點云數(shù)據(jù)獲取與精度分析

點云數(shù)據(jù)獲取與精度分析第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日野外掃描方案設計1.制定掃描方案的作用：測繪工程項目多數(shù)都有技術設計的環(huán)節(jié)。在我國三維激光掃描技術應用還處于初級階段，多數(shù)應用項目屬于實驗研究性的，只有少數(shù)應用技術路線相對成熟，項目技術設計還未當成必要環(huán)節(jié)來要求，而且目前我國掃描儀檢測與應用技術標準與規(guī)范還沒有開始制定。但是由于三維激光掃描技術應用的核心是準確獲取點云數(shù)據(jù)，依據(jù)目前一些學者的研究成果，點云數(shù)據(jù)的精度影響因素較多。所以，為了控制誤差累積，提高掃描精度，三維激光掃描測繪和傳統(tǒng)測繪一樣，測繪前首先要進行基于精度評估的技術設計是非常有必要的，對于項目的順利完成將起到非常重要的作用。第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2.制定掃描方案的主要過程：1）.明確項目任務要求。當掃描項目確定后，承包方技術負責人必須向項目發(fā)包方全方位細致的了解項目的具體任務要求，這是制定項目技術設計的主要依據(jù)。2）.現(xiàn)場勘查。為了項目技術設計能合理并順利實施，全面細致的了解項目現(xiàn)場環(huán)境雙方相關人員必須到掃描現(xiàn)場進行踏勘。踏勘過程中注意查看已有控制點位置、保存情況以及使用的可能性。根據(jù)掃描對象的形態(tài)、空間分布、掃描需要的精度以及需要達到的分辨率確定掃描站點的位置、標靶的位置等。根據(jù)掃描站點位置考慮掃描模型拼接方式，繪制現(xiàn)場草圖，對主要掃描對象進行拍照。根據(jù)現(xiàn)場勘查以及照片信息找到整個掃描過程中的難點，并對其提出相應的解決方法。第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3）.制定技術設計方案。完整的技術設計方案應包括項目概況、技術設計依據(jù)、測量控制點布設方案、掃描儀選擇與參數(shù)設置、掃描數(shù)據(jù)拼接方案、數(shù)據(jù)處理方案、提交成果、項目工作進度計劃、人員分組、后勤保障等。第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日掃描方案的主要設計內(nèi)容有：A.掃描儀選擇與參數(shù)設置。目前，掃描儀的品牌型號較多，在激光波長、激光等級、數(shù)據(jù)采樣率、最小點間距、模型化點定位精度、測距精度、測距范圍、激光點大小、掃描視場等指標方面各有千秋，為項目實施選擇儀器提供了較大空間，一般應根據(jù)儀器成本、模型精度、應用領域等因素綜合考慮。儀器選擇時首先考慮項目任務技術要求、現(xiàn)場環(huán)境等因素，再結合儀器主要技術參數(shù)確定項目使用的儀器，多數(shù)情況下需要有一臺儀器能夠滿足作業(yè)需求，但是在特殊情況下（比如項目任務量較大、工期較短、掃描對象有特別要求），需要多臺儀器參與掃描，甚至使用分辨率不同型號的儀器。第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日B.測量控制點布設方案。掃描儀本身在掃描過程中會自動建立儀器坐標系統(tǒng)，在無特殊要求時能滿足項目需要。但是為了將三維激光掃描數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一坐標系統(tǒng)（國家，地方或者獨立坐標系）下，需要使用全站儀或其他測量儀器配合觀測，這樣在點云數(shù)據(jù)拼接后就可以通過公共點把所有的激光掃描數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一坐標下，方便以后的應用。測量控制點布設要考慮現(xiàn)場環(huán)境、點位精度要求等，這些都可以參考測繪相關技術規(guī)范。測量控制網(wǎng)的布設有如下兩種。第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日目前，不同品牌儀器的性能參數(shù)還不統(tǒng)一，在選擇儀器前應充分了解儀器的相關標稱精度情況，結合項目技術要求選擇相應的參數(shù)配置，比如最佳的掃描距離、每站掃描區(qū)域、分辨率等指標。參數(shù)選擇的原則是能夠滿足用戶的精度需要即可，精度過高會造成掃描時間增加，、工作效率下降、成本上升、增加數(shù)據(jù)處理工作量與難度等后果。