Исследование способов калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем
|
Введение 3
Глава 1. Инструментальные ошибки наземных лазерных сканеров 5
1.1. Технология и принципы работы наземных трёхмерных сканирующих систем 5
1.2. Фазовый и импульсный методы определения расстояний 9
1.3. Лазерные сканирующие системы FARO Focus 3D S120 и X330 10
1.4. Теория элементарных ошибок и её применение в геодезических измерениях 14
1.5. Теория элементарных ошибок в наземном лазерном сканировании 16
1.6. Влияние инструментальных ошибок на измерение дальностей 20
1.7. Влияние инструментальных ошибок на измерение вертикального угла 20
1.8. Ошибки геометрии сканирования 23
1.9. Анализ опыта калибровки НЛС по сканам испытательного полигона 26
Глава 2. Способы калибровки наземных лазерных сканеров 28
2.1. Процесс калибровки наземных лазерных сканеров фирмами изготовителями 28
2.2. Коррекция систематических ошибок в наземных лазерных сканерах 30
2.3. Настройка функциональной модели калибровки наземного лазерного сканера 34
2.4. Способ системной калибровки панорамных наземных лазерных сканеров с одной станции 38
2.5. Способ само-калибровки наземных лазерных сканеров на основе выбора наилучших геометрических параметров 44
Глава 3. Калибровка наземных лазерных сканеров FARO Focus 3D по сканам испытательного полигона 51
3.1. Организация испытательного полигона для калибровки лазерных сканеров 51
3.2. Создание линейно-угловой сети с помощью электронного тахеометра 52
3.3. Наземное лазерное сканирование на полигоне 54
3.4. Обработка результатов лазерного сканирования в ScanIMAGER 3.7 Pro 56
3.5. Выявление первичных невязок на сканах 58
3.6. Посткалибровка сканов в утилите ScanCalibr 1.0.1 61
3.7. Оценка эффективности калибровок фирмой изготовителем FARO 62
3.8. Оценка посткалибровки сканов различного разрешения 64
3.9. Коррекция сканов в утилите PTXCorrector 1.0.4 66
3.10. Оценка качества посткалибровки НЛС в утилите PointsTransform 2.1.1 69
Заключение 77
Литература 78
Глава 1. Инструментальные ошибки наземных лазерных сканеров 5
1.1. Технология и принципы работы наземных трёхмерных сканирующих систем 5
1.2. Фазовый и импульсный методы определения расстояний 9
1.3. Лазерные сканирующие системы FARO Focus 3D S120 и X330 10
1.4. Теория элементарных ошибок и её применение в геодезических измерениях 14
1.5. Теория элементарных ошибок в наземном лазерном сканировании 16
1.6. Влияние инструментальных ошибок на измерение дальностей 20
1.7. Влияние инструментальных ошибок на измерение вертикального угла 20
1.8. Ошибки геометрии сканирования 23
1.9. Анализ опыта калибровки НЛС по сканам испытательного полигона 26
Глава 2. Способы калибровки наземных лазерных сканеров 28
2.1. Процесс калибровки наземных лазерных сканеров фирмами изготовителями 28
2.2. Коррекция систематических ошибок в наземных лазерных сканерах 30
2.3. Настройка функциональной модели калибровки наземного лазерного сканера 34
2.4. Способ системной калибровки панорамных наземных лазерных сканеров с одной станции 38
2.5. Способ само-калибровки наземных лазерных сканеров на основе выбора наилучших геометрических параметров 44
Глава 3. Калибровка наземных лазерных сканеров FARO Focus 3D по сканам испытательного полигона 51
3.1. Организация испытательного полигона для калибровки лазерных сканеров 51
3.2. Создание линейно-угловой сети с помощью электронного тахеометра 52
3.3. Наземное лазерное сканирование на полигоне 54
3.4. Обработка результатов лазерного сканирования в ScanIMAGER 3.7 Pro 56
3.5. Выявление первичных невязок на сканах 58
3.6. Посткалибровка сканов в утилите ScanCalibr 1.0.1 61
3.7. Оценка эффективности калибровок фирмой изготовителем FARO 62
3.8. Оценка посткалибровки сканов различного разрешения 64
3.9. Коррекция сканов в утилите PTXCorrector 1.0.4 66
3.10. Оценка качества посткалибровки НЛС в утилите PointsTransform 2.1.1 69
Заключение 77
Литература 78
В последние годы использование метода наземного лазерного сканирования в геодезии и архитектурной фотограмметрии приобрело всё больший интерес из-за преимуществ быстроты, высокой точности и мгновенной трёхмерной визуализации. Данный метод обеспечивает получение 3 D-облаков, состоящих из миллионов точек (точность уровня мм) с очень высокой плотностью за короткое время (до 1 миллиона точек в секунду), что делает его ценной альтернативой или дополнением к классическим геодезическим измерениям, основанным на тахеометрической съёмке или цифровой фотограмметрии. К тому же, наземное лазерное сканирование позволяет производить очень точные измерения даже в тех ситуациях, когда другие геодезические методы трудно или невозможно использовать.
