Исследования точности измерений, выполненных наземным лазерным сканером Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ,

ВЫПОЛНЕННЫХ НАЗЕМНЫМ ЛАЗЕРНЫМ СКАНЕРОМ

Владимир Адольфович Середович

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, оф. 106, к.т.н., профессор, проректор по инновационной деятельности, тел. (383) 343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru

Андрей Васильевич Иванов

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108 , Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер, Региональный центр лазерного сканирования, тел. (383) 361-00-66, e-mail: geoid@ngs.ru

В статье приведена методика и результаты исследования точности измерений наземными лазерными сканерами Leica Scanstation C10 и RIEGL VZ400.

Ключевые слова: методика, точность измерений, наземный лазерный сканер (НЛС).

RESEARCH OF TERRESTRIAL LASER SCANNER MEASUREMENTS ACCURACY

Vladimir A. Seredovich

Ph.D., Prof., Vice-rector for Innovation, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, phone: (383) 343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru

Andrey V. Ivanov

Lead engineer, Regional Centre for Laser Scanning, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, phone: (383) 361-00-66, e-mail: geoid@ngs.ru

The techniques and research results concerning Leica Scanstation C10 and RIEGL VZ400 laser scanners measurement accuracy are presented.

Key words: technique, measurement accuracy, terrestrial laser scanner.

Применяя технологию наземного лазерного сканирования (НЛС) в производстве, у исполнителя работ возникает задача оценки точности полученного результата измерений. Применительно к НЛС на сегодняшний день отсутствуют сведения о точности и применяемых методиках измерений. По этой тематике отсутствует нормативно-техническая документация. Информация, заявленная производителем оборудования, зачастую отражает погрешность единичного измерения, величина которой была получена на основе использования, как правило, стандартов оценки погрешности измерений НЛС действующих только в Евросоюзе [1].

Опыт, накопленный специалистами Регионального центра лазерного сканирования в Сибирской государственной геодезической академии показал, что выполняя определенным образом полевые и последующие камеральные работы с использованием НЛС, можно повысить точность получаемых результатов измерений по отношению к заявленным производителем в несколько раз [2]. Для

подтверждения этого были выполнены эксперименты, нацеленные на получение количественных величин погрешностей, с применением действующих для Российской федерации стандартов оценки точности измерений в геодезии.

В эксперименте было решено использовать две модели НЛС, а именно Leica Scanstation C10, страна производитель Швейцария и RIEGL VZ400, страна производитель Австрия. Для этих сканеров основными точностными параметрами, заявленными производителями, является погрешность определения координат точки в пространстве (3D погрешность), составляющую около 6 мм, на расстоянии от 1 до 100 м. На практике зачастую пользуются информацией именно о 3D погрешности единичного измерения точки.

В программу экспериментальной оценки точности вошли следующие этапы;

- определение погрешности измерения угловых величин;

- определение погрешности измерений лазерного дальномера НЛС;

- определение погрешности повторяемости измерений на одну точку;

- определение погрешности измерения расстояния между двумя точками в пространстве.

Определение погрешности измерения угловых величин. В ходе исследования возможности определения погрешности измерения угла выявилось, что оценить абсолютную погрешность единичного измерения угломерной части НЛС экспериментальным методом, не представляется возможным, так как в конструкции прибора отсутствует оптический инструмент ориентирования, а фиксирование отчета происходит на основе множества измерений, объединенных каким-либо геометрическим или физическим принципом. Таким образом, оценку погрешности измерения угловых величин разделили на два этапа, в первом этапе оценивали погрешность определения угловой величины на основе совокупности данных НЛС, при двух расстояниях от прибора, на втором этапе оценивали погрешность измерения угла между двумя точками сканерных измерений, без объединения их общим геометрическим принципом [3].

Сущность первого этапа, оценки погрешности определения угла заключается, в использовании радиального полигона с закрепленным центром принудительного центрирования НЛС и 12 специальных светоотражающих сканерных марок, расставленных по кругу в два контура на расстоянии 5 и 25 м, с заранее измеренными, с высокой точностью (« 1") горизонтальным углами (рис. 1).