第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日a.對簡單建筑物變形監(jiān)測控制網(wǎng)的布設原則：①控制網(wǎng)的精度要高于建筑物建模要求的精度。②控制網(wǎng)布設的網(wǎng)形合適，要能滿足三維激光掃描儀完全獲取建筑物數(shù)據(jù)的要求。③控制網(wǎng)中各相鄰控制點間通視良好，要求一個控制點至少與兩個控制點通視。④為了提高測量精度，要求控制點與被測建筑物之間的距離保持在50m以內(nèi)。第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日b.復雜建筑物建模觀測控制網(wǎng)布設原則：①觀測控制網(wǎng)建設精度高于復雜建筑物模型要求精度的一個等級。②控制網(wǎng)各控制點平面坐標采用高精度全站儀實施導線測量，高程采用精密水準測量方法，并進行嚴格平差計算。③控制網(wǎng)網(wǎng)形合適，滿足三維激光掃描儀完整獲取建筑物數(shù)據(jù)的要求。對部分結構復雜的區(qū)域，應加密變形監(jiān)測控制點使掃描時能更好的獲得掃描數(shù)據(jù)。④控制網(wǎng)中各相鄰控制點間通視良好，要求一個控制點至少與兩個控制點通視。⑤為了提高測量精度，要求控制點與被測建筑物之間的距離保持在50m以內(nèi)或者更近的距離。第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日4).野外掃描方案設計在整個項目技術設計中，野外掃描方案是最重要的組成部分掃描之前要做全面仔細的方案設計。根據(jù)測量場景大小、復雜程度和工程精度要求，確定掃描路線，布置掃描站點，確定掃描站數(shù)及掃描系統(tǒng)至掃描場景的距離，確定掃描分辨率。儀器參數(shù)的確定，將直接影響到掃描精度和效率，分辨率一般根據(jù)掃描對象和需要獲取的空間信息進行確定。第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3.掃描設計方案主要內(nèi)容：1).標靶。掃描儀的內(nèi)部有一個固定的空間直角坐標系統(tǒng)。當一個掃描站上不能測量物體全部而需要在不同位置進行測量時，或者需要將掃描數(shù)據(jù)轉換到特定的工程坐標系中時，都要涉及坐標轉換問題。為此，就需要測量一定數(shù)量的公共點來計算坐標變換參數(shù)。為了保證轉換精度，公共點一般采用特制的球面（形）標志（也稱球星標靶）和平面標志（也稱平面標靶），在變形監(jiān)測時一般采用貼片固定在監(jiān)測對象上。第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日放置標靶時注意：標志能夠被良好識別，不要被物體遮擋；不要將標靶放在一條直線上，否則會降低拼接精度；安放位置要確保穩(wěn)定；標靶之間應有高度差。為滿足點云數(shù)據(jù)的拼接要求，相鄰測站至少要求有三個公共點重合，因此購置儀器時一般至少要配置四個標靶。如果有條件，可以多配置，這樣，掃描時每站的掃描范圍就會加大，同時也會提高工作效率。第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2).測站設置。根據(jù)掃描實施方案，設置站點要保證三維激光掃描儀在有效范圍內(nèi)發(fā)揮最大的作用，科學的設置站點可大幅提高測量效率。需要掃描標靶的情況下，換站前要計劃好下站位置，確定下站也能看到標靶；若不需要標靶，測站的位置要保證盡量多的看到特征點，方便后續(xù)點云拼接。第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日測站設置一般遵守的原則：①使得掃描儀所架設的各個測站可以掃描到目標區(qū)域的全部范圍；②對測站數(shù)進行優(yōu)化，在保證采樣率的前提下采用最小的設站數(shù)量，最大的覆蓋面積減小拼接次數(shù)，減少點云數(shù)據(jù)拼接誤差和數(shù)據(jù)總量；③相鄰兩站之間有不少于三個可清晰識別標靶或特別標志，掃描儀至掃描對象平面的距離要在儀器標稱測距精度的最佳工作范圍，一般要與掃描對象平面垂直。④在可視范圍內(nèi)，保證90%以上數(shù)據(jù)的完整性，站站之間重復率20%~30%左右，可以保證研究對象整個點云數(shù)據(jù)的完整性和不同測站點間拼接的最低要求。針對古建筑的特殊部位，要進行數(shù)據(jù)補充，保證完整性。