地面三维激光扫描仪系统误差模型研究及精度分析

作者:蔡建民;花向红;宣伟;吴帮;杨荣华; 刊名:测绘地理信息 上传者:陈静霞

【摘要】分析了外部观测条件对地面三维激光扫描仪测距的影响,以空间相似变换为基础,提出了自检校法的优化模型,并给出了模型解算策略。通过实验对RIEGL VZ-400地面三维激光扫描仪进行检校和测量数据改正,结果表明:将外部观测条件影响因素纳入系统误差模型中后,可以提高地面三维激光扫描仪的数据精度,从而验证了优化模型的可行性与正确性。

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地面三维激光测量技术突破了传统单点测量的方法,通过扫描可获得每秒数万点的高精度点云数据[1]。随着这项技术在科学研究、工业生产等领域的广泛应用,工程项目对其测量精度也提出了较高的要求[2]。地面三维激光扫描仪的系统参数是由厂家在理想状况下测量并给定,受仪器构造及生产过程的不确定因素影响,导致仪器实际指标与标称不一致,给测量带来误差。为了快速获取系统误差的改正参数,并利用这些参数对测量数据进行系统性偏差改正,可对三维激光扫描仪系统误差进行建模和标定分析。张毅等[3]提出的11参数自检校法未考虑外部观测条件因素对激光测距的影响,本文在地面三维激光扫描仪系统误差影响因素的基础上,对激光测距误差进行深入研究,提出了11参数自检校法的优化模型,利用稳定性好、精度高和计算速度快的罗德里格矩阵求解模型参数[4],详细地给出了模型解算策略。1系统误差模型1.1自检校法自检校法是以空间相似变换为基础,由11个待定参数构成地面三维激光扫描系统误差模型[5],其中6个为外部定向参数,另外5个为仪器系统误差参数。式(1)为自检校法模型:FXYZ=XY熿燀燄Z燅=λ·RΦ(,Ω,Κ)S(+k+S·r)cosθ(+w)cosα+icosθ+jtan()θS(+k+S·r)cosθ(+w)sinα+icosθ+jtan()θS(+k+S·r)sinθ(+)熿燀燄燅w+ΔXΔYΔ熿燀燄Z燅(1)式中,k为三维激光测距加常数改正量;r为三维激光测距乘常数改正系数[4]。当k=0时,地面三维激光扫描仪为相位式测距;当r=0时,则为脉冲式测距。RΦ,Ω,(Κ)为旋转矩阵;ΔXΔYΔ[Z]T为空间直角坐标转换平移量;λ为缩放因子,不作为系统误差参数;i、j、w分别为视准轴误差、水平轴误差、竖角指标差;间接观测量S、α和θ可通过三维激光扫描仪测量的坐标点计算得到[6]。该模型对测距S进行了加常数和乘常数改正,同时也考虑了视准轴误差和水平轴误差对测角的影响,通过改正后的三个间接观测值重新计算扫描点坐标。但该模型对距离S进行误差改正时,只考虑了激光测距方式[7]所引起的误差,未考虑测量时外部观测条件对激光测距的影响。1.2模型优化地面三维激光扫描仪的测距误差受激光测距方式和外部观测条件影响,对外部观测条件而言其误差主要是由非线性状态、时间漂移、温度漂移、混合像素等因素引起的[8],可表示为:ΔSinst=a0+a1t+a2e-a3T+ΔSwalk+m0+m1t+m2t2(+m3t)3 S+b(·y)S+c·e-c1()t S+d1S2+d2S3+d3S4+d4S5+…(2)式中,ΔSinst为测距误差;t为温度;T为地面三维激光扫描仪开机时长;y为扫描仪的使用年份;ΔSwalk为时间漂移误差;m0、m1、m2、m3为尺度因子;b为时间效应比例因子;c和c1为测距和温度比例因子;最后4项为非线性距离制约误差;其余参数为扫描仪校准系数。本文将ΔSinst作为一项改正参数,对激光测距误差作进一步改正,式(3)为优化后的自检校法模型:FXYZ=XY熿燀燄Z燅=λ·RΦ(,Ω,Κ)S(+k+S(+ΔSinst)·r)cosθ(+w)cosα+icosθ+jtan()θS(+k+S(+ΔSinst)·r)cosθ(+w)sinα+icosθ+jtan()θS(+k+S(+ΔSinst)·r)sinθ(+)熿燀燄燅w+ΔXΔYΔ熿燀燄Z燅(3)式中,k=k′+ΔSinst。测距误差一部分为激光测距方式引起的,另一部分为环境因素的影响。考虑到模型中测距误差ΔSinst和k之间存在关联性,将二者作为整体,即加

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