Содержание к диссертации
Введение
1 Методологические и технологические основы лазерного сканирования 13
1.1 Системное представление лазерного сканирования 13
1.2 Обобщенная технология лазерной съемки 25
1.3 Обобщенный подход к выбору организационных параметров съемки 45
2 Общие принципы и математические основы процесса измерений лазерными сканерами 60
2.1 Классификация погрешностей в результатах лазерного сканирования 60
2.2 Влияние внешних условий на точность лазерного сканирования 71
2.3 Влияние метрологических свойств объектов на точность лазерной съемки ... 82
2.4 Инструментальные источники погрешностей 94
3 Оценка точности построения топографической продукции путем наземного лазерного скани-рования 112
3.1 Оценка точности методов внешнего ориентирования сканов 112
3.2 Теоретические основы скантриангуляции .. 140
3.3 Общие принципы оценки точности создания цифровых моделей объектов и рельефа 144
4 Фотограмметрические принципы обработки данных наземного лазерного сканирования 151
4.1 Теория преобразования сканерных данных в виртуальные снимки 151
4.2 Уравнивание скантриангуляции методом связок 157
4.3 Общие принципы формирования и обработки изображений, полученных по материалам наземного лазерного сканирования и съемки цифровой камерой 163
4.4 Обоснование направлений использования данных цифровой съемки при наземном лазерном сканировании 169
5 Применение результатов исследований при решении прикладных задач 176
5.1 Методика поверки наземных лазерных сканеров 176
5.2 Комплексная методика исследования наземных лазерных сканеров 182
5.3 Методика калибровки резервуаров шаровых 208
5.4 Методика калибровки неметрических цифровых камер с использованием наземных лазерных сканеров 221
Заключение 229
Список сокращений и условных обозначений 233
Словарь терминов 234
Список литературы
- Обобщенная технология лазерной съемки
- Влияние метрологических свойств объектов на точность лазерной съемки
- Теоретические основы скантриангуляции
- Общие принципы формирования и обработки изображений, полученных по материалам наземного лазерного сканирования и съемки цифровой камерой
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современное дистанционное зондирование благодаря развитию технических средств способно обеспечивать различные научные и производственные комплексы пространственно-временными данными об объектах местности, инженерных сооружениях и рельефе. Такие данные необходимы для решения оборонных, экологических, управленческих и разнообразных инженерных задач, а также для автоматизированного анализа при управлении территориями на основе трехмерного геоинформационного обеспечения.
В настоящее время из всего многообразия новых технических средств особое место занимают лазерные съемочные системы, которые ввиду их достоинств значительно расширяют возможности теории и практики фототопографического метода сбора пространственных данных. Главными из достоинств таких систем являются: автоматизация процесса сбора информации, статистическая избыточность, высокая степень детализации и т. д. Однако на настоящий момент недостаточно разработана теория и технология лазерного сканирования.
Ключевое отличие лазерной съемки от традиционных методов фотограмметрии заключается в том, что при фотограмметрической обработке пространственные координаты точек объектов определяют методом прямой засечки по стереопаре снимков, полученных с разных точек, а в основу лазерного сканирования положен принцип измерения расстояний до точек объектов с помощью лазерного дальномера в безотражательном режиме. При этом точность фотограмметрических определений значительно варьируется в зависимости от геометрии засечки (положения объекта относительно точек фотографирования), а при лазерном сканировании все измерения являются практически равноточными во всем диапазоне работы дальномера. Это свидетельствует о том, что задача получения, обработки и оценки данных наземного лазерного сканирования является нестандартной для современной фотограмметрии, а значит требует новых методологических и теоретических решений.
Кроме того, традиционные методы геодезии и фотограмметрии ориентированы на получение пространственных координат отдельных точек объектов и местности, в то время как при лазерном сканировании получают координаты массива точек, который полностью описывает геометрию объекта. Поэтому информационная емкость пространственных данных лазерного сканирования на порядок превосходит традиционные методы геодезии и фотограмметрии. Это обстоятельство
4 указывает на необходимость разработки новых алгоритмов и принципов обработки и интерпретации данных лазерного сканирования.
Лазерное сканирование выполняется с определенным шагом. При этом разрешение сканирования всегда задается минимум в два раза выше требований детальности, предъявляемых к лазерной съемке (для достоверной идентификации мелких деталей объектов во время обработки). Данное обстоятельство, с учетом теоремы Котельникова – Шинона о восстановлении сигнала, позволяет сделать вывод, что материалы лазерного сканирования являются непрерывным набором данных при создании конкретной продукции и являются аналогами снимков.