對于大型的復雜建筑，尤其是具有一定高度的建筑，應采用其它輔助手段，保證點云數(shù)據(jù)完整性。第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3).大范圍區(qū)域掃描方案設計。當掃描范圍比較大，掃描站數(shù)較多時，采用一種拼接方式可能會有較大的累積誤差。目前大范圍區(qū)域點云數(shù)據(jù)拼接是研究的熱點問題，直接影響野外掃描方案的制定。第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日野外獲取點云數(shù)據(jù)1.掃描的基本步驟。在項目實施過程中，野外獲取點云數(shù)據(jù)是重要的組成部分，獲取完整符合精度要求的點云數(shù)據(jù)是后續(xù)建模與應用的基礎。掃描開始前要做好相關準備工作，主要包括儀器、人員組織、交通、后勤保障、測量控制點布設等。第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日一個側站上掃描的基本步驟為：a.儀器安置。對于集成度較高的掃描儀，儀器安置主要工作包括電源（鋰電池或者交流電源）、對中（在需要條件下）、整平，這些操作需要的時間非常短。對于掃描控制與數(shù)據(jù)存儲采用筆記本電腦的分體式掃描儀，需要將各個部件連接完整，就需要一定的時間內(nèi)，一般是半小時以內(nèi)。b.儀器參數(shù)設置。在確認儀器安置無誤后，可以打開儀器電源開關，一般開機可能需要幾分鐘時間。當開機完成后，可以進行掃描參數(shù)設置，主要包括工程文件名，文件存儲位置，掃描范圍，分辨率，標靶類型等。其中與精度相關參數(shù)設置要與項目設計相符。第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日c.開始掃描。當確認儀器參數(shù)設置正確后，可以執(zhí)行掃描操作。儀器在掃描過程中會有掃描進程顯示，完成掃描的剩余時間，如有問題可以暫停或者取消掃描。當儀器掃描結束后，可以檢查掃描數(shù)據(jù)質量，不合格需要重新掃描，依據(jù)掃描方案，還可以進行照相（也可用專業(yè)相機），掃描標靶，測量標靶坐標等。為了保證后續(xù)工作順利完成，在測站上應做好觀測記錄，主要內(nèi)容包括掃描測站位置略圖，掃描儀品牌型號，掃描時間，掃描操作人，測站編號，參數(shù)設置等，可自行設置表格填寫。第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日d.換站掃描。當確認測站相關工作完成無誤，可以將儀器搬到下一測站，是否關機決定于儀器電源情況，兩站之間距離，儀器操作要求等因素。當儀器搬移到下一測站后，可以重復前三個步驟的工作。注意與前一個測站需要相同的工程文件名稱，分辨率等特殊指標參數(shù)設置。第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日2.掃描中主要注意事項：由于儀器本身及掃描外界環(huán)境等因素，對獲取的點云數(shù)據(jù)精度有一定影響，為保證獲取精度都符合要求的點云數(shù)據(jù)，在野外掃描中主要注意：a.在可能的條件下，應該使用最佳距離和角度。在室內(nèi)掃描或者掃描距離較短的情況下，不同的角度會有不同的接收率，并不是正直掃描時接收率最高。b.防止在儀器工作溫度以外使用。如果天氣較熱的情況下，應盡可能地將設備放在陰涼環(huán)境下，或者在儀器上部搭一塊濕布，幫助儀器散熱。c.儀器內(nèi)部安裝了高分辨率的數(shù)碼相機，因此在設定掃描機位點時應注意不要將設備直接對著太陽光。第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日d.儀器在掃描操作時，應盡量避免風、施工機械影響造成的地面顫動等造成的三腳架晃動。還有掃描范圍內(nèi)人員走動、空氣中浮塵等造成三維數(shù)據(jù)的噪音，應選擇合適的時機盡量避免，無法避免時在后期數(shù)據(jù)處理時應對其進行消除。e.激光在穿透濕度高的空氣時，會有很大程度的衰減，所以盡量避免在潮濕區(qū)域作業(yè)。特別是封閉潮濕的環(huán)境，空氣中的水汽不僅會吸收激光，而且被測目標表面的水也會產(chǎn)生鏡面反射，這樣會使掃描儀的測量距離降到非常小的范圍。第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3.掃描儀全站化實施方案隨著儀器性能不斷提高，與傳統(tǒng)測繪技術結合的產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，如GPS，IMU，全站儀等，提高了獲取點云數(shù)據(jù)的精度。第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日點云數(shù)據(jù)的誤差來源與精度分析

