УДК 517.7
Б.Р. Сосса, нач. ВТП
ТОВ «Укргео-Проект», м. Київ, Україна
ПОРІВНЯЛЬНЕ ОЦІНЮВАННЯ ТОЧНОСТІ КООРДИНАТ ТОЧКОВИХ МАРОК, ОТРИМАНИХ СПОСОБОМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНУВАННЯ
Б.Р. Сосса, нач. ОТП
ООО «Укргео-Проект», г. Киев, Украина
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ КООРДИНАТ ТОЧЕЧНыХ МАРОК, ПОЛУЧЕННыХ СПОСОБОМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Bohdan Sossa, Head of TS
Ukrgeo-Proekt LLC, Kyiv, Ukraine
СOMPARATIVE ESTIMATION OF THE ACCURACY OF POINT-BASED TARGETS COORDINATES, OBTAINED WITH TERRESTRIAL LASER SCANNING
Виконано емпіричний розрахунок точності тривимірних координат точкових марок, що використовуються при наземному лазерному скануванні для реєстрації сканів і калібруванні наземних лазерних сканерів. Створено дослідний полігон та проведено цикл вимірювань з визначенням координат марок за допомогою високоточного електронного тахеометра та наземним лазерним сканером двома способами – ручним та автоматичним. Здійснено статистичний аналіз отриманих результатів. Проведено порівняння двох вказаних способів визначення координат центра марки. За допомогою статистичного аналізу оцінено вплив вибору способу визначення на кінцеву точність та, як результат, – на точність реєстрації сканів або калібрування сканерів.
Ключові слова: наземне лазерне сканування, калібрування сканерів, реєстрація сканів, точність, точкові марки.
Сделан эмпирический расчет точности трехмерных координат точечных марок, используемых при наземном лазерном сканировании для регистрации сканов и калибровки наземных лазерных сканеров. Создан исследовательский полигон и проведен цикл измерений с определением координат марок с помощью высокоточного электронного тахеометра и наземного лазерного сканера двумя способами – ручным и автоматическим. Выполнен статистический анализ полученных результатов. Проведено сравнение указанных способов определения центра марки. С помощью статистического анализа проведена оценка влияния выбора способа определения на окончательную точность и, как результат, – на точность регистрации сканов или калибровки сканеров.
Ключевые слова: наземное лазерное сканирование, калибровка сканеров, регистрация сканов, точность, точечные марки.
An empirical accuracy calculation of point-based targets' spatial coordinates is made. Those targets are using at terrestrial laser scanning for several scan registration and terrestrial laser scanners calibration. A research polygon was created where target coordinates were obtained with precision total station as well as terrestrial laser scanner using two methods – manual and automatic. A statistical analysis of obtained data was fulfilled and comparing of two mentioned methods of target center coordinates determination was done. Using the statistical analysis, an effect of coordinates determination method choice for eventual accuracy was estimated and, as a result – its direct effect on scan registration accuracy and scanners calibration.
Key words: terrestrial laser scanning, scanners calibration, scan registration, accuracy, point-based targets.
Постановка проблеми. Розповсюдження технологій наземного лазерного сканування (НЛС) для вирішення прикладних задач останніми роками значно пришвидшилось, а подекуди сканери навіть замінюють традиційні геодезичні прилади [5], бо точність визначення просторових координат деякими фазовими сканерами наближається до кількох міліметрів.
Аналізуючи дані провідних виробників апаратної частини технології НЛС (Sokkia Topcon, Zoller-Fröhlich, Surphaser, Faro, Riegl, Callidus), можна помітити, як постійно підвищується точність обладнання. Однак деякі види інженерно-геодезичних робіт, передусім, високоточні, поки можна виконати лише традиційними методами [2]. Підвищення точності НЛС перш за все дозволить вирішувати задачі інженерної геодезії, пов’язані з високоточними вимірюваннями, наприклад, проводити високоточне виконавче знімання, моніторинг об’єктів підвищеної категорії складності тощо.
Для підвищення точності систем НЛС застосовують калібрування, яке можна визначити як «процес визначення параметрів, за допомогою яких мають бути виправлені виміряні величини для отримання їхніх дійсних значень» [12]. Найчастіше калібрування пов’язане з визначенням інструментальних похибок, а саме розбіжностей між реальним та ідеальним інструментом, які виникають через недосконалість механічних й електронних компонентів. Калібрування НЛС зазвичай проводять, використовуючи різні типи марок: точкові (плоскі або сферичні) або площинні.
Крім того, при реєстрації (зшиванні) сканів також використовують марки – у цьому випадку тільки точкові. Реєстрація відбувається або в умовній системі координат, коли скани трансформуються відносно декількох відомих точок (марок, що наявні на сусідніх хмарах точок, створюючи перекриття), або завдяки використанню відомих координат марок, визначених традиційними геодезичними методами та наступним виконанням просторової оберненої засічки для кожного скана у системі координат користувача. Були спроби використання площинних марок, проте точність реєстрації в такому випадку погіршується [9].
Отже, постає питання, з якою точністю можливо визначити координати марок під час використання наземного лазерного сканування.
Аналіз останніх досліджень і публікацій. На сьогодні питання калібрування НЛС та реєстрації сканів досліджено досить широко. Це питання досліджують учені за кордоном, в університетах Калгарі (Канада), Штутґарта, Ганновера (Німеччина), Стокгольма (Швеція), Цюриха (Швейцарія), Сіднея (Австралія), [7; 8; 10–13] та в Україні – у Київському національному університеті будівництва і архітектури [3; 4].