Разработка средств лазерного сканирования в значительной степени подтолкнула развитие новых методов представления информации о местности, переводя информационные технологии из плоскости в трехмерное пространство. Значительное развитие получили трехмерные или виртуальные геоинформационные системы, что потребовало разработки принципиально новых методов хранения, обработки и пространственного анализа данных.
Таким образом, с одной стороны, появились новые средства измерения, направленные на значительное расширение областей применения информационных технологий, с другой стороны, недостаточная проработка теоретических основ технологии лазерного сканирования не позволяет использовать все возможности данных съемочных систем. Кроме этого, для использования сканирования в различных областях необходимо выполнить разработку методик проведения съемочных работ и обработки данных, позволяющих получать пространственную информацию в on-line режиме. Это позволяет сделать вывод, что перед наукой сегодня стоит актуальная и значимая проблема приведения в соответствие скорости и точности выполнения технологических операций лазерного сканирования к требованиям различных отраслей экономики страны. Данную проблему можно решить путем совершенствования теоретических и методологических основ технологии лазерного сканирования.
Степень разработанности темы. Лазерное сканирование является самостоятельным научным направлением, в основе которого положены достижения в области фотограмметрии, дистанционного зондирования и геодезии отечественных ученых Антипова И. Т., Гука А. П., Дробышева Ф. В., Дубиновского В. Б., Журкина И. Г., Карпика А. П., Клюшина Е. Б., Лисицкого Д. В., Лобанова А. Н., Лысенко Ф. Ф., Михайлова А. П., Нехина С. С., Погорелова В. В., Пяткина В. П., Савиных В. П., Середовича В. А., Трубиной Л. К., Тюфлина Ю. С., Чекалина В. Ф.,
5 Чибуничева А. Г., Ямбаева Х. К. и зарубежных - Boehler W., Gruending L., Ingen-sand H., Lichti D., Milev I., Norton J., Rietdorf A., Riegl J., Ullrich A., Zlatanova S., Za-mechikova M. и других. Существенный вклад в становление и развитие метода лазерного сканирования в России внесли специалисты Регионального центра лазерного сканирования СГУГиТ.
Имеющиеся публикации в области лазерного сканирования можно характеризовать разрозненностью и отсутствием полноты исследований, что не отвечает требованиям системного подхода и не имеет общих теоретических и технологических основ. Значительная часть публикаций, связанных с лазерными сканерами, посвящена практическому опыту их применения. В публикациях представлены объекты съемки, вид получаемой продукции, используемые модели лазерных сканеров и программные продукты (ПП) для обработки результатов сканирования. Таким образом, в диссертационной работе представлено первое системное решение проблемы приведения в соответствие скорости и точности выполнения технологических операций лазерной съемки к требованиям различных отраслей экономики страны, путем разработки теории и технологии лазерного сканирования для сбора геопространственных данных.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка теории и технологии получения, обработки и оценки точности данных лазерного сканирования, производственное применение которых позволяет обеспечить оперативность, высокую точность и экономичность сбора геопространственных данных об объектах для эффективного планирования городских территорий и управления ими, проектирования объектов инфраструктуры и контроля их состояния, паспортизации особоопасных объектов и т. д.
Достижение поставленной цели требовало решения следующих основных задач:
анализ степени разработанности метода лазерного сканирования для создания трехмерных моделей и топографических планов, на основе чего следовало предложить базовую математическую модель технологии лазерного сканирования;
теоретическое обоснование и экспериментальное исследование общих принципов процесса измерения наземными лазерными сканерами (НЛС) и точности создаваемых трехмерных моделей и топографических планов, что должно стать основой повышения точности технологии наземной лазерной съемки;
разработка оптимальной технологии обработки данных наземного лазерного сканирования на основе теории фотограмметрии;
постановка теоретических и экспериментальных исследований отдельных источников погрешностей, оказывающих влияние на точность создаваемой продукции, и разработка методики метрологической аттестации НЛС;
разработка методики построения скантриангуляции и алгоритма ее уравнивания.
