Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


Исследование способов калибровки наземных трёхмерных сканирующих систем

Работа №140558

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

картография

Объем работы82
Год сдачи2022
Стоимость4950 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
61
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


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


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.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

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



1. Abbas, M. A., Lichti, D. D., Chong, A. K., Setan, H., and Majid, Z. (2014). An on-site approach for the self-calibration of terrestrial laser scanner. In Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, volume 52:111-123.
2. Bae, K.-H. and Lichti, D. (2007). An on-site self-calibration method using planar targets for terrestrial laser scanners. In Proceedings of the ISPRS Workshop, Laser Scanning 2007 and SilviLaser 2007, volume 36-3/W52, pages 14-19.
3. Baltsavias, E. P. (1999). Airborne Laser Scanning: Basic relations and formulas. In ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, volume 54:199-214. 115Bibliography
4. Beland, R. R. (1993). Propagation through atmospheric optical turbulence. In Atmospheric Propagation of Radiation, volume 2:157-232.
5. Beraldin JA, Gaiani M. Evaluating the performance of close range 3D active vision systems for industrial design applications, Electronic Imaging 2005. Videometrics IX. San Jose (California, USA): NRC 47405; 2005. P. 16-20.
6. Berg, M. d., Cheong, O., Kreveld, M. v., and Overmars, M. (2008). Computational Geometry: Algorithms and Applications. Third rev, Springer-Verlag.
7. Besl, P. J. and McKay, N. D. (1992). A method for registration of 3D shapes. In IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, volume 14(2):239-256.
8. Bessel, F.W. Untersuchung uber die Wahrscheinlichkeit der Beobachtungsfehler. Astron. Nachr. 1837, 15, 369-404.
9. Boehler, W., Heinz, G., and Marbs, A. (2001). The potential of non-contact close range laser scanners for cultural heritage recording. In Proceedings of the International Symposium of CIPA.
10. Boehler, W., Heinz, G., Marbs, A., and Siebold, M. (2002). 3D scanning software - An introduction. In Proceedings of the International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording.
11. Bolles RC, Kremers JH, Cain RA. A simple sensor to gather three-dimensional data. Technical Report 249, SRI International; July 1981.
12. Borah, D. K. and Voelz, D. G. (2007). Estimation of Laser beam pointing parameters in the presence of atmospheric turbulence. In Applied Optics, volume 46(23):6010- 6018.
13. Bottino, A., Laurentini, A., and Rosano, L. (2007). A tight lower bound for art gallery sensor location algorithms. In Proceedings of the IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2007. ETFA, pages 434-440.
14. Calibration of a Riegl LMS-Z429i based on a multi-station adjustment and a geometric model with additional parameters. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. 38, Part 3/W8, pp.177-182.
15. Chan, T. O., Lichti, D. D., and Belton, D. (2015). A rigorous cylinder-based self¬calibration approach for terrestrial laser scanners. In ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, volume 99:84-99.
16. Cheok, G. S., Leigh, S., and Rukhin, A. (2002). Technical report: Calibration experiments of a Laser Scanner. National Institute of Standards and Technology.
17. Chow, J. C. K., Lichti, D. D., Glennie, C., and Hartzell, P. Improvements to and comparison of static terrestrial lidar self-calibration methods. In Sensors (Switzer-land), volume 13(6):7224-7249, 2013.
18. Chow, J.; Ebeling, A.; Teskey, W. Low cost artificial planar target measurement techniques for terrestrial laser scanning. In Proceedings of the FIG Congress 2010: Facing the Challenges—Building the Capacity, Sydney, Australia, 11-16 April 2010.
19. Chvatal, V. (1975). A combinatorial theorem in plane geometry. In Combinatorial Theory, volume 18(1):39-41.
20. Cornille N, Garcia D, Sutton, S M A, Mc Neill R, Orteu JJ. Calibrage d’imageurs avec prise en compte des distorsions. Photome'canique 2004:104-25.
