徐壽志，程鵬飛，張　玉，丁朋輝

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 國(guó)家測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，北京 100830；

3. 國(guó)家光電測(cè)距儀檢測(cè)中心，北京 100039； 4. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830)

?

地面三維激光掃描儀的檢校與測(cè)量精度評(píng)定

徐壽志1.3，程鵬飛2，張玉4，丁朋輝3

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 國(guó)家測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，北京 100830；

3. 國(guó)家光電測(cè)距儀檢測(cè)中心，北京 100039； 4. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830)

Calibration and Accuracy Evaluation of Terrestrial Laser Scanner

XU Shouzhi，CHENG Pengfei，ZHANG Yu，DING Penghui

摘要：針對(duì)地面三維激光掃描儀的測(cè)量精度評(píng)定問題，提出了利用比長(zhǎng)基線檢定場(chǎng)進(jìn)行測(cè)距精度評(píng)定，利用多齒分度臺(tái)進(jìn)行水平角精度評(píng)定，利用室內(nèi)檢校場(chǎng)進(jìn)行垂直角和點(diǎn)位精度評(píng)定。采用比長(zhǎng)基線檢定場(chǎng)方法，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)穩(wěn)固，且有強(qiáng)制對(duì)中裝置，能夠較好地減少其他誤差的影響。采用多齒分度臺(tái)利用全圓組合比較法進(jìn)行水平角精度評(píng)定，該方法所用的角度標(biāo)準(zhǔn)器精度高，可溯源?；赗iegl VZ-1000的試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的方法對(duì)地面三維激光掃描儀進(jìn)行性能評(píng)定可靠性好、穩(wěn)定性強(qiáng)，對(duì)地面三維激光掃描儀的檢校研究具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描儀；精度評(píng)定；測(cè)距；測(cè)角；點(diǎn)位

三維激光掃描技術(shù)具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高速度、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化、非接觸和可量測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上獲取三維空間數(shù)據(jù)最先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)之一。三維激光掃描系統(tǒng)按不同的搭載平臺(tái)主要可分為星載激光掃描系統(tǒng)、機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)。地面三維激光掃描儀(terrestrial laser scanner, TLS)是地面激光掃描系統(tǒng)的主要組成部分，目前TLS的精度指標(biāo)都是由儀器生產(chǎn)廠商提供，該精度是否符合要求是未知的。此外，長(zhǎng)期使用后的硬件老化和磨損等因素都會(huì)不同程度影響掃描精度，因此對(duì)TLS的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行精度評(píng)定顯得十分必要。TLS由于出現(xiàn)時(shí)間較晚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何對(duì)不同生產(chǎn)廠商的儀器進(jìn)行性能評(píng)定，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。文獻(xiàn)[1]分別利用六段解析法和間接平差法對(duì)TLS的測(cè)距和測(cè)角進(jìn)行了檢校；文獻(xiàn)[2]利用平均調(diào)制傳遞函數(shù)(AMTF)模型對(duì)點(diǎn)云的角度分辨率進(jìn)行了精度評(píng)定；文獻(xiàn)[3]利用B?hler-Sterne鑒別率板對(duì)TLS的鑒別率進(jìn)行了評(píng)定；文獻(xiàn)[4]分析了TLS的測(cè)距誤差源，并根據(jù)反射強(qiáng)度建立TLS測(cè)距誤差改正模型以減少測(cè)距誤差；文獻(xiàn)[5]利用自制裝置對(duì)TLS的測(cè)距不確定度進(jìn)行了評(píng)定；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別利用自檢校方法對(duì)TLS的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)；文獻(xiàn)[8]利用球形靶標(biāo)對(duì)TLS進(jìn)行不確定度評(píng)定。目前對(duì)于TLS的測(cè)量精度評(píng)定大多是從某一方面進(jìn)行評(píng)定[9-11]。鑒于此，本文提出利用比長(zhǎng)基線檢定場(chǎng)進(jìn)行測(cè)距精度評(píng)定，以可溯源的多齒分度臺(tái)進(jìn)行水平角精度評(píng)定，利用室內(nèi)檢校場(chǎng)進(jìn)行垂直角精度和點(diǎn)位精度評(píng)定。

一、地面三維激光掃描儀測(cè)量原理

TLS由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)(可選)、自帶軟件、電源和其他附件組成。目前市場(chǎng)上主流的TLS測(cè)量方式有脈沖式和相位式，其工作原理是由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號(hào)，通過旋轉(zhuǎn)棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的橫向和縱向掃描，然后通過探測(cè)器，接收并記錄反射回來的激光脈沖，從而獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其測(cè)量原理是：通過傳播時(shí)間或相位變化來測(cè)量距離S，通過儀器內(nèi)的精密時(shí)鐘控制編碼器獲取激光束的水平角φ和垂直角θ。TLS采用儀器自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為儀器的掃描中心。由此可以得到點(diǎn)位坐標(biāo)的計(jì)算公式