Научная новизна:
математически и экспериментально обоснованы базовые принципы наземного лазерного сканирования, на основе чего теоретически доказаны и практически исследованы пути повышения точности измерений наземными лазерными сканерами при съемке объектов и рельефа местности. Данные принципы впервые позволили учитывать влияние метрологических свойств объектов, что существенно улучшает качество сырых данных НЛС;
разработана теория фотограмметрической обработки данных лазерного сканирования, основанная на использовании метода связок для уравнивания ска-нерных ходов, что позволяет повысить точность определения элементов внешнего ориентирования (ЭВО) до 35 % по сравнению с другими методами;
разработано теоретическое и методическое обоснование процессов наземной лазерной съемки, положенное в основу универсальной технологии ее производства, определения параметров съемки и допусков для контроля точности выполнения процессов наземной лазерной съемки и оценки точности окончательной продукции;
разработана универсальная методика поверки наземных лазерных сканеров, позволяющая выполнить метрологическую аттестацию всех типов фазовых и импульсных НЛС;
разработана методика определения объема объектов сферической формы на основе построения их трехмерной модели внутреннего пространства по данным наземного лазерного сканирования, использование которой, на примере шаровых резервуаров, обеспечивает относительную погрешность определения вместимости резервуара до 0,03-0,05 %.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследований заключается в расширении и дополнении теоретических и методологических основ проведения лазерной съемки, обработки ее результатов и расчета точности результатов выполнения технологических операций для создания продукции требуемого качества по данным лазерного сканирования.
Разработанные теоретические основы и принципы расчета точности выполнения технологических операций при наземной лазерной съемке открывают новые возможности использования лазерного сканирования и расширяют область применения дистанционного зондирования и фотограмметрии. Выполненные разработки используются в СГУГиТ при метрологической аттестации НЛС, что подтверждено соответствующим актом о внедрении, в учебном процессе при чтении курсов лекций по дисциплинам «Автоматизированная обработка аэрокосмической информации», «Трехмерное моделирование и наземное лазерное сканирование» и при проведении курсов повышения квалификации по программе «Маркшейдерское дело». Проведенные исследования позволили сформулировать рекомендации по выполнению сканерной съемки для решения практических задач планирования городских территорий и эффективного управления ими, проектирования объектов инфраструктуры и контроля их состояния, паспортизации особоопасных объектов и т. д.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационных исследований использованы принципы системного и объектно-ориентированного анализа, вероятностный и экспертный методы. Для оценки точности результатов лазерного сканирования использованы методы математического моделирования процессов измерений и статистического анализа.
В качестве исходных данных использованы:
материалы наземной лазерной съемки сканерами Riegl LMS-Z210, Riegl VZ-400, Riegl LMS-Z360, Riegl LMS-Z420i, Mensi GS200, Riegl LMS-Z390, Leica ScanStation C10, Leica ScanStation, Leica ScanStation 2, Trimble GX200, Minolta V9i;
аналитические макеты результатов сканерной и цифровой съемок;
инструкции и нормативные документы по производству и метрологическому обеспечению фотограмметрических и геодезических работ;
руководства пользователя наземными лазерными сканерами;
данные из научных книг, статей ведущих научных журналов и изданий СССР и Российской Федерации (РФ);
отечественные и зарубежные научные публикации и материалы научных, научно-технических международных конгрессов и конференций, проводимых СГУГиТ (СГГА и НИИГАиК), МИИГАиК, Международным обществом геодезистов (FIG), Международным фотограмметрическим обществом (ISPRS) и др.;
материалы научных трудов НИИПГ, НИИГАиК, ЦНИИГАиК, ВИНИТИ;
интернет-источники.
8 Положения, выносимые на защиту:
результаты теоретических и экспериментальных исследований точности процессов измерения и обработки, и разработанные на их основе практические рекомендации по оптимизации выполнения этих процессов в предложенной технологии лазерного сканирования;
методика выполнения наземной лазерной съемки и обработки ее результатов при решении широкого круга задач;
принципы исследования процесса измерения наземным лазерным сканером, на основе которых теоретически обоснованы технические и технологические решения по повышению точности получения данных, которые позволяют учесть погрешности, вызванные метрологическими свойствами объектов;
теория фотограмметрической обработки данных лазерного сканирования, использование которой позволило значительно повысить скорость и точность обработки результатов лазерной съемки;
методики поверки импульсных и фазовых наземных лазерных сканеров, определения объемов объектов сферической формы и неметрических цифровых камер, разработанные с использованием проведенных теоретических исследований.