地面三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集過程中容易受到外界因素的干擾，這些因素將會在某種程度上影像點云數(shù)據(jù)采集質量，影響測量精度。錯誤的數(shù)據(jù)或誤差較大的數(shù)據(jù)對用戶而言是沒有意義的。只有獲得了有用的點云數(shù)據(jù)（精度較高的數(shù)據(jù)）才能建立精確的實體三維模型。所以，對點云數(shù)據(jù)進行誤差分析是有必要的。第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1.點云數(shù)據(jù)的誤差來源掃描系統(tǒng)誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點的坐標誤差，可以通過公式改正或者修正系統(tǒng)予以消除或減小。所以，偶然誤差仍是激光掃描系統(tǒng)的主要誤差來源，經(jīng)綜合分析，包括儀器自身的誤差，儀器架設產(chǎn)生的誤差，數(shù)據(jù)去噪建模產(chǎn)生的誤差，距離誤差，植被覆蓋處的噪音誤差。地面三維激光掃描系統(tǒng)掃描過程中，影響最終獲取數(shù)據(jù)精度的誤差是多方面的，誤差包含粗差，系統(tǒng)誤差和隨機誤差三部分。許多誤差來源也是傳統(tǒng)測量工作中普遍出現(xiàn)的。如激光束發(fā)散特性，導致在掃描測量中的角度定位的不確定性，掃描系統(tǒng)各個部件間的連接誤差等，這些不確定性因素都會造成最終的點云數(shù)據(jù)中含有誤差。系統(tǒng)誤差傳播同樣遵循測量誤差傳播的基本規(guī)律。第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日在操作中，造成獲取數(shù)據(jù)含有誤差的因素包括：a.軸系之間的相互旋轉引起的測距和測角誤差；b.掃描系統(tǒng)通過旋轉的棱鏡鏡面來發(fā)射激光束到目標實體表面，鏡面的旋轉同樣會引起測距誤差。c.在掃描系統(tǒng)提供的各種外置設備，如GPS或者數(shù)碼相機，這種儀器之間的綁縛會導致最終點云數(shù)據(jù)精度降低；第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日d.對具有絕對定向功能的激光掃描系統(tǒng)，測站點和后視點定位定向精度會影響著掃描獲取數(shù)據(jù)的精度，如掃描儀整平對中操作中，人為因素造成的誤差也是制約數(shù)據(jù)精度的一個重要原因；e.掃描系統(tǒng)內(nèi)置或外置的相機的校對誤差，相機的標定誤差；f.外界環(huán)境，如溫度、氣壓、的影響，實體的反射特性等因素造成點云數(shù)據(jù)含有誤差。第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日由于激光掃描儀的測量特點，有些誤差的影響顯得尤為重要。許多學者對激光掃描儀的誤差分類有著不同的研究結果。如瑞士聯(lián)邦大學的Zogg博士將三維激光掃描儀的系統(tǒng)誤差分源總結為由激光掃描儀本身、反射目標及環(huán)境條件等三方面。a.掃描激光儀本身（成為儀器誤差）包括距離測量、激光束的擴散效應、角度測量、多傳感器數(shù)據(jù)同步、軸系穩(wěn)定性、校準及其他。第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日b.儀器誤差一般是可以通過儀器生產(chǎn)廠家來提高產(chǎn)品的質量，計量檢定人員采用一定的檢定設備進行檢查后對儀器進行改善。大氣環(huán)境引起的誤差源包括折射、大氣漩渦、大氣灰塵、障礙物、目標的背景及其他。除了個別誤差源（如大氣折射）可以進行改正外，其他誤差源只能夠通過儀器儀器使用者本身通過選擇恰當?shù)墓ぷ鳝h(huán)境和時間來減小其影響。c.反射目標包括大小、表面形狀、材質、反射面曲率及其他。目前反射目標對測量成果的影響，還只能通過了解其影響規(guī)律利用工作經(jīng)驗在實際工作中盡量避免。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日誤差對精度影響分析

