CC BY
97
ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ, ФОТОГРАММЕТРИЯ
УДК 528.8:528.7
МЕТОДИКА ПОВЕРКИ НАЗЕМНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ
Александр Владимирович Комиссаров
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 638108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: [email protected]
Вадим Сергеевич Коркин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 638108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: [email protected]
В статье изложена методика поверки импульсных и фазовых наземных лазерных сканеров как в полевых, так и в камеральных условиях. В методике поверки предлагается исследовать точность измерения вертикальных и горизонтальных углов и расстояний для всех типов существующих наземных лазерных сканеров. В качестве эталонных средств для исследования точности измерения линейных величин наземными лазерными сканерами предлагается использовать в полевых условиях геодезический компаратор, а в лабораторных -интерферометр. Исследование точности угловых величин рекомендуется выполнять с помощью высокоточных тахеометров. Уникальность методики исследования расстояний заключается в том, что поверять можно даже приборы, которые не имеют устройств центрирования, а исследования угловых величин проводить в отсутствие необходимости создавать и содержать сложный геодезический полигон. Практический опыт выполнения работ с помощью предложенной методики показал ее работоспособность.
Ключевые слова: наземный лазерный сканер, методика поверки, точность, эталон, метрологические характеристики, погрешность, диапазон.
Для использования любых измерительных средств на производстве необходимо проводить их первичную и периодическую метрологическую поверку. Для решения этой задачи необходимо разработать методику поверки конкретных типов приборов. При этом она должна быть универсальной. Для решения данной задачи предложена методика, заключающаяся в следующем.
Методика определения погрешности измерений расстояний
в полевых условиях
Сущность методики заключается в том, что выбираются от 5 до 12 эталонных интервалов линейного базиса длиной от 24 до 7 500 м, количество которых
обусловлено дальностью действия сканера. Они должны лежать в пределах от минимального до максимального значения измеряемой дальности на конкретный тип сканера с соблюдением коэффициента диффузного отражения. Затем сканер устанавливают в створе линии (величина нестворности не должна превышать 0,25 м), соединяющей центры двух пунктов в ее середине (рис. 1), причем разница плеч (^ - 52) не должна превышать 1 м. Марки (пластины) центрируют над пунктами, а их вертикальные оси приводят в отвесное положение [1-4].
Рис. 1. Схема установки сканера при определении погрешности и диапазона измерений расстояний в полевых условиях
При измерении наземным лазерным сканером (НЛС) угловое разрешение сканирования по вертикали и горизонтали должно быть максимальным в соответствии с техническими характеристиками сканера.
По сканерному изображению размеры пластины можно определить с погрешностью 0,005 м в направлении поперек измеряемого базиса как пересечение диагоналей сканерного изображения пластины (рис. 2). Обработку результатов измерений сканером выполняют с помощью программного продукта и получают координаты центра пластин 1 и 2. По полученным координатам центров пластин оценивают расстояние 5^2, которое определяют по формуле [3-5]
51-2 = 51 + 52, (1)
где 51 и 52 - расстояние от сканера до центра пластин 1 и 2 соответственно.
Вычисляют измеренное расстояние между пунктами базиса 5^2 с помощью координат центров соответственно пластин 1 и 2.
Рис. 2. Схема определения координат центров пластин
Результаты измерений считают положительными, если разности между измеренным расстоянием и эталонным значением интервала базиса не превышают допускаемого значения погрешности Шдоп, вычисленной по формуле
шГ = , (2)
где = (а + Ь х 10-6 5^2) - средняя квадратическая погрешность измерений расстояний, указанная в эксплуатационной документации (ЭД) на конкретный вид сканера [6, 7];
а, Ь - соответственно, постоянная (приборная) и закономерная погрешности измерений расстояний, указанные в ЭД на конкретный вид сканера [6-9].
Погрешность измерений расстояний не должна превышать утроенных значений, указанных в эксплуатационной документации прибора.
Диапазон измерений расстояний определяется на основании минимального и максимального расстояний, измеренных на линейном базисе. Диапазон измерения расстояний должен соответствовать значениям, указанным в эксплуатационной документации прибора.