(1)

由式(1)和誤差傳播定律可以導(dǎo)出點(diǎn)位坐標(biāo)分量誤差及點(diǎn)位坐標(biāo)誤差

(2)

從式(2)可以看出，距離、水平角、垂直角的測(cè)量精度直接影響點(diǎn)位精度，掃描的距離、水平角、垂直角的數(shù)值大小也對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)誤差分量及點(diǎn)位坐標(biāo)誤差有著不同程度的影響。

二、地面三維激光掃描儀的精度評(píng)定

TLS的測(cè)距精度、測(cè)角精度和點(diǎn)位精度決定了其基本測(cè)量性能。本文結(jié)合TLS本身的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的方法對(duì)TLS性能指標(biāo)進(jìn)行精度評(píng)定。

1. 測(cè)距精度

文獻(xiàn)[1]利用六段解析法解算出了TLS的測(cè)距加常數(shù)，然后再進(jìn)行精度評(píng)定。該方法得到的是利用測(cè)距加常數(shù)改后的測(cè)距精度，不是儀器本身實(shí)際的測(cè)距精度。本文采用經(jīng)國(guó)家鑒定的測(cè)繪儀器比長(zhǎng)基線檢定場(chǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)(基線場(chǎng)總長(zhǎng)1080 m，相對(duì)精度為0.36×10-6)，對(duì)TLS實(shí)際測(cè)距精度進(jìn)行評(píng)定。

比長(zhǎng)基線檢定場(chǎng)如圖1所示，其中L4-5=192.082 10 m，L5-6=72.046 99 m。評(píng)定方法如下：選擇基線場(chǎng)的兩條相鄰基線邊作為基準(zhǔn)邊，利用掃描儀對(duì)已知基線邊進(jìn)行距離測(cè)量，最后進(jìn)行測(cè)量結(jié)果比對(duì)。評(píng)定過程：在基線場(chǎng)的5號(hào)點(diǎn)安置TLS，并對(duì)中整平，然后分別在4號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)安置TLS的專用標(biāo)靶，同時(shí)對(duì)中整平，注意靶標(biāo)的高度盡量與掃描儀的高度一致，避免垂直角誤差的影響，控制TLS對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行30次重復(fù)掃描，利用配套數(shù)據(jù)處理軟件獲取兩者之間的斜距，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差公式計(jì)算測(cè)距重復(fù)性，根據(jù)均方根誤差公式計(jì)算測(cè)距精度。

圖1比長(zhǎng)基線檢定場(chǎng)示意圖

在計(jì)算測(cè)距精度時(shí)，因?yàn)?/p>

TLS

提供的距離值D

i

是斜距，而標(biāo)準(zhǔn)值D

0

是平距，因此需要將斜距轉(zhuǎn)化為平距，按照公式D

s

=D

i

sin

θ進(jìn)行計(jì)算，θ為垂直角。其部分測(cè)距觀測(cè)結(jié)果見表1。

本文測(cè)試使用的RieglVZ-1000 192m測(cè)距重復(fù)性為0.000 9m，測(cè)距精度為0.001 7m；72m測(cè)距重復(fù)性為0.001 1m，測(cè)距精度為0.001 2m。

表1　TLS 192 m和72 m部分測(cè)距觀測(cè)值

利用比長(zhǎng)基線場(chǎng)進(jìn)行測(cè)距精度評(píng)定，該方法基線場(chǎng)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)穩(wěn)固，且有強(qiáng)制對(duì)中裝置，能夠較好地減少其他誤差的影響。因此，利用該方法進(jìn)行測(cè)距精度評(píng)定精度高、可靠性強(qiáng)。

2. 測(cè)角精度

TLS與全站儀在角度觀測(cè)方式上有著本質(zhì)的區(qū)別，TLS不能通過盤左盤右來消除視準(zhǔn)軸誤差，而且儀器本身也不具備瞄準(zhǔn)和單點(diǎn)掃描的功能，因此需要借助于專用靶標(biāo)。TLS每個(gè)掃描點(diǎn)包含兩個(gè)角度，即水平掃描角和垂直掃描角，需要分別對(duì)它們進(jìn)行精度評(píng)定。