На втором этапе, оценивалась повторяемость результатов измерения вертикального и горизонтального угла, также при двух расстояниях 10 и 50 м от НЛС до отражательной поверхности, и трех плотностях сканирования с шагом 1 мм, 6 мм, 15 мм на заданное расстояние (рис.1).

Результаты первого этапа определения средней квадратической погрешности (СКП) измерения угла, приведены на рис. 2.

Этап I. Радиальный полигон Этап II. Схема оценки

из 12 специальных марок с шагом регулярности шага сканирования

= 45° на расстоянии 25 м, и г 90° на расстоянии 5 м.

Рис. 1. Принципиальная схема двух этапов, оценки погрешности

измерения угловых величин

Рис. 2. Гистограмма СКП первого этапа

Из результатов, представленных на рис. 2 для первого этапа, видно, что погрешность измерения угла уменьшается с изменением расстояния. Установлено, что погрешность измерения угла сильно зависит от применяемого способа обработки данных НЛС.

Результаты второго этапа исследований погрешности измерения углов представлены на рис. 3 и 4.

6 -I

3 -

ич — - -

^ С

О! Я 1

iE =

2 S, 0

a g U я

ILF

Г ор. угол Верт. угол

Разрешение 1 мм.

Гор. угол Верт. угол Разрешение 6 мм.

Г ор.угол Верт.угол

Разрешение 15 мм.

5

4

Рис. 3. Гистограмма угловой СКП для Leica C10, ряд 1 для расстояния 10 м, ряд 2 для 50 м

Рис. 4. Гистограмма угловой СКП для RIEGL VZ 400, ряд 1 для расстояния 10 м, ряд 2 для 50 м

Из результатов второго этапа исследований видно, что погрешность измерений вертикальных и горизонтальных углов изменяется в зависимости от расстояния до объекта и шага разрешения сканирования.

Для последующих экспериментов, было определено три основных способа обработки данных НЛС, с целью получения итоговой измерительной величины, в последующем условно названной «виртуальной контрольной точкой (ВКТ)» рис. 5.

1. Автоматический способ - с использованием в качестве контрольной точки специальной светоотражающей марки, поставляемую в комплекте с НЛС и закрепляемой на поверхности контролируемого объекта.

2. Полуавтоматический способ - с использованием геометрических свойств контролируемого объекта и аппроксимированных в дальнейшем в данные НЛС геометрических примитивов.

3. Интерактивный способ - на основе вычисления среднего арифметического значения из выбранной области данных НЛС.

Рис. 5. Способы обработки данных НЛС с целью получения ВКТ

Определение погрешности измерений лазерного дальномера НЛС. Для определения погрешности измерений лазерного дальномера НЛС, использовалась эталонная компараторная установка с точностью рабочего эталона 2 разряда и пятью дистанциями « 6 м, 12 м, 48 м, 72 м, 108 м [4].

Сущность эксперимента заключается в установке НЛС в строгом створе между пунктами компараторной установки и последующем измерений расстояний между сканером и пунктом измерения с применением «интерактивного» способа получения ВКТ, рис. 6.

Пластина Пластина

5 = Бі+Бг

Рис. 6. Схема установки НЛС на станции компараторной установки Результаты исследования точности измерений лазерного дальномера НЛС приведены на рис. 7.

м

м

6 -I

4 -

/ / ҐП

т жХ І IJi ü inj

-

л

а

(j

о

т

=

н

л

а

2

и Н ~

^ w 2

и § 1

3 =э 1

Я лі

4 a п «Г 0 a о

U е Расст. 6 м

Leica

C10

Расст. 12 м Расст. 48 м Расст. 72 м Расст. 108 м

Рис. 7. Гистограмма СКП измерения расстояний для двух моделей НЛС

Во всех случаях исследований при разных дистанциях значение СКП измерения расстояний меньше заявленной производителем.