Определение погрешности измерений расстояний в лабораторных условиях
Сущность методики заключается в следующем. Устанавливают светоотражающую пластину 1 (рис. 3) в каретку и, перемещая ее на расстояние 24 м, определяют точное расстояние до нее с помощью системы линейных измерений СЛИ (БСЛИЛ). Затем устанавливают светоотражающую пластину 2 в каретку и, перемещая ее, подбирают пять интервалов для исследования НЛС. При каждом положении светоотражающей пластины 2 определяют расстояние до нее с помощью СЛИ (БСЛИ.2). Затем сканер устанавливают на каретку, которая размещается посередине между двумя светоотражающими пластинами с погрешностью 0,20 м в продольном направлении. Угловое разрешение сканирования по вертикали и горизонтали должно быть максимальным в соответствии с техническими характеристиками сканера.
Выполняют обработку результатов измерений и вычисляют координаты центров пластин 1 и 2 (см. рис. 3) путем пересечения диагоналей сканерного изображения пластин аналогично тому, как показано на рис. 2. Обработку данных наземного лазерного сканирования выполняют с помощью программного продукта.
В результате измерений расстояний оценивают разность расстояний (^сли.1 _ 5СЛИ2), которую определяют по формуле
(5СЛИ.1 5СЛИ.2 ) - 51 + 5 2,
(3)
где 51 и 52 - расстояния от сканера до центра пластин 1 и 2 (см. рис. 3) соответственно.
Рис. 3. Схема установки сканера при определении погрешности измерения расстояний в лабораторных условиях
Результаты измерений считают положительными, если разности между измеренным расстоянием и эталонным значением интервала не превышают допускаемого значения погрешности тдоп, вычисленной по формуле (2).
Погрешность измерений расстояний не должна превышать утроенных значений, указанных в ЭД.
Определение погрешности и диапазона измерений углов. Определение погрешности измерений горизонтальных углов в диапазоне от 0 до 360°.
Погрешности измерений горизонтальных углов (тф) определяют в диапазоне от 0° до 360°. В лабораторных условиях создается тестовый полигон в виде, приближенно напоминающем кольцо, по всему полю зрения поверяемого сканера. Например, для сканера Leica Scanstation C10 направления для расстановки марок приведены в таблице с абсолютной погрешностью 3°.
Определяют эталонные значения координат центра каждой марки с помощью электронного тахеометра.
Значения углов для определения погрешности измерения горизонтальных и вертикальных углов
Значения эталонных Значения эталонных
горизонтальных направлений вертикальных направлений
0° -45°
30° -35°
60° -25°
90° -15°
120° -5°
150° 5°
180° 15°
210° 25°
240° 35°
270° 45°
300° 55°
330° 65°
- 75°
- 85°
- 90°
Примечание. Желательно разместить специальные марки так, чтобы направления на них соответствовали показанным в таблице с допустимым отклонением не более 3°.
При обработке результатов измерений сканерной съемки выполняют внешнее ориентирование сканера собственной программой управления, принадлежащей данному оборудованию. Определяют измеренные направления на центры марок и сравнивают с эталонными значениями. Результаты измерений считают положительными, если разности между измеренными и эталонными значениями не превышают утроенных значений СКП, указанных в ЭД. Допустимая средняя квадратическая погрешность измерения горизонтальных углов т;доп вычисляется по формуле
<п = 2Ш;, (4)
где тф - средняя квадратическая погрешность измерений углов, указанная в ЭД на конкретный вид оборудования.
Погрешность измерений горизонтальных углов не должна превышать утроенных значений, указанных в ЭД.
Условия проведения метрологической аттестации сканеров должны быть как в работах [10-16].
Определение погрешности измерений вертикальных углов в диапазоне от минус 45 до плюс 90 °
Погрешности измерений вертикальных углов (т0) определяют в диапазоне
от минус 45 до плюс 90°. В лабораторных условиях создается тестовый полигон в виде наклонной окружности по всему полю зрения поверяемого сканера [4].
Процессы обработки и освидетельствования измерения НЛС вертикальных углов такие же, как и для горизонтальных.
Средняя квадратическая погрешность тдоп вертикальных углов вычисляется по формуле
тедоп - 2те, (5)
где те - средняя квадратическая погрешность измерений вертикальных углов, указанная в ЭД на конкретный вид оборудования.
Погрешность измерений вертикальных углов не должна превышать утроенных значений, указанных в ЭД.
Проведенные практические исследования предложенной методики показали, что она является универсальной и позволяет выполнять поверку всех существующих импульсных и фазовых наземных лазерных сканеров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Наземное лазерное сканирование: монография / А. В. Комиссаров, В. А. Середович, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск : СГГА, 2009. - 261 с.