Последние разработки улучшили некоторые аспекты наземных лазерных сканеров, например, скорость сбора данных, точность и дальность действия. Поскольку такие приборы являются относительно новыми и изготовлены производителями, которые не все имеют передового опыта в использовании геодезических приборов, необходимы исследования для оценки качества инструментальных характеристик и полученных данных. Таким образом, производители смогут учесть потребности потребителей и, в свою очередь, позволят исследователям оказывать необходимую поддержку в разработке улучшений.
В настоящей диссертации поднимается вопрос калибровки и исследования наземного лазерного сканера на основании постобработки облаков точек. Объектом исследования является наземный лазерный сканер, а предмет исследования - способ калибровки наземных лазерных сканеров по сканам тест-полигона.
Калибровка наземного лазерного сканера необходима в первую очередь для уменьшения систематических ошибок, возникающие при лазерном сканировании. Остальные систематические ошибки необходимо включать в стохастическую (вероятностную) модель облака точек.
Актуальность исследования: зачастую калибровка трёхмерной сканирующей системы достаточно длительная и затратная услуга, в большинстве случаев связанная с перевозом прибора через государственною границу Российской Федерации, поскольку в нашей стране отсутствуют сервисные центры крупнейших фирм изготовителей наземных трёхмерный сканирующих систем. К тому же, на момент защиты данной работы (июнь 2022 года) перевоз геодезических приборов и, трёхмерных сканеров в частности, через таможню невозможен, а значит и неосуществима калибровка лазерных сканеров в сервисных центрах производителей, поэтому актуальность исследований калибровки лазерный сканеров в «полевых» условиях только повышается.
Проблема исследования: в процессе эксплуатации ряд узлов лазерного сканера испытывает значительные динамические нагрузки, и со временем результаты калибровки уже не полностью компенсируют систематические ошибки прибора, что приводит к ухудшению точности выходного облака точек.
Цель данной работы заключается в исследовании универсального способа калибровки наземных лазерных сканирующих систем. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Во-первых, рассмотреть вопросы, связанные с технологией наземного лазерного сканирования, устройством сканирующей системы, инструментальными и прочими ошибками, влияющие на выходящее облако точек.
Во-вторых, проанализировать существующие способы калибровки лазерных сканеров, полученные в результате интеграции и корреляции различных методов и математических моделей, позволяющих улучшить точность выходящего облака точек в результате наземного лазерного сканирования.
В-третьих, реализовать способ калибровки наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона. Для того, чтобы провести данное исследование необходимо: обустроить испытательный полигон для калибровки НЛС; создать линейно-угловую сеть; выполнить наземное лазерное сканирование двумя сканерами FARO Focus 3D; обработать результаты сканирования в ПО ScanIMAGER 3.7 Professional; произвести первичную посткалибровку сканов; оценить качество посткалибровки сканов различного разрешения между двумя сканерами и «внутри» конкретного прибора; и, наконец, произвести апробацию результирующих поправок на сканах, полученных на тест-полигоне №2; подвести общие итоги.
