Калибровка наземного лазерного сканера по сканам испытательного полигона

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 несанкционированная 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.






KEY WORDS: laser scanning, scanner calibration, ScanIMAGER, spatial polygon field distortion, ScanCalibr

ABSTRACT: 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 ScanIMAGER and utility ScanCalibr.

Modern laser scanner is an automated system for the collection of spatial data, working with very high speed and providing millimeter precision. The result of the laser scanner is a raster image – scan, which pixel values represent the vector with the measured distance and the intensity of the reflected signal. With the help of specialized software from raster scan can be created point cloud, recalculating every pixel from polar coordinate system to cartesian based on the results of the calibration of a particular instrument.

In the process of operation the number of nodes of the laser scanner is experiencing large dynamic loads, and eventually the calibration results are no longer completely compensate for systematic errors of the scanner, which leads to deterioration of accuracy of the output point cloud. Therfor it is necessary to periodically repeat the calibration to ensure measurement accuracy. Today scannner manufacturers have different approaches to solve calibration problem. Some manufacturers provide service of self-calibration. Others offer control function of calibration, i.e. how the factory calibration parameters are relevant and able to compensate for scanning errors. And yet others are denied calibration service. In most cases, automatic calibration of the laser scanner is expensive and lengthy procedure. At the same time, as a rule, the periodic calibration is reduced to the actualization of the amendments that minimize the influence of systematic errors of the instrument and solved at the software level. This article discusses the solution of actual tasks - the development of universal calibration technology for laser scanning systems.

The calibration of the laser scanner can be performed on primary or "raw" data (distance, horizontal and vertical angles obtained as the measurement result of scanning process) and secondary data (distance, horizontal and vertical angles obtained as a function of the three-dimensional cartesian coordinates returned by the device).

Calibration on the basis of primary data in many ways is preferable because allows to determine the instrumental errors of the scanner due to not optimal mutual location of the main axis and nodes of the device. These types of errors and methods of calibration have been well studied, and formulae of calculation are simple and finished look. However, it is not always possible to perform calibration of the scanner according to initial reports, because the device manufacturers often block access to "raw" data of the device and sensors, and unauthorized firmware leads to loss of warranty. Therefore, self-calibration of the scanner according to primary data, can be executed only in case if the procedure provided by the manufacturer foe users. In other cases, the only way to minimize the influence of systematic errors and to improve the quality of the output is to calibrate by distances, horizontal and vertical angles and reconstructed from coordinates of the scanned points. Thus, the task of calibrating the laser scanner by using the secondary data is the detection of residual errors after applying factory settings to compensate them when creating the output point cloud. This problem is solving with help of the spatial scans of test polygon, mark coordinates of which are known with higher accuracy.
Residuals, representing the field distortion of the scanning system can be obtained comparing geometric values that link polygon mark coordinates calculated according to the results of the scan and the original coordinates of the marks.

Correction parameters to measurements of each scanned point can be calculated approximating field distortion, for example, with exponential polynomials, and determining its parameters from the solution of the relevant equations.

The report presents the technology and the mathematical apparatus for calibration implemented in the utility ScanCalibr of ScanIMAGER software package.

---

Распечатать