三維激光掃描的精度一般是指掃描點云的坐標精度，它包括絕對定位精度和相對定位精度兩種，當然，精度還與掃描儀的測程有很大關系。點云的絕對中誤差與距離測量、垂直角測量和水平角測量的精度有關。掃描的誤差來源對點云數(shù)據(jù)精度的影響規(guī)律：1.儀器誤差A.角度測量。與傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀相似，激光掃描儀的軸系也必須滿足以下條件：水平軸（第一旋轉軸）應垂直于視準軸（激光束發(fā)射與接收軸）；水平軸應垂直于垂直軸（第二旋轉軸）；（帶傾斜補償器的儀器）垂直軸應當鉛直；當視準軸水平時，垂直度盤的天頂距讀數(shù)為90°；視準軸、水平軸及垂直軸相交于儀器中心。第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日在三維激光掃描儀測角系統(tǒng)中，需要考慮以下誤差源：a.垂直度盤指標差。當視準軸（激光束發(fā)射與接收軸）水平時，如果垂直度盤的天頂距讀數(shù)不為90°，那么其差值就是垂直度盤指標差。目前有些三維激光掃描儀帶有傾斜補償器，有些激光掃描儀則不帶。因此，不同類型儀器的垂直度盤指標差會具有不完全相同的含義。b.視準軸誤差。當水平軸（第一旋轉軸）與視準軸（激光束發(fā)射與接收軸）不垂直，或者當垂直軸（第二旋轉軸）與水平軸（第一旋轉軸）不垂直，這種不垂直的偏差被稱為視準軸誤差。當存在視準軸誤差時，激光掃描儀掃出的扇面將會不同，從而給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來非常大的麻煩。c.偏心差。在理想情況下，第一旋轉軸和第二旋轉軸垂直同時與視準軸相交，三軸的交點為儀器中心。但是實際上，因為受各種誤差的影響，使得上述條件不能滿足，產(chǎn)生偏心差。第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日B.距離測量a.周期性誤差。目前部分激光掃描儀采用相位式進行距離采樣。當采用相位式進行距離測量時，測距成果中自然包含周期誤差，這是原理性誤差。周期誤差主要由反射及接收之間的電信號、光串擾而引起的?，F(xiàn)代儀器采用了如數(shù)字分析信號在內(nèi)的多項新技術，從而使得周期誤差振幅的幅值越來越小。第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日b.加常數(shù)誤差。加常數(shù)為電磁波測距儀的固有系統(tǒng)誤差，測距儀及全站儀中加常數(shù)已經(jīng)為眾多儀器使用者所熟悉。與傳統(tǒng)的全站儀相比激光掃描儀不需要反射棱鏡就能夠進行距離測量，這樣就無法使用反射棱鏡的常數(shù)來補償激光器偏心；激光束經(jīng)過了系統(tǒng)轉向后再投射到被測物體上，由被測物返回，再由接收光學系統(tǒng)接收，這樣必然存在接收起算點的問題，通常情況下是將激光束的發(fā)射點以及接收點共同形成的點稱作激光掃描儀測距的零點；同時第一旋轉軸與第二旋轉軸交點為三維激光掃描儀中心。因此，三維激光掃描儀的加常數(shù)是指測距的起算點與儀器中心之間的差值。第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日c.相位不均勻性誤差。造成相位不均性的原因包括儀器性能及使用兩個方面：從使用儀器方面來講，由于反射面將反射回測距激光束的信號，也會給測距結果帶來誤差。這種因激光束位置不同進行距離測量造成的誤差稱相位不均勻性誤差；而從儀器性能方面來講，因為發(fā)光管的發(fā)光面上各點發(fā)出的光的延遲不同（針對相位式測距儀而言），或者由于發(fā)光面上各點發(fā)出的光的時間不一致（就脈沖式測距儀而言），都將會給測距結果帶來誤差。第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日d.比例改正誤差。無論是采用脈沖法還是相位法，均需要儀器產(chǎn)生一個一個基準頻率當做儀器距離測量的基準。當基準頻率偏離設定值時，則將會對測距結果產(chǎn)生與所測距離成相應比例的改正誤差。e.幅相誤差。三維激光掃描儀與全站儀（免棱鏡）的最大區(qū)別是前者無測距信號強度控制裝置。隨著被測物體的位置、材質、反射面的平整度、離儀器的遠近等變化，激光掃描儀接收到的信號必然將發(fā)生劇烈變化，劇烈變化的測距信號不但會給測距結果帶來誤差，可能甚至出現(xiàn)不能夠完成測距的后果。因此，幅相誤差是三維激光掃描技術的難點之一。第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日