(1) 水平角精度

文獻(xiàn)[9]采用Leica T3000電子經(jīng)緯儀對(duì)布設(shè)在墻面上的人工標(biāo)志進(jìn)行水平角測(cè)量，以此提供角度基準(zhǔn)，進(jìn)而進(jìn)行精度標(biāo)定。本文采用多齒分度臺(tái)進(jìn)行TLS水平角的精度標(biāo)定，借鑒了全站儀和電子經(jīng)緯儀一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)差檢定方法中的比較法，即利用多齒分度臺(tái)作為角度標(biāo)準(zhǔn)器，與TLS靶標(biāo)測(cè)量獲取的角度觀測(cè)值進(jìn)行比較。

多齒分度臺(tái)(如圖2(a)所示)是一種高準(zhǔn)確度的圓分度標(biāo)準(zhǔn)器件，一般由齒數(shù)和模數(shù)相同的兩個(gè)齒盤組成。使用時(shí)，一個(gè)齒盤固定，另一個(gè)齒盤可與之脫開，旋轉(zhuǎn)到所需角度后嚙合，從而達(dá)到定位和高分度的目的。筆者采用的是552齒的多齒分度臺(tái)，其最大誤差為0.3″。

評(píng)定方法如下：①將多齒分度臺(tái)精確調(diào)平，然后將Riegl VZ-1000連同基座固定安置到平臺(tái)上并調(diào)平(如圖2(b)所示)；②在距掃描儀約50 m處安置專用靶標(biāo)；③將多齒分度臺(tái)置于零位，每次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定的角度，掃描儀也跟著旋轉(zhuǎn)同樣的角度，旋轉(zhuǎn)完成后掃描儀對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行掃描，提取靶標(biāo)中心和水平角度值。

圖2

多齒分度臺(tái)旋轉(zhuǎn)360°稱為一個(gè)測(cè)回，一般至少需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)回，回零讀數(shù)不參與水平角標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算，其水平角部分觀測(cè)結(jié)果見表2。

表2　多齒分度臺(tái)法一測(cè)回水平方向觀測(cè)值

水平方向誤差按式(3)計(jì)算

(3)

式中，αij為各測(cè)點(diǎn)標(biāo)靶測(cè)量方向與零方向的角度值；α標(biāo)j為第j個(gè)角度的多齒分度臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)角度值；i表示第i測(cè)回；j表示第j測(cè)點(diǎn)。

水平角標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為

(4)

本文測(cè)試使用的Riegl VZ-1000水平角精度σφ=15.57″。

該方法借助多齒分度臺(tái)作為角度基準(zhǔn)，通過設(shè)置二者剛性同軸，通過全圓組合比較法進(jìn)行了水平角精度評(píng)定。該方法所用的角度標(biāo)準(zhǔn)器精度高，可溯源。

(2) 垂直角精度

垂直角的精度評(píng)定是利用Sokkia NET05全站儀對(duì)布設(shè)在室內(nèi)墻面上的多個(gè)分布在一條垂直線上的專用靶標(biāo)進(jìn)行垂直角度測(cè)量(如圖3所示)，從而提供垂直角度基準(zhǔn)，該方法也叫多目標(biāo)法。

圖3　測(cè)定垂直角精度的室內(nèi)靶標(biāo)分布圖

評(píng)定方法如下：①將全站儀安置在升降工作臺(tái)上，同時(shí)量取全站儀儀器高，然后利用全站儀從上往下依次觀測(cè)靶標(biāo)的中心，并記錄其垂直角度方向值；②卸下全站儀，將掃描儀安置在升降工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)升降平臺(tái)使得掃描儀的幾何中心高度與全站儀的儀器高一致，然后自上而下依次照準(zhǔn)標(biāo)靶，掃描完成后提取出角度方向值，至少需掃描2個(gè)測(cè)回；③將垂直角度方向值兩兩相減得到垂直角，垂直角的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式同水平角標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式，按式(3)、式(4)計(jì)算。其垂直角度值見表3。

表3　TLS垂直角度值

本文測(cè)試使用的Riegl VZ-1000垂直角精度σθ=14.77″。

垂直角精度與水平角精度相當(dāng)，表明利用多目標(biāo)法進(jìn)行垂直角精度評(píng)定是有效、可行的。該方法需要注意的是測(cè)量過程必須保持TLS的幾何中心高度與全站儀的儀器高一致。

3. 點(diǎn)位精度

TLS的點(diǎn)位精度直接決定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行精度評(píng)定顯得尤為重要。本文采用室內(nèi)檢校場(chǎng)方法，即在室內(nèi)檢校場(chǎng)墻面上布置一系列的專用靶標(biāo)。評(píng)定方法如下：①首先將全站儀安置在升降平臺(tái)上，量取儀器高，然后利用Sokkia NET05全站儀通過后視定向測(cè)量出所有的專用靶標(biāo)坐標(biāo)，全站儀的測(cè)站坐標(biāo)設(shè)定為(100.0,100.0,100.0)；②卸下全站儀安置TLS，調(diào)節(jié)升降平臺(tái)使得TLS儀器幾何中心與全站儀的儀器高一樣，測(cè)站坐標(biāo)也設(shè)定為(100.0,100.0,100.0)，然后瞄準(zhǔn)同樣的后視點(diǎn)進(jìn)行后視定向，控制TLS對(duì)室內(nèi)檢測(cè)場(chǎng)進(jìn)行高密度單站掃描，利用后處理軟件獲得標(biāo)靶中心坐標(biāo)。點(diǎn)位精度計(jì)算公式為