Степень достоверности и апробация результатов. Материалы, полученные в ходе исследования, докладывались на научно-технической конференции «ГИС -интегрированное решение муниципальных задач» в 2004 г. в г. Екатеринбурге; на международной конференции «Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка. Сегодня и завтра» в 2004, 2007 гг. в г. Москве; на научно-технической конференции преподавателей СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» в 2004 г. в г. Новосибирске; на презентации-семинаре «Приборы и технологии лазерной локации, цифровой аэросъемки и геопозиционирования в геоинформатике, природопользовании, мониторинге природных ресурсов Земли и лесоустройстве, инженерно-геодезических и инженерно-геологических изысканиях» в 2006 г. в г. Новосибирске; на международных промышленных форумах GEOFORM+ (на конференциях «Геопространственные технологии и сферы их применения» в 2005, 2006 гг. в г. Москве); на международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» и «Интер-Экспо ГЕО-Сибирь», направление «Геодезия, картография, маркшейдерия» в 2005-2015 гг. в г. Новосибирске; на 4-й международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» в 2009 г. в г. Москве.
Исследования выполнены в рамках госбюджетных НИР по заказам Министерства образования и науки РФ, гранта Президента РФ, Федеральной целевой
9 программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2008 г. № 568 «О федеральной целевой программе "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг.», гранта мэрии г. Новосибирска.
Реализация основных результатов исследований осуществлялась в рамках выполнения хоздоговорных работ, заключенных с дочерним предприятием ОАО «Сибур», ООО «Томскнефтехим», ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз», Департаментом архитектуры и градостроительства администрации города Томска, Российским акционерным обществом «Единые электрические сети» (РАО «ЕЭС»), РАО «Российские железные дороги», Государственным автономным учреждением «Росавтодор», в результате чего на основе данных наземной лазерной съемки:
выполнена калибровка 64 шаровых резервуаров;
созданы топографические планы масштабов 1 : 500-1 : 1 000 на территорию более 10 000 га;
созданы трехмерные модели сложных инженерных объектов с целью их реконструкции общей площадью более 1 000 га;
определен объем сыпучих строительных материалов и твердых полезных ископаемых (суммарным объемом более 100 000 000 м3);
определены габариты обкладки железнодорожных тоннелей.
Теоретические исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, реализованы в программных продуктах, предназначенных для иcследования распределения случайных ошибок величин, измеряемых НЛС, на соответствие нормальному закону, определения координат центров специальных марок на радиальном тестовом полигоне, вписывания плоскости в массив точек и исключения систематических ошибок из результатов угловых измерений НЛС и др. Разработанные программы внедрены в учебный процесс кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования СГУГиТ, научно-производственный процесс Регионального центра лазерного сканирования СГУГиТ. Результаты теоретических разработок и экспериментальных исследований положены в основу ГОСТ Р 8.794-2012. Государственная система обеспечения единства измерения (ГСИ). Наземные лазерные сканеры. Методика поверки.
По теме диссертации автором опубликовано 33 работы, из них 18 - в рецензируемых научных журналах и изданиях, две монографии, три патента на изобретения, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Обобщенная технология лазерной съемки
Современный этап развития экономики страны требует значительно большего объема пространственной информации о территории. Все методы сбора пространственной информации разделяются на контактные и бесконтактные. Причем вторые имеют ряд неоспоримых преимуществ по отношению к первым, а именно: - возможность использования в особоопасных и недоступных территория без ущерба и вреда здоровью человека (исполнителям работ); - значительно более высокий потенциал автоматизации процесса измерения; - возможность выполнения измерения с подвижных носителей; - гораздо больший объем получаемой исходной информации; - значительно меньшие трудозатраты и трудовые ресурсы при выполнении измерений. В свою очередь из всего многообразия бесконтантактных методов съемки наиболее перспективными являются активные системы сбора информации, так как они обладают рядом преимуществ по отношению к пассивным: - всепогодность использования; - нет необходимости в дополнительных источниках освещения, т. е. возможность использования как в дневное так и в ночное время суток; - измерение дальности до объектов местности, а следовательно получать трехмерные координаты в процессе съемки; - узкий спектральный диапазон (практически монохроматичный) создает условия для более полного учета влияния атмосферы в результатах измерений.