2. Комиссаров А. В. Исследование лазерного сканера ЫЕОЬ ЬМБ-2360 // ГЕО-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.). - Новосибирск : СГГА, 2005. Т. 5, ч. 1 - С. 202-204.
3. Комиссаров А. В. Методика исследования дальномерного блока наземного лазерного сканера // ГЕО-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 1, ч. 2.- С. 74-78.
4. Комиссаров А. В. Экспериментальные исследования точности измерения углов наземными лазерными сканерами Ше§1 ЬМБ-2360 и ЬМБ-24201 // ГЕО-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 1, ч. 1. - С. 78-83.
5. Комиссаров А. В., Ашраф Абдел Ванис Абдел Мавла Бешр. Исследование точности определения деформаций сооружений при помощи электронного тахеометра и наземного ла-
зерного сканера // ГЕО-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск : СГГА, 2008. Т. 1, ч. 1. - С. 107-111.
6. Комиссаров Д. В., Середович А. В. Априорная оценка точности результатов наземного лазерного сканирования для топографической съемки // ГЕ0-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск : СГГА, 2007. Т. 1, ч. 2.- С. 134-137.
7. Середович А. В., Иванов А. В. Методика определения геометрических характеристик стальных цилиндрических резервуаров с использованием лазерного сканирования // ГЕ0-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов в 7 т. (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.). -Новосибирск : СГГА, 2005. - Т. 5.- С. 213-215.
8. Гук А. П., Шляхова М. М. Некоторые проблемы построения реалистических измерительных 3D моделей по данным дистанционного зондирования // Вестник СГУГиТ. - 2015. -Вып. 4 (32). - С. 51-60.
9. Карпов А. К., Середович А. В., Иванов А. В. Опыт применения наземного лазерного сканирования для определения объемов зерна на складских аграрных предприятиях // ГЕ0-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск : СГГА, 2009. Т. 1, ч. 1. - С. 141-143.
10. Сергеев А. Г., Крохин В. В. Метрология : учеб. пособие для вузов. - М. : Логос, 2000. - 408 с.
11. Спиридонов А. И. О выборе условий проверки геодезических средств измерений // Геодезия и картография. - 1994. - № 1. - С. 14-17.
12. Спиридонов А. И. Основы геодезической метрологии : производственно-практ. изд. - М. : Картогеоцентр-Геодезиздат, 2003 - 248 с.: ил.
13. Большаков В. Д. и др. Методы и приборы высокоточных геодезических измерений в строительстве / Под. ред. В. Д. Большакова. - М. : Недра, 1976. - 335 с.
14. Kopacik A., Korbosova M. Optimal configuration of standpoints by application of laser terrestrial scanners // INGEO 2004 and Regional Central and Eastern European Conference on Engineering Surveying (Novermber 11-13, 2004).- Bratislava, Slovakia, 2004.
15. Monnier F., Vallet B., Soheilian B. Trees detection from laser point clouds acquired in dense urban areas by a mobile mapping system // ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXII ISPRS Congress, Commission III/4 (25 August -01 September 2012). - Melbourne, Australia, 2012. - Vol. I-3. - P. 245-250.
16. Probabilistic feature matching applied to primitive based registration of TLS data / J. Franc, ois Hullo, G. Thibault и др. // ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXII ISPRS Congress, Commission III/4 (25 August - 01 September 2012). - Melbourne, Australia, 2012. - Vol. I-3. - P. 221-226.
Получено 27.12.2016
© А. В. Комиссаров, В. С. Коркин, 2017
METHOD OF VERIFICATION OF TERRESTRIAL LASER SCANNERS
Alexander V. Komissarov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo St., D. Sc., Associate Professor, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)361-01-59, e-mail: [email protected]
Vadim S. Korkin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)361-01-59, e-mail: [email protected]
In the paper the technique of checking the pulse and phase of terrestrial laser scanners, both in the field and in laboratory conditions. The verification method is proposed to follow is-precision measuring vertical and horizontal angles and distances for all types of existing terrestrial laser scanners. As standard tools for investigating the accuracy of the measurement values of linear terrestrial laser scanners are encouraged to use in the field geodetic comparator, and in the laboratory - an interferometer. The investigation of precision angular measurements recommended using high-precision total stations. The unique research methodology distances is that you can even calibrate instruments that do not have centering devices, and studies of the angular values - there is no need to establish and maintain a complex geodesic polygon. Practical experience of work with the help of the proposed method showed its efficiency.