21. Couto, M. C., de Souza, C. C., and De Rezende, P. J. (2007). An exact and efficient algorithm for the orthogonal art gallery problem. In Proceedings of the Brazilian Symposium on Computer Graphics and Image Processing, pages 87-94.
22. Cuartero, A., Armesto, J., Rodriguez, P. G., and Arias, P. (2010). Error analysis of terrestrial laser scanning data by means of spherical statistics and 3D graphs. In Sensors, volume 10(11):10128-10145.
23. Danson, F. M., Hetherington, D., Morsdorf, F., Koetz, B., and Allgower, B. (2007). Forest canopy gap fraction from terrestrial laser scanning. In Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE, volume 4(1):157-160.
24. Dantan JY, Rey R, Bourdet P. Calibrating the geometric position of a plane laser beam visio-sensor in a measuring system, In: Proceedings of the Mecatronic’s 96, Besanc-on, France; 1996. p. 233-238.
25. De Asis Lopez, F., Garcia-Cortes, S., Roca-Pardinas, J., and Ordonez, C. (2014a). Geometric optimization of trough collectors using terrestrial laser scanning: Feasibility analysis using a new statistical assessment method. In Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, volume 47:92-99.
26. De Asis Lopez, F., Ordonez, C., Roca-Pardinas, J., and Garcia-Cortes, S. (2014b).
27. Dorninger, P. and Nothegger, C. (2007). 3D segmentation of unstructured point clouds for building modelling. In Proceedings of the ISPRS Working Group - Photogrammetric Image Analysis, volume 34-3/W49A, pages 191-196.
28. Dorsch RH, Hausler G, Herrmann JM. Laser, triangulation: fundamental uncertainty in distance measurement. Applied Optics 1994:33 (7/1):1306-14, 1994.
29. Du, Q. and Fowler, J. E. (2008). Low-complexity principal component analysis for hyperspectral image compression. In International Journal of High Performance Computing Applications, volume 22(4):438-448.
30. Eggert, D. W., Lorusso, A., and Fisher, R. B. (1997). Estimating 3D rigid body trans-formations: a comparison of four major algorithms. In Machine Vision and Applications, volume 9(5):272-290.
31. Fan, L., Smethurst, J. A., Atkinson, P. M., and Powrie, W. (2015). Error in target-based georeferencing and registration in terrestrial laser scanning. In Computers and Geosciences, volume 83:54-64.
32. FARO Laser Scanner Focus 3D User Manual [Электронный ресурс]: офиц. сайт компании FARO. - Режим доступа: https://knowledge.faro.com
33. Friis, H. T. (1946). A note on a simple transmission formula. In Proceedings of the IRE, volume 34(5):254-256.
34. Garcia-San-Miguel, D.; Lerma, J.L. Geometric calibration of a terrestrial laser scanner with local additional parameters: An automatic strategy. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 2013, 79, 122-136, 2013.
35. Geoff Jacobs. 3D laser scanning // Ultra-fast, High-Definition, Reflector less Topographic Survey: Professional Surveyor magazine №5. - 2004.
36. Geoff Jacobs. Uses in Building and Architectural Surveys: Professional Surveyor magazine №6. - 2005.
37. Geoff Jacobs. Uses of Scanning in Construction and Fabrication: Professional Surveyor magazine №2. - 2006.
38. Gielsdorf, F.; Rietdorf, A.; Grundig, L. A Concept for the Calibration of Terrestrial Laser Scanners. In Proceedings of the FIG WorkingWeek, Athens, Greece, 22-27 May 2004.
39. Glennie, C., Lichti, D.D., 2010. Static Calibration and Analysis of the Velodyne HDL- 64E S2 for High Accuracy Mobile Scanning. Remote Sensing, 2(6):1610-1624.
40. Gold, P. O., Cowgill, E., Kreylos, O., and Gold, R. D. (2012). A terrestrial lidar-based workflow for determining three-dimensional slip vectors and associated uncertainties. In Geosphere, volume 8(2):431-442.
41. Golub, G. H. and Loan, C. v. (1980). An Analysis of the Total Least Squares Problem.
In SIAM Journal on Numerical Analysis, volume 17(6):883-893.
42. Gonzalez-Banos, H. and Latombe, J.-C. (2001). A randomized art-gallery algorithm for sensor placement. In Proceedings of the Symposium on Computational Geometry, pages 232-240, 378674.
43. Heesun Yoon, Hajun Song, and Kyihwan Park // A phase-shift laser scanner based on a time-counting method for high linearity performance, 2010.
44. Hennes, M. Das Nivelliersystem-Feldprufverfahren nach ISO 17123-2 im Kontext refraktiver Storeinflusse Allg. Vermess. 2006, 3, 85-94.
45. Horaud R. Vision par ordinateur. Editions Hermes, France: 1995. p. 140-54.
46. Isheil, J.-P. Gonnet, D. Joannic, J.-F. Fontaine // Systematic error correction of a 3D laser scanning measurement, 2011