Все активные съемочные системы разделяются на два вида: - лазерные (использующие в основе оптический диапазон излучения); - радиолокационные (использующие в основе радио диапазон излучения). Использование лазеров при получении пространственной информации об объектах местности вызвано их свойствами, а именно: когерентность излучения, монохроматичность, узкая расходимость пучка и т. д., что позволяет получать более точные и детальные данные по сравнению с другими съемочными системами [221]. Поэтому наибольший интерес для получения пространственной информации об объектах местности представляют данные системы сбора информации. Кроме того следует учитывать возросшие потребности отраслей экономики, а именно представление пространственной информации в трехмерном виде. При этом для них предъявляются следующие требования [142]: - сопоставимая точность получения данных по высоте и в плане; - детальность (разрешение) получаемых трехмерных моделей в метрических величинах соответствующая точности получаемых данных; - решение инженерных и управленческих задач по трехмерной цифровой модели, состоящей из топологически связанных математических моделей объектов и объеденных с семантической информацией о них, т. е. представление информации в виде трехмерной геоинформационной модели.
Для обеспечения этих потребностей и выполнения всех этих условий современного общества могут быть использованы только приборы лазерного сканирования на современном этапе науки и техники. Однако для их использования в настоящего время нет единых и комплексных решений, основанных на системных принципах.
Целевой функцией лазерного сканирования является создание трехмерной геоинформационной модели (подготовка пространственных решений) (Fg). Этот процесс базируется на результатах пространственного анализа данных лазерного сканирования (пространственный анализ данных) (Fa), что составляет сущность второй важной функции рассматриваемой системы. Для анализа данных необходимы соответствующие модели математического описания объектов и рельефа, поэтому третьей функцией является моделирование территории (Fm). Однако для моделирования необходимы исходные данные, поэтому четвертой функцией яв 15 ляется сбор данных (или съемка территории и предварительная обработка данных), и пятой функцией – получение семантической информации (Fs и Fi). Наконец, для контроля и восприятия человеком результатов пространственного анализа необходима шестая функция – визуализация (Fv). Создание цифровых карт (Fс) является дополнительной, седьмой функцией.
Рассмотрим детально перечисленные функции в порядке их реализации в технологическом процессе: от съемки территории до визуализации результатов.
Лазерная съемка территории и сбор исходных данных. Лазерная съемка и сбор исходных данных являются процессом непосредственного изучения территории. Процесс непосредственного изучения территории включает в себя измерение и определение характеристик объектов местности. Кроме того к данному процессу следует относить оценку качества полученных данных, так как только достоверная, полная и детальная информация пригодна для дальнейшей обработки.
Лазерная съемка выполняется с целью получения геометрических первичных данных, отображающих пространственные свойства объектов местности.
Сущность всех методов лазерного сканирования (воздушного, мобильного и наземного) заключается в измерении дальности с высокой частотой от сканера до объектов местности и направления распространения сигнала. При измерении расстояний сканером используется свойства лазерного источника электромагнитного излучения, а именно когерентность, монохроматичность, малый угол расходимости сигнала.
Результатом лазерного сканирования является массив точек, каждая точка которого имеет следующие характеристики пространственные координаты (X, Y, Z), интенсивность отраженного сигнала (I). Кроме того для повышения информационной емкости массива точек, также выполняют цифровую съемку, которая позволяет получить для каждой точки информацию о реальном цвете объекта. Использование данных лазерного сканирования совместно с материалами цифровой съемки способствует процессу дешифрирования в интерактивном режиме.
Влияние метрологических свойств объектов на точность лазерной съемки
При измерении угловых величин в НЛС выделяются следующие способы [184]: - с применением кодовых дисков с масками числовых шкал. В данном способе лимб, с которого считывается угловая величина, представляет собой кодовый диск, на котором нанесена система кодовых дорожек, состоящих из отдельных элементов типа «да-нет». Расположение этих элементов таково, что они в определенном коде зашифровывают измеряемую угловую величину, при этом каждая дорожка выражает один разряд в значении измеряемого угла. Количество дорожек и последовательность расположения элементов в них зависят от выбранного кода и точности измерения угловых величин. Считывание кода производится оптическим способом. Данный способ измерения углов относится к абсолютным [54, 61, 148]; - с применением импульсных дисков. Сущность импульсного способа измерения углов состоит в том, что величина угла определяется количеством импульсов (инкрементов, являющихся последовательностью штрихов и интервалов между ними – элементов типа «да-нет»), укладывающихся на дуге окружности, заключенной между двумя сторонами угла. Этот способ основан на использовании штрихового растра – системы радиальных штрихов, наносимых на внешнем крае лимба или алидады через одинаковые интервалы. Данный способ измерения углов принадлежит к числу относительных [54, 61, 148]; - с применением штриховых кодовых шкал. Данный способ отличается от кодовых способов с числовыми шкалами тем, что информация об измеряемых углах здесь представлена в виде штрихов; - с применением комбинаторных шкал. Данный способ измерения углов является модификацией кодового. В нем устранены следующие недостатки: сложность изготовления дисков с несколькими кодовыми дорожками и громоздкость конструкции считывающего устройства. В комбинаторном способе используется диск с одной кодовой дорожкой, а считывание информации производится с помощью нескольких датчиков. Положение и количество считывающих датчиков подобраны так, что каждому дискретному углу поворота шкалы соответствует определенная комбинация состояний считывающих элементов, то есть кодовая комбинация [148].