Определение погрешности повторяемости измерений на одну точку. Сущность данного эксперимента заключается в многократном измерении координат точки в пространстве с разрешением сканирования (1 х 1) мм на расстоянии 25 м, от установки НЛС, в течение 1 часа, с интервалом в 1 - 2 минуты, и в последующем определении ВКТ при помощи «автоматического» способа обработки данных НЛС, рис. 8.

Рис. 8. Схема расположения и ориентировки НЛС

Результаты СКП (повторяемости) определения координат ВКТ по данным лазерного сканирования приведены на рис. 9.

Рис. 9. Гистограмма СКП определения координат ВКТ Результаты данного эксперимента также показали, что погрешность определения координат точки в пространстве меньше заявленной производителем и в большей степени зависит от точности измерения расстояния [5].

Определение погрешности измерения расстояния между двумя точками в пространстве. Для определения погрешности измерения расстояний между двумя точками в пространстве разрабатывался специальный тест-объект (рисунок 10), который был сформирован таким образом, что бы позволял реализовать три способа обработки данных НЛС, с целью получения координат ВКТ, представленных на рисунке 5. Далее тест-объект закреплялся на подвижной каретке компараторного устройства длиной 25 м, оснащенный эталонным лазерным интерферометром (RENISHAW ML10), обеспечивающие измерение расстояний между сдвигом каретки с погрешностью до 0,7 мкм. Данная эталонная компараторная установка располагается в Сибирской государственной геодезической академии, в специальном помещении, где поддерживается стабильный микроклимат рис. 11.

1. Объект плоскость;

2. - Сфера (диаметр 140 мм.);

3. №2R - Сфера (диаметр 140 мм.);

4. М1 - Марка (специальная светоотражающая);

5. М2 - Марка (специальная светоотражающая);

6. М3 - Марка (специальная светоотражающая);

7. Итого: 3 типа объектов

Рис. 10. Общий вид и описание тест-объекта

Сущность данного эксперимента заключалась в сдвиге подвижной каретки с закрепленным на ней тест-объектом на 4 положения (рис. 11) и измерения расстояний сдвига при помощи эталонного лазерного интерферометра и НЛС.

Проведение эксперимента разделилось на два этапа. Первый этап - выполнение измерений на компараторной установке в лабораторных условиях, при 4 положениях каретки компаратора, трех разрешениях сканирования (1 х 1) мм, (4 х 4) мм, (8 х 8) мм, на расстоянии от ~ 20 до 25 м, и 5 подходов, с применением трех способов обработки данных НЛС с целью определения координат ВКТ [6].

Рис. 11. Общий вид компараторной установки и расположение НЛС

Второй этап - определения погрешности измерения расстояний между двух ВКТ на основе повторяемости измерений. Выполнение измерений в нормальных полевых условиях, при 5 положениях тест-объекта и одном разрешении сканирования (4 х 4) мм, на расстоянии от ~ 50 до 100 м, с применением «интерактивного» способа обработки данных НЛС, определения координат ВКТ [7].

Результаты СКП измерения расстояний между двумя точками ВКТ, первого этапа представлены в табл. 1 и 2. Результаты СКП измерения расстояний между двух точек ВКТ, второго этапа представлены на рис. 12.

Таблица 1

Средняя квадратическая погрешность определения расстояний между виртуальными контрольными точками для НЛС Leica C10

Положение каретки

A-B B-C C-D A-C

Тип Имя Количество подходов Количество подходов Количество подходов Количество подходов Сред нее,

5 5 5 5 мм

Разрешение, мм Разрешение, мм Разрешение, мм Разрешение, мм

1 4 8 1 4 8 1 4 8 1 4 8

Средняя квадратическая погрешность, мм

Марка М1 0,294 0,517 - 0,466 0,829 - 0,334 0,512 - 0,408 0,242 -

М2 0,247 0,618 - 0,460 0,741 - 0,319 0,543 - 0,116 0,387 - 0,43

М3 0,195 0,710 - 0,394 0,418 - 0,372 0,508 - 0,341 0,315 -

Сфера 1L 0,719 0,565 0,816 0,385 0,850 0,760 0,517 0,866 1,130 0,336 1,137 0,770 0,74