Незважаючи на деякі розбіжності щодо вибору математичних моделей калібрування та реєстрації, методику та алгоритми цих процесів розроблено досить добре. Проте питанню точності визначення координат точкових марок не приділялось достатньої уваги [6].
Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Недоліком методів калібрування та реєстрації, що використовують точкові марки, є необхідність вручну вимірювати їх положення на хмарі. Проте це стосується далеко не всіх сучасних НЛС. У деяких сканерах, наприклад, виробництва Sokkia Topcon (Японія) та Zoller + Frohlich (Німеччина) наявна апаратна або програмна функція розпізнавання плоских марок. Такі марки достатньо розставити в області сканування, щоб потім в автоматичному або напівавтоматичному режимі розпізнати їх за допомогою програмного забезпечення та отримати координати. На рис. 1 показано марку для сканерів виробництва Z+F, а на рис. 2 – для сканерів Topcon.
У разі ручного визначення координат береться точка, найближча до геометричного центра марки. У цьому випадку використовується комбінація контрастних сегментів з різною відбивною здатністю. Цей спосіб забирає більше часу, проте традиційно залишається основним.
У разі автоматичного визначення користувач не знає алгоритму визначення геометричного центра через патентні обмеження, використовуючи сканер як «чорну скриньку» [4].
Мета статті. Головною метою цієї роботи є отримання точності визначення тривимірного положення точкових марок, визначених за допомогою наземних лазерних сканерів у двох режимах (ручному й автоматичному) та їх порівняння. На підставі порівняльного аналізу запропоновано оптимальний спосіб визначення координат марок під час проведення калібрування та/або реєстрації.
Виклад основного матеріалу. Для дослідження використовувався наземний лазерний сканер Topcon GLS-1500. Під час роботи з ним використовуються спеціальні марки, які мають поверхню з великим альбедо на фоні поверхні з малим альбедо. Схему такої марки наведено на рис. 2. Розміри такої марки можуть бути 50х50, 100х100, або 200х200 мм залежно від того, на якій відстані від сканера передбачається її використовувати.
У меню сканера наявна опція “Scan Target”, за допомогою якої сканується область навколо марки для наступного визначення координат її центра.
Для порівняння точності визначення координат центра опорної марки в ручному й автоматичному режимі проведемо вимірювання у двох режимах. Дослідження було проведено на двох полігонах.
Принцип вимірювання на обох полігонах був такий:
1. Фіксація марок у полі зору сканера (360о по горизонталі, 70о по вертикалі).
2. Сканування марок у режимі скан (ручне вимірювання) або в режимі сканування марок (автоматичне вимірювання).
3. Вимірювання марок високоточним електронним тахеометром повним прийманням з подальшим врівноваженням отриманих даних в умовній системі координат.
У результаті було отримано два набори координат тих самих точок. У першому випадку було знято 8 точок, у другому – 12. Їх наведено в табл. 1.
Таблиця 1
Координати опорних марок, виміряні електронним тахеометром і сканером
|
Ручне вимірювання |
№ тт |
Тахеометр |
Сканер |
||||
|
01 |
39,559 |
57,904 |
1,732 |
19,452 |
2,030 |
0,320 |
|
|
02 |
41,396 |
57,876 |
0,358 |
17,869 |
2,961 |
-1,053 |
|
|
03 |
42,706 |
54,685 |
1,339 |
15,093 |
0,915 |
-0,074 |
|
|
04 |
61,908 |
41,808 |
1,552 |
-8,006 |
-0,106 |
0,139 |
|
|
05 |
56,667 |
43,681 |
1,564 |
-2,557 |
-1,230 |
0,151 |
|
|
06 |
51,925 |
49,752 |
1,709 |
4,650 |
1,489 |
0,298 |
|
|
07 |
51,485 |
49,246 |
2,481 |
4,765 |
0,829 |
1,063 |
|
|
08 |
51,534 |
49,298 |
-0,118 |
4,753 |
0,904 |
-1,529 |
|
|
|
|||||||
|
Автоматичне вимірювання |
1 |
3,628 |
-0,174 |
-0,905 |
2,986 |
-2,247 |
-0,841 |
|
2 |
2,586 |
1,349 |
-0,116 |
3,003 |
-0,401 |
-0,052 |
|
|
3 |
1,258 |
3,284 |
0,590 |
3,019 |
1,945 |
0,654 |
|
|
4 |
-0,373 |
3,076 |
-1,419 |
1,562 |
2,709 |
-1,355 |
|
|
5 |
-2,123 |
1,873 |
-0,132 |
-0,561 |
2,724 |
-0,068 |
|
|
6 |
-3,730 |
0,771 |
0,681 |
-2,511 |
2,738 |
0,745 |
|
|
7 |
-3,426 |
-0,197 |
-1,394 |
-2,814 |
1,77 |
-1,329 |
|
|
8 |
-2,335 |
-1,796 |
-0,138 |
-2,835 |
-0,166 |
-0,074 |
|
|
9 |
-1,070 |
-3,599 |
0,689 |
-2,828 |
-2,368 |
0,752 |
|
|
10 |
0,104 |
-3,344 |
-1,294 |
-1,718 |
-2,831 |
-1,229 |
|
|
11 |
1,671 |
-2,196 |
-0,092 |
0,223 |
-2,787 |
-0,028 |
|
| Наукова бібліотека ЧНТУ © 2012 | |||||||