Новизна настоящего исследования заключается в следующем: во-первых, для калибровки наземных лазерных сканеров был организован высокоточный тест-полигон, состоящий более чем из 220 марок, выступающих в роли точек опорной сети, измеренных при двух кругах электронного тахеометра в общей сложности с шести точек стояния. Во-вторых, в данной работе исследуется зависимость качества калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем сразу у двух приборов разной степени износа при различных разрешениях сканирования. В-третьих, апробация результатов исследования происходила в два этапа: на первом этапе производилась оценка качества калибровки по исходным откорректированным сканам на основании поправок, полученных в результате непосредственно самой калибровки, а на втором этапе был организован дополнительный испытательный полигон, на котором вновь было произведено повторное наземное лазерное сканирование с последующей оценкой результатов калибровки на новых сканах.
Последние разработки улучшили некоторые аспекты наземных лазерных сканеров, например, скорость сбора данных, точность и дальность действия. Поскольку такие приборы являются относительно новыми и изготовлены производителями, которые не все имеют передового опыта в использовании геодезических приборов, необходимы исследования для оценки качества инструментальных характеристик и полученных данных. Таким образом, производители смогут учесть потребности потребителей и, в свою очередь, позволят исследователям оказывать необходимую поддержку в разработке улучшений.
В настоящей диссертации поднимается вопрос калибровки и исследования наземного лазерного сканера на основании постобработки облаков точек. Объектом исследования является наземный лазерный сканер, а предмет исследования - способ калибровки наземных лазерных сканеров по сканам тест-полигона.
Калибровка наземного лазерного сканера необходима в первую очередь для уменьшения систематических ошибок, возникающие при лазерном сканировании. Остальные систематические ошибки необходимо включать в стохастическую (вероятностную) модель облака точек.
Актуальность исследования: зачастую калибровка трёхмерной сканирующей системы достаточно длительная и затратная услуга, в большинстве случаев связанная с перевозом прибора через государственною границу Российской Федерации, поскольку в нашей стране отсутствуют сервисные центры крупнейших фирм изготовителей наземных трёхмерный сканирующих систем. К тому же, на момент защиты данной работы (июнь 2022 года) перевоз геодезических приборов и, трёхмерных сканеров в частности, через таможню невозможен, а значит и неосуществима калибровка лазерных сканеров в сервисных центрах производителей, поэтому актуальность исследований калибровки лазерный сканеров в «полевых» условиях только повышается.
Проблема исследования: в процессе эксплуатации ряд узлов лазерного сканера испытывает значительные динамические нагрузки, и со временем результаты калибровки уже не полностью компенсируют систематические ошибки прибора, что приводит к ухудшению точности выходного облака точек.
Цель данной работы заключается в исследовании универсального способа калибровки наземных лазерных сканирующих систем. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Во-первых, рассмотреть вопросы, связанные с технологией наземного лазерного сканирования, устройством сканирующей системы, инструментальными и прочими ошибками, влияющие на выходящее облако точек.
Во-вторых, проанализировать существующие способы калибровки лазерных сканеров, полученные в результате интеграции и корреляции различных методов и математических моделей, позволяющих улучшить точность выходящего облака точек в результате наземного лазерного сканирования.
В-третьих, реализовать способ калибровки наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона. Для того, чтобы провести данное исследование необходимо: обустроить испытательный полигон для калибровки НЛС; создать линейно-угловую сеть; выполнить наземное лазерное сканирование двумя сканерами FARO Focus 3D; обработать результаты сканирования в ПО ScanIMAGER 3.7 Professional; произвести первичную посткалибровку сканов; оценить качество посткалибровки сканов различного разрешения между двумя сканерами и «внутри» конкретного прибора; и, наконец, произвести апробацию результирующих поправок на сканах, полученных на тест-полигоне №2; подвести общие итоги.
Новизна настоящего исследования заключается в следующем: во-первых, для калибровки наземных лазерных сканеров был организован высокоточный тест-полигон, состоящий более чем из 220 марок, выступающих в роли точек опорной сети, измеренных при двух кругах электронного тахеометра в общей сложности с шести точек стояния. Во-вторых, в данной работе исследуется зависимость качества калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем сразу у двух приборов разной степени износа при различных разрешениях сканирования. В-третьих, апробация результатов исследования происходила в два этапа: на первом этапе производилась оценка качества калибровки по исходным откорректированным сканам на основании поправок, полученных в результате непосредственно самой калибровки, а на втором этапе был организован дополнительный испытательный полигон, на котором вновь было произведено повторное наземное лазерное сканирование с последующей оценкой результатов калибровки на новых сканах.