Key words: terrestrial laser scanner, the method verification, accuracy, standard, metrologi-cal characteristics, mistake, range.
REFERENCES
1. Komissarov, A. V., Seredovich, V. A., Komissarov, D. V., & Shirokova, T. A. (2009). Terrestrial laser scanning [Terrestrial laser scanning]. Novosibirsk: SSGA [in Russian].
2. Komissarov, A. V. (2005). Investigation of laser scanner RIEGL LMS-Z360. Sbornik materialov GEO-Siber'-2005: T. 5, ch.1 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2005: Vol. 5, Part 1] (pp. 202-204). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
3. Komissarov, A. V. (2007). Research Methodology unit ranging terrestrial laser scanner. Sbornik materialov GE0-Siber'-2007: T. 1, ch. 2 [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2007: Vol. 1, Part 2] (pp. 74-78). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
4. Komissarov, A. V. (2007). Experimental research of accuracy of measurement of angles terrestrial laser scanner Riegl LMS-Z360 and LMS-Z420i. Sbornik materialov GE0-Siber'-2007: T. 1, ch. 1 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia -2007: Vol. 1, Part 1] (pp. 78-83). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
5. Komissarov, A. V., & Ashraf Abdel Abdel Mawla Beshr Vanis (2008). Study the accuracy of determining the deformation structures using electronic total station and terrestrial laser scanner Sbornik materialov GE0-Siber'-2008: T. 1, ch. 1 [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2008: Vol. 1, Part 1] (pp. 107-111). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
6. Komissarov, D. V., & Seredovich, A. V. (2007). Priori estimate of the accuracy of the results of terrestrial laser scanning for surveying. Sbornik materialov GE0-Siber'-2007: T. 1, ch. 2 [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia -2007: Vol. 1, Part 2] (pp. 134-137) Novosibirsk: SSGA [in Russian].
7. Seredovich, A. V., & Ivanov, A. V. (2005). Methods to determine geometric characteristics of steel cylindrical tanks with the use of laser scanning. Sbornik materialov GE0-Siber'-2005: T. 5 [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia -2005: Vol. 5] (pp. 213-215). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
8. Guk, A. P., & Shlyakhova, M. M. (2015). Some of the problems of constructing a realistic measurement of 3D models for remote sensing data Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 4(32), 5160 [in Russian].
9. Karpov, A. K., Seredovich, A. V., & Ivanov, A. V. (2009). Experience of using terrestrial laser scanning to determine the volumes of grain for storage of agricultural enterprises. Sbornik
materialov GEO-Siber'-2009: T. 1, ch. 1 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia -2009: Vol. 1, Part 1] (pp. 141-143). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
10. Sergeev, A. G., & Krokhin V. V. (2000). Metrology: Proc. manual for schools [Metrology: Proc. manual for schools]. Moscow: Logos [in Russian].
11. Spiridonov, A. I. (1994). On the choice of test conditions geodetic measuring instruments. Geodezija i kartografija [Geodesy and Cartography], 1, 14-17 [in Russian].
12. Spiridonov, A. I. (2003). Fundamentals of geodetic metrology [Fundamentals of geodetic metrology]. Moscow: Kartogeotsentr-Geodezizdat[in Russian].
13. Bolshakov, V. D. & others (1976). Metody i pribory vysokotochnyh geodezicheskih izmerenij v stroitel'stve [Methods and tools for high-precision geodetic measurements in construction]. Moscow: Nedra [in Russian].
14. Kopacik, A., & Korbosova, M. (November 11-13, 2004). Optimal configuration of standpoints by application of laser terrestrial scanners. INGEO 2004 and Regional Central and Eastern European Conference on Engineering Surveying. Bratislava, Slovakia.
15. Monnier, F., Vallet, B., & Soheilian, B. (25 August-01 September, 2012). Trees detection from laser point clouds acquired in dense urban areas by a mobile mapping system. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXII ISPRS Congress, Commission III/4: Vol. I-3. (pp. 245-250). Melbourne, Australia.
16. Franc J., Hullo Ois, Thibault G., & others (25 August - 01 September 2012). Probabilistic feature matching applied to primitive based registration of TLS data. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXII ISPRS Congress, Commission III/4: Vol. I-3 (pp. 221-226). Melbourne, Australia.
Received 27.12.2016
© A. V. Komissarov, V. S. Korkin, 2017