Перечисленные способы обеспечивают высокую скорость считывания, высокую точность измерения (ошибки измерения углов составляют несколько секунд), простую конструктивную реализацию [184].
Всю совокупность ошибок в величинах, измеряемых НЛС, можно разделить на две группы [84, 184]: - инструментальные, обусловленные качеством сборки и юстировки механических, оптических и электронных частей прибора; - методические, источником которых является сам метод определения величин с помощью НЛС. Величины ошибок первой группы фактически отражаются в техническом паспорте сканера и первоначально определяются на этапе сборки и юстировки прибора, а затем периодически – во время калибровки и поверки типов НЛС. Результатом таких исследований является заключение о соответствии (несоответствии) точности работы отдельных блоков прибора заявленным характеристикам. Поверку типов прибора можно выполнять с использованием методик, описанных в работах автора [117, 118]. Инструментальные ошибки, как правило, можно исключить только заменой частей и/или технологии изготовления прибора. Методические ошибки обычно можно учесть при обработке результатов измерений. Применительно к НЛС методические ошибки можно разделить на следующие: - ошибки, вызванные окружающей средой (атмосферной рефракцией, затуханием электромагнитных волн, вибрацией прибора и т. п.); - ошибки, обусловленные характеристиками объекта сканирования (размером, ориентацией, цветом, текстурой и т. д.). Для определения и учета методических ошибок в результатах наземного лазерного сканирования существует два основных подхода. Сущность первого состоит в раздельном оценивании влияния каждого фактора, как предлагается в работе [336]. Второй подход основан на комплексном учете воздействия всех факторов, аналогично тому, как выполняется исключение систематических ошибок в координатах точек снимков при их фотограмметрической обработке. С помощью первого подхода устраняют основную (бльшую) часть систематических ошибок из результатов измерения углов и расстояний сканером, причем такое исключение выполняют на так называемом этапе предварительной обработки сканов. Остальную часть систематических ошибок устраняют с помощью комплексного подхода, для чего обычно используют полиноминальные модели. Исключение искажений в координатах точек сканов с помощью комплексного подхода является наиболее универсальным. Из принципа действия триангуляционных сканеров видно, что они имеют ограничения по максимальной и минимальной дальности сканирования, что доказывается производимыми на сегодня триангуляционными НЛС (измеряемые расстояния лежат в диапазоне от десятков сантиметров до 25 м [184]). Точность получения пространственных координат точек объекта триангуляционными сканерами составляет от 50 мкм до 0,3 мм. Соответственно, эти сканеры предназначены для использования в лабораторных условиях, где отсутствуют температурные градиенты. Этот факт освобождает измерения, выполненные триангуляционными НЛС, от ошибок, вызванных воздействием окружающей среды.
Отметим, что наземные лазерные сканеры являются объективным средством определения пространственных форм материального мира во времени. Единственным инструментом, имеющим дело с чистыми формами созерцания времени и пространства, является математика (геометрия – пространство, алгебра – время), и она же является мерой научности знания. Поэтому для описания процесса измерения НЛС следует использовать математический аппарат с целью определения точности единичного измерения, производимого в реальных условиях.
Теоретические основы скантриангуляции
Классификация методов определения элементов внешнего ориентирования сканов. Одним из важных этапов в технологии наземного лазерного сканирования является внешнее ориентирование сканов. От точности выполнения этого процесса зависят окончательная точность построения цифровой модели ситуации и рельефа [159], качество дешифрирования точечной модели и возможность автоматизации процесса построения цифровой модели местности (ЦММ). На рисунке 34 показаны точечные модели дымоходной трубы (вид сверху), полученные по шести сканам, внешнее ориентирование которых выполнено с различной точностью.