2R 0,297 0,862 0,680 0,948 0,729 1,130 0,477 1,061 1,288 0,463 0,540 0,459

Плос- кость PL 0,215 0,500 0,491 0,189 0,200 0,430 0,187 0,390 0,400 0,127 0,171 0,188 0,29

Таблица 1

Средняя квадратическая погрешность определения расстояний между виртуальными контрольными точками для НЛС RIEGL VZ400

Положение каретки

A-B B-C C-D A-C

Количество Количество Количество Количество Сред

Тип Имя подходов подходов подходов подходов нее,

5 5 5 5 мм

Разрешение, мм Разрешение, мм Разрешение, мм Разрешение, мм

1 4 8 1 4 8 1 4 8 1 4 8

Средняя квадратическая погрешность, мм

Марка М1 1,87 1,92 - 1,99 2,2 - 2,4 1,83 - 2,37 3,5 -

М2 1,39 2,01 - 1,5 1,95 - 1,92 1,54 - 2,06 2,82 - 2,05

М3 1,7 1,98 - 1,85 2,09 - 1,75 2,6 - 2,5 1,55 -

Сфера 1L 3,28 4,73 4,11 2,37 3,53 4,12 2,09 2,94 4,18 6,46 7,40 8,37 4.21

2R 3,09 1,86 4,6 1,66 2,69 5,52 2,11 3,07 3,81 4,58 5,43 9,06

Плоскость PL 0,18 0,24 0,28 0,5 0,5 0,58 0,53 0,48 0,51 1,54 1,53 1,99 0,74

Рис. 12. СКП погрешность определения расстояний между ВКТ

в полевых условиях

Общий анализ, полученных результатов исследования, показал, что фактическая погрешность измерений НЛС значительно меньше заявленной производителем. А сравнение полученных данных от двух моделей различных НЛС позволяет судить о качестве воспроизводимости достигнутого результата.

Отсюда можно утверждать, что технологию НЛС возможно применять для проведения высокоточных инженерных геодезических работ при строительстве и эксплуатации различных, в том числе уникальных инженерных объектов [8, 9, 10]. Однако основным, на сегодняшний день сдерживающим данную технологию фактором можно назвать практически полное отсутствие утвержденной нормативно-технической документации регламентирующей и описывающей методики проведения полевых и камеральных работ с применением НЛС.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Середович В.А., Середович А.В. Особенности, проблемы и перспективы применения НЛС // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 218-219.

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. Середович А.В., Иванов А.В., Дементьева О.А. Применение программного продукта Riscan PRO для регистрации сканов // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. -С. 214-217.

4. Комиссаров А.В., Широкова Т.А., Романович Е.В. Обоснование выбора расстояния между сканерными станциями при наземной лазерной съемке // 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. 98-101.

5. Возможности применения наземного лазерного сканирования для контроля ремонта и строительства дорог / А.В. Середович, А.В. Иванов, Е.В. Романович, О.Р. Мифтахудинова // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 210-213.

6. Выполнение обмеров строительных конструкций средствами наземного лазерного сканирования при обследовании зданий и сооружений / А.В. Середович, А.В. Иванов, А.В. Усиков, О.Р. Мифтахудинова // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 220-221.

7. Проверка внутреннего очертания тоннеля при помощи наземного лазерного сканера / Е.И. Горохова, И.В. Алешина, Е.В. Романович, А.В. Иванов, А.Р. Мифтафудинов // 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. 107-114.

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. 3. - С. 121-133.

9. Середович В.А., Ткачева Г.Н., Середович А.В. Геодезический мониторинг деформаций Усть-Каменогорского судоходного шлюза // 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. 133-139.

10. Анализ природных и техногенных особенностей геопространства чрезвычайной ситуации / А.П. Карпик, В.А. Середович, А.В. Дубровский, Э.Л. Ким, О.И. Малыгина // 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. 178-184.

© В.А. Середович, А.В. Иванов, 2013