MAPTEK I-Site 8200ER三维激光扫描仪测角精度研究

2017-08-30李泽邦夏永华柏宏强

浙江农业科学 2017年8期

关键词：标靶测角扫描仪

李泽邦，夏永华，柏宏强

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093)

MAPTEK I-Site 8200ER三维激光扫描仪测角精度研究

李泽邦，夏永华*，柏宏强

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093)

采用MAPTEK I-Site 8200ER三维激光扫描仪与拓普康GPT-3002LNC全站仪为实验设备，在同种距离条件下，分别获取扫描数据和全站仪观测数据，将全站仪的观测角度值作为基准，MAPTEK I-Site 8200ER 三维激光扫描仪观测的数据反算的角度作为观测值，建立平差模型，通过最小二乘法解算扫描仪的水平角和垂直角精度。研究结果表明，MAPTEK I-Site 8200ER三维激光扫描仪测角精度符合标称测角精度。

三维激光扫描仪；测角精度；检校；平差模型

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术[1]，具有获取数据速度快、精度高、全自动化、全天候作业等特点，已成为空间数据获取的重要技术手段。三维激光扫描仪在测绘、建筑、医学、生物等领域有着广泛的应用。然而，三维激光扫描仪的精度指标都是生产厂家提供的，国内尚未出台统一的检校标准。杨长强等[2]设计一种标志点用于扫描仪检定；张毅等[3]建立三维激光扫描系统误差模型，并对其正确性进行了验证；谢宏全等[4]对徕卡C10三维激光扫描仪的水平角精度检校进行研究；张启福等[5]提出一种新的三维激光扫描仪测角精度评定方法；王玉鹏等[6]对徕卡Scanstation 2型三维激光扫描仪点位精度评定进行研究。在此基础上，本研究拟对三维激光扫描仪的水平角和垂直角分别进行实验研究。

1 材料与方法

1.1 仪器

采用澳大利亚MAPTEK公司生产的I-Site 8200ER三维激光扫描仪作为待测仪器，其最大测程为500 m，测角精度为10″。根据实验精度要求，选择拓普康GPT-3002LNC全站仪作为基准仪器，其测角精度为2″。辅助试验设备包括自制圆形黑白平面标靶、工业脚架、卷尺。

1.2 方案设计

根据实验目的，选择昆明理工大学田径场作为检校场，以全站仪测量的角度值作为基准值，将扫描仪点云坐标反算出的角度作为观测值。考虑轴系误差的影响，建立角度平差模型，通过解算，与标称精度进行对比。

选择田径场一竖直墙面，在距离墙面约5 m处设定一点P，将拓普康全站仪架设在P点上，对中整平后设置直角为0°，沿水平方向布设5个平面黑白标靶，各标靶中心距离约为0.6 m，水平方向标靶从左到右编号依次为A1、A2、A3、A4、A5，如图1所示。

图1 水平角精度检校场

在距离墙面5 m处设定一点S，沿墙面垂直方向布设4个平面黑白标靶，各标靶之间距离约为0.6 m，标靶从上至下编号为B1、B2、B3、B4，如图2所示。

图2 垂直角精度检校场

1.3 数据获取

1.3.1 水平角精度检定

写成误差方程：

通过间接平差原理计算出轴系误差c和ω，代入平差模型求出改正数vi，即可求出水平角角度中误差mφ。

1.3.2 垂直角测角精度检定

写成误差方程：

根据全站仪中心、扫描仪中心和标靶中心三点形成的三角函数关系，得出以下方程组：

得到：

其中，l为全站仪和扫描仪之间的高差，Ni为全站仪观测垂直角。根据间接平差最小二乘法求出c、ω，代入误差方程求出改正数vi，进而求出垂直角度中误差mβ。

2 结果与分析

利用全站仪观测3个测回，取平均数，计算出水平夹角基准值(表1)和垂直夹角基准值(表2)。

表1 水平夹角基准值

表2 垂直夹角基准值

利用三维激光扫描仪获取的水平角夹角和垂直夹角的观测值如表3、表4所示。

表3 水平夹角观测值

表4 垂直夹角观测值

由实验数据可解算出水平角测角中误差mφ=7″，垂直角测角中误差mβ=7″。

3 小结

本研究在布设测角精度检定场时，采用全站仪分别沿水平方向和垂直方向布设平面标靶，有效地减小了竖直角和水平角对实验结果的影响，解算出MAPTEK I-Site 8200ER三维激光扫描仪水平测角精度为7″，垂直角测角精度为7″。符合仪器标称精度(12″)，能够满足实际测量需求。影响三维激光扫描仪测角精度的因素有很多，本研究只进行了短距离的实验，并且选在室外场地进行。鉴于光照、温度等外界因素也会对数据精度造成影响，因此，各因素对测角精度的影响还需要进一步深入研究。

[1] 张会霞, 朱博文. 三维激光扫描数据处理理论及应用[M]. 北京: 电子工业出版社，2012.

[2] 杨长强, 叶泽田. 一种基于点对应的激光扫描仪外方位参数检校方法[J]. 测绘科学, 2011, 36(5):190-192.

[3] 张毅, 闫利, 杨红, 等. 地面三维激光扫描的系统误差模型研究[J]. 测绘通报, 2012(1):16-19.

[4] 谢宏全, 高祥伟, 徐孝伟. 地面三维激光扫描仪水平角精度检校试验研究[J]. 测绘通报, 2013(12):25-27.

[5] 张启福, 孙现申, 王贺, 等. RIEGL LMS-Z390i三维激光扫描仪测角精度评定方法研究[J]. 计量学报, 2012, 33(1): 12-15.

[6] 王玉鹏, 卢小平, 葛晓天,等. 地面三维激光扫描点位精度评定[J]. 测绘通报, 2011(4):10-13.

[7] 刘春, 张蕴灵, 吴杭彬. 地面三维激光扫描仪的检校与精度评估[J]. 工程勘察, 2009, 37(11):56-60.

[8] 刘春. 激光三维遥感的数据处理与特征提取[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 29-36.

(责任编辑：高峻)

2017-02-24

云南省自然科学基金(人培KKSY201256093)

李泽邦(1991—)，男，湖南长沙人，硕士研究生，研究方向为三维激光扫描系统检校与点云数据处理，E-mail：645475056@qq.com。