σcoord=

(5)

式中，(Xi,Yi,Zi)為TLS掃描的點(diǎn)位坐標(biāo)；(Xi0,Yi0,

Zi0)為全站儀測(cè)量坐標(biāo)；n為靶標(biāo)個(gè)數(shù)。

室內(nèi)檢校場(chǎng)的每個(gè)墻面均勻布設(shè)5個(gè)專用靶標(biāo)(如圖4所示)，TLS按順時(shí)針(或逆時(shí)針)對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行掃描，其測(cè)量結(jié)果見表4。

圖4　室內(nèi)專用靶標(biāo)分布圖(黑色圓點(diǎn))

本文測(cè)試使用的RieglVZ-1000的點(diǎn)位精度σcoord=0.004 3m。點(diǎn)位的精度受距離的影響較大，RieglVZ-1000短距離點(diǎn)位精度可以達(dá)到毫米級(jí)，室外的測(cè)試表明，RieglVZ-1000長(zhǎng)距離點(diǎn)位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

表4　TLS點(diǎn)云觀測(cè)數(shù)據(jù)

三、結(jié)果和討論

從Riegl VZ-1000的評(píng)定結(jié)果可以看出，其測(cè)距精度和測(cè)距重復(fù)性符合廠家給出的精度要求(見表5)。Riegl VZ-1000的實(shí)際測(cè)量距離達(dá)到1000 m以上，廠家給出的標(biāo)稱精度為100 m的測(cè)距精度，因此本文選擇192 m和72 m兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)距精度評(píng)定。另一方面，由于隨著距離的增大，點(diǎn)云密度受地面三維激光掃描儀發(fā)散角的影響就越明顯，點(diǎn)云密度越小，選點(diǎn)相對(duì)比較困難。另外，廠家并沒有給出測(cè)角標(biāo)稱精度，本文得到的測(cè)角精度為15″左右。將測(cè)距精度和測(cè)角精度代入式(2)得到Riegl VZ-1000理論點(diǎn)位精度為0.001 8 m，與實(shí)際點(diǎn)位精度0.004 3 m有一定的差異，可能是由于靶標(biāo)中心擬合誤差影響所致。

表5　Riegl VZ-1000 主要技術(shù)參數(shù)

四、結(jié)束語

TLS主要用于三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)，以及生成基于點(diǎn)云的可量測(cè)影像。作為獲取三維空間信息的高新技術(shù)，其儀器性能的優(yōu)劣決定了測(cè)量成果的好壞，其測(cè)量精度也直接決定它的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍，因此對(duì)其進(jìn)行測(cè)量性能評(píng)定至關(guān)重要。本文以Riegl VZ-1000為例，從測(cè)距精度、測(cè)角精度、點(diǎn)位精度對(duì)其進(jìn)行了性能評(píng)定。此外，點(diǎn)云的配準(zhǔn)精度、點(diǎn)云的建模精度將是下一步的研究工作。本文的主要結(jié)論為：

1) 通過高精度的比長(zhǎng)基線檢定場(chǎng)進(jìn)行TLS測(cè)距精度評(píng)定，該方法操作簡(jiǎn)單、省時(shí)、省力、精度高、可溯源。

2) 多齒分度臺(tái)可以用于TLS的水平角精度評(píng)定，該方法無需布設(shè)多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，精度高、穩(wěn)定性好、可溯源。

3) 可以利用室內(nèi)檢校場(chǎng)通過坐標(biāo)已知的多個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)位精度評(píng)定。

4) Riegl VZ-1000測(cè)距精度1～2 mm，符合標(biāo)稱精度；測(cè)角精度15″左右；點(diǎn)位精度可以達(dá)到毫米級(jí)，其受距離的影響較大。

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中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0079-05

作者簡(jiǎn)介：徐壽志(1986—)男，博士生，主要從事車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的檢校及理論研究。E-mail：xsz2011@whu.edu.cn

基金項(xiàng)目：測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)專項(xiàng)(201512010)

收稿日期：2015-11-06

引文格式： 徐壽志，程鵬飛，張玉，等. 地面三維激光掃描儀的檢校與測(cè)量精度評(píng)定[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：79-83.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0054.