47. Kerekes, G.; Schwieger, V. Determining Variance-covariance Matrices for Terrestrial Laser Scans: A Case Study of the Arch Dam Kops. In in Proceedings of the INGEO & SIG 2020, Dubrovnik, Croatia, 1-4 April 2020.
48. Lerma, J.L.; Garcia-San-Miguel, D. Self-calibration of terrestrial laser scanners: Selection of the best geometric additional parameters. ISPRS Ann. Photogramm. Remote Sens. Spat. Inf. Sci. 2014, 2, 219-226.
49. Lichti, D. (2007): Error modelling, calibration and analysis of an AM-CW terrestrial laser scanner. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 61(2007), 307 - 324.
50. Lichti, D.; Chow, J.; Lahamya, H. (2011): Parameter de-correlation and model identification in hybrid-style terrestrial laser scanner self-calibration. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 66(2011), 317 - 326.
51. Lichti, D.; Licht, M. (2006): Experiences with terrestrial laser scanner modelling and accuracy assessment. In: Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spat. Inf. Sci., 36(2006), 155 - 160.
52. Lichti, D.D., Brustle S., Franke, J., 2007. Self-calibration and analysis of the surphaser 25HS 3D scanner. In: Proceedings of FIG Working Week, Hong Kong SAR, China, 13-17.
53. Linares JM, Bourdet P, Sprauel JM. Quality measurement on CMM integrated design and manufacturing in mechanical engineering, IDMME’2000. Kluwer Academic Publishers; 2002. 219¬226.
54. Point cloud comparison under uncertainty application to beam bridge measurement with terrestrial laser scanning. In Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, volume 51(1):259-264.
55. Reshetyuk, Y., 2009. Self-calibration and direct georeferencing in terrestrial laser scanning. Ph.D. dissertation, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden, 162 p.
56. Riegl Laser Measurement Systems GmbH, Horn, Austria. Datasheet of Riegl VZ-2000.
57. Schneider, D. Calibration of a Riegl LMS-Z420i based on a Multi-Station Adjustment and a Geometric Model with Additional Parameters. In Proceedings of the Laser Scanning 2009, Paris, France, 1-2 September 2009; Bretar, F., Pierrot-Deseilligny, M., Vosselman, G., Eds.; IAPRS: Paris, France, 2009; Vol. XXXVIII, Part 3/W8.
58. Soudarissanane, S.S. The Geometry of Terrestrial Laser Scanning-identification of Errors, Modeling and Mitigation of Scanning Geometry. Ph.D. Thesis, Technical Universit of Delf, Delft, the Netherlands, 2016.
59. Tomas, A. P., Bajuelos, A. L., and Marques, F. (2006). On visibility problems in the plane - solving minimum vertex guard problems by successive approximations. In Proceedings of the International Symposium on Artificial Intelligence and Mathematics, volume 1, pages 1-12. [157] Torre de la, F. and Black, M. J. (2003). Robust principal component analysis for computer vision. In Computer Vision and Image Understanding, volume 91:53-71.
60. Tozoni, D., de Rezende, P., and de Souza, C. (2013). The Quest for Optimal Solutions for the Art Gallery Problem: A Practical Iterative Algorithm, volume 7933 of Lecture Notes in Computer Science, chapter 29, pages 320-336. Springer Berlin Heidelberg.
61. Tuexsen, H.-H. (2016): Werkskalibrierung und Uberprufung des Leica Scanners im Feld. In: VDVmagazin, (2016), 28 - 31.
62. Van Goor, B., Lindenbergh, R., and Soudarissanane, S. (2011). Identifying corre¬sponding segments from repeated scan data. In Proceedings of the ISPRS Workshop, Laser Scanning 2011, volume 38.
63. Walsh, G. (2016): Leica ScanStation P-Series - Details that matter. White Paper. http://leica-geosystems.com/-/media/files/products/white%20papers/leica_scanstation_p- series_details_that_matter_wp_en.ashx?la=en.
64. Наземное лазерное сканирование / В. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
65. Никонов А. В. Исследование точности измерения расстояний электронными тахеометрами в безотражательном режиме // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 1 (29). - С. 43-53.
66. Никонов А. В., Чешева И. Н., Лифашина Г. В. К вопросу об определении постоянной поправки дальномера электронного тахеометра // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 1 (29) - С. 54-61.
67. Руководство по эксплуатаци тахеометров Sokkia SET
230R/330R/530R/530RS/630R [Электронный ресурс]: офиц. сайт компании SOKKIA РОССИЯ. - Режим доступа: https://www.sokkia.ru

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.