч. 1. - С. 22-27.
© М.А. Алтынцев, Е.С. Анцифиров, 2013