Данная выпускная квалификационная работа была посвящена исследованию способов калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем. Первая глава выпускной квалификационной работы носит исключительно теоретический характер, в которой затрагиваются вопросы, связанные с технологией наземного лазерного сканирования, устройством сканирующей системы, инструментальными и прочими ошибками, влияющие на выходящее облако точек.
Во второй главе диссертации представлены существующие способы калибровки лазерных сканеров, полученные в результате интеграции и корреляции различных методов и математических моделей, позволяющих улучшить точность выходящего облака точек в результате наземного лазерного сканирования.
В третьей главе настоящей работы описывается реализация технологии калибровки наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона. Сам процесс включал в себя следующие этапы: обустройство испытательного полигона для калибровки НЛС; создание линейно-угловой сети и её последующее уравнивание в инженерном ПО Mathcad 15; выполнение наземного лазерного сканирования двумя сканерами FARO Focus 3D; обработка результатов сканирования в ПО ScanIMAGER 3.7 Professional; выявление первичных ошибок несоответствия координат марок полигона и марок, измеренных по сканам; первичная посткалибровка сканов; оценка качества посткалибровки сканов различного разрешения между двумя сканерами и «внутри» конкретного прибора; апробация результирующих поправок на откорректированных сканах и на сканах, полученных на тест-полигоне №2.
Таким образом, предложенный способ калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем по сканам испытательного полигона может считаться достаточно эффективным и универсальным, поскольку он позволил уменьшить значения среднеквадратических невязок минимум в 2 раза. Максимальные невязки также значительно уменьшились по сравнению с исходными.
Выпускная квалификационная работа содержит в себе введение, 3 главы, заключение и список литературы. В работе использованы 67 источников, включающих в себя научные статьи, как зарубежные, так и российские, инструкции к электронным тахеометрам и наземным лазерным сканерам, монографии и электронные ресурсы. Всего в работе представлено 39 рисунков и 17 таблиц. Исследовательская работа уместилась на 82 страницах напечатанного текста.
Во второй главе диссертации представлены существующие способы калибровки лазерных сканеров, полученные в результате интеграции и корреляции различных методов и математических моделей, позволяющих улучшить точность выходящего облака точек в результате наземного лазерного сканирования.
В третьей главе настоящей работы описывается реализация технологии калибровки наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона. Сам процесс включал в себя следующие этапы: обустройство испытательного полигона для калибровки НЛС; создание линейно-угловой сети и её последующее уравнивание в инженерном ПО Mathcad 15; выполнение наземного лазерного сканирования двумя сканерами FARO Focus 3D; обработка результатов сканирования в ПО ScanIMAGER 3.7 Professional; выявление первичных ошибок несоответствия координат марок полигона и марок, измеренных по сканам; первичная посткалибровка сканов; оценка качества посткалибровки сканов различного разрешения между двумя сканерами и «внутри» конкретного прибора; апробация результирующих поправок на откорректированных сканах и на сканах, полученных на тест-полигоне №2.
Таким образом, предложенный способ калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем по сканам испытательного полигона может считаться достаточно эффективным и универсальным, поскольку он позволил уменьшить значения среднеквадратических невязок минимум в 2 раза. Максимальные невязки также значительно уменьшились по сравнению с исходными.
Выпускная квалификационная работа содержит в себе введение, 3 главы, заключение и список литературы. В работе использованы 67 источников, включающих в себя научные статьи, как зарубежные, так и российские, инструкции к электронным тахеометрам и наземным лазерным сканерам, монографии и электронные ресурсы. Всего в работе представлено 39 рисунков и 17 таблиц. Исследовательская работа уместилась на 82 страницах напечатанного текста.
Подобные работы
- Исследование способов калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем
Магистерская диссертация, картография. Язык работы: Русский. Цена: 4950 р. Год сдачи: 2022