Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Сибирский государственный университет геосистем и технологий"

(СГУГиТ)

РЕФЕРАТ

По предмету: Трехмерное лазерное сканирование

Профиль: Геодезия и дистанционное зондирование

Тема реферата: "Влияние свойств поверхностей на точность измерений лазерными сканерами"

Подготовил: студент ПГ-23 - Славин С.А.

Проверил: ст. преподаватель каф. инж. геодезии и маркшейдерского дела - Алтынов Н.Ж.

Новосибирск 2016 г.

Содержание

• Введение
• 1. Принцип действия наземных лазерных сканеров
• 1.1 Принцип работы дальномерного блока наземных лазерных сканеров
• 1.1.1 Импульсный метод измерения расстояний
• 1.1.2 Фазовый метод измерения расстояний
• 1.1.3 Триангуляционный метод измерения расстояний
• 2. Источники и классификация ошибок в результатах наземного лазерного сканирования
• 2.1 Классификация ошибок в данных наземного лазерного сканирования
• 2.2 Инструментальные ошибки наземных лазерных сканеров
• 3. Влияние свойств поверхностей на точность измерений НЛС
• 3.1 Влияние отражательной способности поверхности
• 3.2 Условия окружающей среды
• 3.3 Разрешающая способность
• 4. Анализ точности Лазерных Сканирующих Систем. Условия проведения испытаний в Институте i3mainz
• 4.1 Краевые эффекты
• 4.2 Влияние отражательной способности поверхностей
• 4.3 Отражение от многих целей
• Заключение
• Список литературы

Введение

Наземный лазерный сканер (НЛС) - это съёмочная система, измеряющая с высокой скоростью (от нескольких тысяч до миллиона точек в секунду) расстояния от сканера до поверхности объекта и регистрирующая соответствующие направления (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формированием трёхмерного изображения (скана) в виде облака точек.

Сущность наземного лазерного сканирования и его преимущества. Система наземного лазерного сканирования состоит из НЛС и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. НЛС состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча. В качестве блока развёртки в НЛС выступают сервопривод и полигональное зеркало или призма. Сервопривод отклоняет луч на заданную величину в горизонтальной плоскости, при этом поворачивается вся верхняя часть сканера, которая называется головкой. Развёртка в вертикальной плоскости осуществляется за счёт вращения или качания зеркала.

В процессе сканирования фиксируется направление распространения лазерного луча и расстояние до точек объекта. Результатом работы НЛС является растровое изображение - скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора со следующими компонентами: измеренным расстоянием, интенсивностью отражённого сигнала и RGB-составляющей, характеризующей реальный цвет точки. Для большинства моделей НЛС характеристики реального цвета для каждой точки получается с помощью неметрической цифровой камеры.

Результат лазерного сканирования - растровое изображение

Другой формой представления результатов наземного лазерного сканирования является массив точек лазерных отражений от объектов, находящихся в поле зрения сканера, с пятью характеристиками, а именно пространственными координатами (x,y,z), интенсивностью и реальным цветом.

Система координат НЛС Результат наземной лазерной съемки - массив точек

В основу работы лазерных дальномеров, используемых в НЛС, положены импульсный и фазовый безотражательные методы измерения расстояний, а также метод прямой угловой развёртки (триангуляционный метод).

1. Принцип действия наземных лазерных сканеров

1.1 Принцип работы дальномерного блока наземных лазерных сканеров

1.1.1 Импульсный метод измерения расстояний

Импульсный метод измерения расстояний основан на измерении времени прохождения сигнала от приёмо-передающего устройства до объекта и обратно. Зная скорость распространения электромагнитных волн c, можно определить расстояние как: R = c * ф / 2

где ф - время, измеряемое с момента подачи импульса на лазерный диод до момента приёма отражённого сигнала. Импульсный метод измерения расстояний по точности уступает фазовому методу. Это происходит потому, что фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых может оказать влияние на точность конкретного измерения. Таковыми параметрами являются:

· длительность и форма (в частности, крутизна переднего фронта) зондирующего импульса

· отражательные характеристики объекта

· оптические свойства атмосферы

· текстура и ориентация элементарной поверхности объекта вызвавшей отражение зондирующего луча по отношению к линии визирования

Принцип импульсного/фазового методов измерения расстояний

1.1.2 Фазовый метод измерения расстояний

Фазовый метод измерения расстояний основан на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов. В этом случае расстояние вычисляется по формуле:

R = ц_2R * c / (4р * ѓ),

где ц_2R - разность фаз между опорным и рабочим сигналом; ѓ - частота модуляции. Режим работы фазоизмерительного устройства зависит от его температуры, с изменением которой незначительно изменяется фаза сигнала. Вследствие этого точное начало отсчета фазы определить нельзя. С этой целью фазовые измерения повторяются на эталонном отрезке (калибровочной линии) внутри прибора. Главное преимущество фазового метода измерения - более высокая точность, которая может достигать единиц миллиметров.

