Калибровка наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона с применением степенных полиномов

Ключевые слова: лазерное сканирование, калибровка сканера, ScanIMAGER, пространственный полигон, поле искажений, ScanCalibr
Аннотация: Рассматривается реализация технологической схемы и математического аппарата калибровки наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона с применением степенных полиномом в программном продукте ScanIMAGER и утилите ScanCalibr.

Современный наземный лазерный сканер представляет собой автоматизированную систему сбора пространственных данных, работающую с очень высокой скоростью, обеспечивая при этом миллиметровую точность. Результатом работы лазерного сканера является растровое изображение – скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора с измеренным расстоянием и интенсивностью отражённого сигнала. С помощью специализированного программного обеспечения из растрового скана можно создать облако точек, пересчитав каждый пиксель скана из полярной системы координат в прямоугольную декартову с учетом результатов калибровки конкретного прибора.

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. Чтобы точность измерений сканера удовлетворяла заявленным требованиям – необходимо периодически повторять его калибровку. На сегодняшний день производители оборудования по-разному подходят к решению проблемы калибровки лазерного сканера. Некоторые производители предоставляют сервисную функцию самокалибровки. Другие предлагают функцию контроля калибровки, т.е. насколько заводские калибровочные параметры актуальны и способны компенсировать ошибки сканирования. И третьи полностью отказывают в предоставлении сервисных функций, отвечающих за калибровку. В большинстве случаев, сервисная калибровка лазерного сканера – это дорогостоящая и длительная процедура. В то же время, как правило, задача периодической калибровки сводится к актуализации поправок минимизирующих влияние систематических ошибок прибора на результаты сканирования и решается на программном уровне. В данной статье рассматривается решение актуальной задачи, – разработки универсальной технологии калибровки наземных лазерных сканирующих систем.

Калибровку лазерного сканера можно выполнять как по первичным или «сырым» данным (расстояния, горизонтальные и вертикальные углы, полученные как результат измерений в процессе сканирования) так и по вторичным данным (расстояния, горизонтальные и вертикальные углы, полученные как функции трехмерных декартовых координат возвращаемых прибором по результатам сканирования).

Калибровка на основе первичных данных во многом является более предпочтительной, поскольку позволяет непосредственно определять и учитывать основные инструментальные ошибки сканера, вызванные не оптимальным взаимным расположением основных осей и узлов прибора.
Данные виды ошибок и методы их поверки у геодезических приборов хорошо изучены, а формулы учета в результатах измерений имеют простой и законченный вид. Однако не всегда есть возможность выполнить калибровку сканера по первичным данным, поскольку производители оборудования часто закрывают доступ к «сырым» данным прибора и показаниям датчиков, а не санкционированная производителем «прошивка» внутренней памяти прибора приводит к потере гарантии. Поэтому самостоятельно калибровку сканера по первичным данным можно выполнить лишь в случае, если данная процедура предусмотрена фирмой изготовителем как пользовательская. В остальных же случаях единственный путь минимизировать влияние систематических ошибок и повысить качество выходной информации – это провести калибровку по расстояниям, горизонтальным и вертикальным углам, восстановленным по координатам отсканированных точек. Таким образом, задача калибровки лазерного сканера по вторичным данным сводится к выявлению остаточных ошибок сканирования после применения заводских параметров с целью их компенсации при создании выходного облака точек. Данную задачу удобно решать по сканам пространственного испытательного полигона, координаты марок которого известны с заведомо более высокой точностью, чем их можно определить по результатам сканирования.

Сравнивая геометрические величины, которые связывают точки установки сканера с марками полигона, вычисленные по результатам сканирования и по исходным координатам марок получаем невязки, представляющие собой поле искажений сканирующей системы.
Аппроксимируя поле искажений, например, степенными полиномами, и определив из решения соответствующих уравнений их коэффициенты, получаем возможность вычислить поправки в результаты измерений каждой отсканированной точки.
В докладе представлена технологическая схема и математический аппарат калибровки реализованный в утилите ScanCalibr программного комплекса ScanIMAGER.

LASER SCANNER CALIBRATION USING SCANS OF TEST POLYGON AND EXPOTENTIAL POLYNOMIALS
A. Voinarovskii^1,2*, S. Tikhonov¹
*info@photogrammetria.ru
¹ "Photogrammetria" Ltd., Russian Federation, Saint-Petersburg
² Saint-Petersburg State University, Russian Federation, Saint-Petersburg
Keywords: laser scanning, scanner calibration, ScanIMAGER, spatial polygon field distortion, ScanCalibr
Annotation: Realization of the technology and the mathematical apparatus for the calibration of laser scanner using scans of test polygon with the use of exponential polynomial in the software product Scan-IMAGER and utility ScanCalibr.

Источник:
СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ II
ГЕОДЕЗИЯ, КАРТОГРАФИЯ, ГЕОИНФОРМАТИКА И КАДАСТРЫ.
ОТ ИДЕИ ДО ВНЕДРЕНИЯ
-
Санкт-Петербург / Saint-Petersburg
08-10 ноября 2017 г.

скачать СБОРНИК

В сборник вошли материалы международной научно-практической конференции «Геодезия, картография, геоинформатика и кадастры. От идеи до внедрения», ставящей цель обмена опытом и результатами инновационных исследований и практической деятельности в области геодезии, картографии, геоинформатики и кадастров.
Сборник адресован специалистам геодезических и картографических предприятий, производителям и поставщикам программного обеспечения,
геодезического, картографического и геоинформационного оборудования, научным работникам, преподавателям образовательных учреждений, а также студентам и аспирантам, исследующим как теоретические, так и прикладные аспекты развития геодезии, картографии, геоинформатики и кадастров.

Распечатать