Влияние точности внешнего ориентирования сканов на дешифровочные свойства массива точек: а) средняя СКО единицы веса 4 мм; б) средняя СКО единицы веса 7 см В общем случае задача преобразования координат точек из одной системы координат в другую выполняется при помощи известной в математике формулы [306-308]
Элементы внешнего ориентирования скана Оценка точности определения элементов внешнего ориентирования сканов инструментальным и аналитическим методами. Инструментальный метод. Прямой метод определения элементов внешнего ориентирования (ЭВО) сканов предусматривает использование дополнительных устройств и приборов и может быть реализован в двух вариантах.
В первом варианте наземный лазерный сканер (НЛС) центрируется и гори-зонтируется над опорной точкой с известными координатами, тем самым задаются линейные элементы внешнего ориентирования сканов X0, Y0. Величина Z0 определяется путем суммирования отметки опорной точки и высоты прибора, которая измеряется в полевых условиях. В современных аппаратных средствах для этих целей обычно применяется лазерный отвес. Средняя погрешность центрирования, а следовательно, и определения элементов X0, Y0 при помощи лазерного отвеса составляет от 1,5 до 3 мм [267], а средняя ошибка определения величины Z0 – от 2 до 5 мм [218].
Координаты точек стояния сканера могут быть определены в процессе работ по наземному лазерному сканированию на основе геодезических построений или с помощью спутниковой геодезической аппаратуры. Точность определения пространственных координат точек местности спутниковыми методами приведена в таблице 7.
Угловые элементы внешнего ориентирования скана можно задать в процессе горизонтирования сканера, когда вертикальная ось прибора устанавливается в отвесное положение (параллельно оси Z внешней системы координат). Вследствие этого продольный е и поперечный rj углы наклона скана будут равны нулю. Угол разворота , скана вокруг оси Z относительно внешней системы координат определяется при ориентировании лазерного сканера по заданному направлению.
В наземных лазерных сканерах так же, как и в современных геодезических приборах, например, электронных тахеометрах, для точного горизонтирования используются двухосевые компенсаторы, точность работы которых в настоящее время составляет от 1 до 5. Ориентирование прибора по начальному направлению выполняется с погрешностью такой же, как измерения горизонтальных углов. Для НЛС эта величина составляет от 3 до 10.
В аналитическом методе для внешнего ориентирования сканов, полученных фазовыми и импульсными НЛС, применяются координаты опорных точек, которыми служат специальные марки. Координаты опорных точек должны быть известны в двух системах координат: в системе координат скана и во внешней системе координат объекта. В данном методе процесс внешнего ориентирования сканов выполняется в два этапа. На первом этапе определяются величины Х0, Г0, Z0, , , , а затем выполняется перевычисление координат точек скана во внешнюю систему. Оба этапа реализуются с использованием формулы (47). Точность внешнего ориентирования сканов полностью зависит от погрешностей определения Х0, Г0, Z0, , , , т. е. от качества выполнения первого этапа. На точность определения элементов внешнего ориентирования аналитическим методом влияют следующие параметры: а) погрешность измерений НЛС, которую отражает ошибка единицы веса при решении уравнений по метода наименьших квадратов (МНК); б) геометрия расположения и количество специальных марок. Первая составляющая подробно была рассмотрена в в разделе 2. Рассмотрим влияние расположения и количества специальных марок и ошибок величин, измеряемых наземными лазерными сканерами, на точность определения элементов внешнего ориентирования скана (Х0, Г0, Z0, є, rj, ). Для этого будем использовать формулу (47).
Общие принципы формирования и обработки изображений, полученных по материалам наземного лазерного сканирования и съемки цифровой камерой
В работе [49, 50] отмечен тот факт, что при совместном уравнивании угловых и линейных сетей целесообразнее использовать функции измеренных величин. Поэтому с использованием приемов математического моделирования были выполнены исследования точности решения прямых угловых, линейных и линейно-угловых засечек при различных вариантах уравнивания. Анализ результатов исследований автора [П4] показал, что точность уравнивания измеренных величин в среднем на 4,7 % выше, чем уравнивание функции результатов измерений. Преимуществом уравнивания измеренных величин является то, что в случае определения систематических ошибок в измеренных углах и расстояниях с целью повышения точности уравнивания для нахождения плановых координат центров специальных марок проще составить уравнения поправок.
Основными источниками систематических ошибок при угловых наблюдениях являются: - ошибки, связанные с влиянием внешних условий: рефракции и турбулентности атмосферы; - личные ошибки наблюдателя; - приборные ошибки. Ошибки, вызванные рефракцией, приводят к искажению направления световых лучей при изменении показателя преломления. Боковая рефракция приводит к искажениям в основном горизонтальных углов.
Ошибки, связанные с действием боковой рефракции, носят систематический характер, особенно при «спокойном изображении», то есть при стабильном расположении слоев воздуха, через которые проходит визирный луч [47, 85, 218, 241]. Для вычисления поправок за влияние боковой рефракции необходимо измерять горизонтальные градиенты температуры и влажности вдоль направления на точку визирования. В случае однородного поля рефракции формулы для расчета поправок в измеренное направление за изменение температуры SГ и влажности ASГ поперек трассы, соединяющей прибор с точкой визирования, имеют вид [241]:
Горизонтальные градиенты влажности влияют на ошибку измерения углов значительно меньше (примерно на порядок), чем градиенты температуры [263].
Между градиентами температуры и влажности существует зависимость: там, где имеет место значительный градиент температуры, как правило, будет значительный градиент влажности и наоборот. На более увлажненной поверхности величина испарения больше, следовательно, на него расходуется большее количество тепла, и температура воздуха над этой поверхностью ниже. В результате над границей поверхностей возникают влажностный и температурный градиенты. Ес 194 ли две одинаково увлажненные поверхности поглощают разное количество тепла, то с более нагретой поверхности испарение будет происходить более интенсивно и над границей возникает вместе с температурным градиентом также и градиент влажности [48, 263]. Это означает, что при определении поправок за рефракцию в измеренных углах с помощью градиента температуры можно учесть градиент влажности. Влияние градиента давления на ошибку измерения углов пренебре-гаемо мало (несколько тысячных секунды).
Из результатов экспериментальных исследований, приведенных в работах [263, 266], видно, что суточный ход ошибок направлений из-за рефракции имеет синусоидальный характер. Отсюда следует, что значения поправок в угловые измерения, связанные с влиянием боковой рефракции, будут изменяться во времени. Так как расчетное время выполнения геодезических измерений на одном базовом пункте радиального тестового полигона составляет от 1 до 1,5 ч, то значение поправки в угловые измерения необходимо задавать как функцию от времени. В случае неучета влияния рефракции измеренные величины не подлежат совместному уравниванию, так как не будут принадлежать одной генеральной совокупности [38]. На основе исследований, представленных в работах [176, 241, 263, 266], для вычисления поправок в измеренные углы за влияние рефракции предлагается параболическую функцию, описывающую поправки.
Теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют, что оптимальное время суток для геодезических наблюдений в отношении влияния рефракции одновременно является предпочтительным и в отношении влияния турбулентности, поскольку эти два явления вытекают из одних физических предпосылок. Следовательно, можно заключить, что при проведении измерений во время «спокойных изображений» одновременно сводятся к минимуму ошибки, вызванные как рефракцией, так и турбулентностью. Поскольку расчетное время выполнения геодезических измерений на радиальном тестовом полигоне составляет от 4 до 6 ч, то произвести наблюдения во время «спокойного изображения» практически невозможно. В этом случае влияние рефракции будет учтено в соот 195 ветствии с предложенной моделью, однако будет иметь место влияние турбулентности.
При угловых измерениях из личных ошибок наблюдателя наиболее существенными являются систематические ошибки визирования, которые возникают вследствие наведения биссектора сетки нитей трубы на цель с некоторой постоянной для исполнителя ошибкой. Эти ошибки увеличиваются с уменьшением контрастности цели и фона, на который она проектируется. Характерно, что знак данной ошибки одинаков для всех наблюдателей при некотором варьировании ее величины. При измерении горизонтальных углов между двумя световыми целями с яркостями т\ и т соответственно, поправка в измеренный угол будет равна [241, 266]: Sp =к{т2 т\)- (125) где к - коэффициент пропорциональности. В настоящее время алгоритмы ПО современных электронных тахеометров позволяют исключить часть систематических ошибок, связанных с погрешностями изготовления деталей и установки элементов прибора относительно друг друга (раздел 4). Поэтому в большинстве случаев остаются неучтенными ошибки измерения углов, которые описываются гармоническими функциями (короткоперио-дические и длиннопериодические) [95, 96, 228]. Для их учета необходимо проводить дополнительные исследования каждого отдельно взятого прибора.