1.1.3 Триангуляционный метод измерения расстояний

Триангуляционный метод измерения расстояний наземными лазерными сканерами. В настоящее время существует два варианта реализации триангуляционного метода измерения расстояний. Сущность первого варианта измерения расстояний триангуляционными сканерами заключается в следующем. С помощью проектора лазерный луч низкой мощности отклоняется от исходного направления. Угол и1, образуемый базисом сканера d и лазерным лучом, вычисляется по положению изображения лазерного пятна на приемнике первой ПЗС-камеры (рис.6). Угол и2 образуется осью (базисом) сканера и вектором распространения отраженного сигнала от объекта, фиксируемого второй ПЗС-камерой. Термин "триангуляционный лазерный сканер" заимствован из англоязычной литературы и является несколько некорректным, поскольку принцип работы сканера основан на определении расстояний до объекта методом прямой угловой засечки с помощью величин и 1, и 2 и d. Но так как в отечественных публикациях нет никаких аналогов этому названию, то в тексте работы будет использоваться термин "триангуляционный лазерный сканер".

Принцип действия НЛС Mensi Soisic и S-series (вид сверху)

2. Источники и классификация ошибок в результатах наземного лазерного сканирования

2.1 Классификация ошибок в данных наземного лазерного сканирования

Всю совокупность ошибок в величинах, измеряемых НЛС, можно разделить на две группы:

· Инструментальные, обусловленные качеством сборки и юстировки механических, оптических и электронных частей прибора (величины ошибок отражаются в техническом паспорте сканера и первоначально определяются на этапе сборки и юстировки прибора, а затем периодически - во время калибровки и метрологической аттестации НЛС);

· Методические, источником которых является сам метод определения величин с помощью НЛС. Они могут быть вызваны окружающей средой (атмосферной рефракцией, затуханием электромагнитных волн, вибрацией прибора и т.п.) или обусловлены 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. 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 (большую) 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

2.2 Инструментальные ошибки наземных лазерных сканеров

Стабильность работы НЛС Применение в НЛС в качестве источника излучения лазера, работающего либо непрерывно, либо с высокой частотой испускания импульсов, вызывает нагрев как самого лазера, так и пространства внутри сканера. Поэтому производители лазерных сканеров снабжают их системой охлаждения, отсутствие которой может приводить к следующим последствиям: ? в результате частого нагрева (выше нормы) и охлаждения сканера будет происходить деформация измерительных и вращающихся частей НЛС, что отрицательно влияет на точность измеряемых величин от запуска к запуску прибора, а также уменьшает срок его службы; ? перегрев сканера может вызвать заклинивание подвижных частей в сканере, что грозит выходом прибора из строя. В НЛС реализуется два вида систем охлаждения, а именно: ? воздушная, т.е. основанная на притоке "холодного" воздуха из окружающей среды во внутрь сканера и оттоке "горячего" воздуха из него. Такие системы включают в себя набор вентиляторов, функцией которых является обеспечение циркуляции воздуха. Недостатком данного вида систем охлаждения является отсутствие герметичности сканера, и следовательно, снижение пыле - и влагозащищенности прибора; ? внутренняя, в которой применяется газ, обычно азот. В данных системах охлаждения используются криогенные насосы (в переводе с греческого kryos - холод, мороз, лед). В наземных сканерах широко применяются вакуумные насосы (также имеют место конденсационные), действие которых основано на поглощении откачиваемого газа поверхностью, охлажденной до сверхнизких температур. От качества работы системы охлаждения зависит стабильность работы НЛС.

Влияние атмосферы на точность измерения углов и расстояний наземными сканерами

На величины, измеряемые НЛС (расстояние, горизонтальный и вертикальный углы, интенсивность и реальный цвет поверхности объектов, от которых отразился сигнал), оказывает неблагоприятное влияние атмосфера, особенно приземный ее слой. В этом слое происходят значительные изменения плотности воздуха, перемещения и флуктуации воздушных масс, что приводит к уменьшению скорости распространения света и изменению направления излучения (явление рефракции), а также к уменьшению интенсивности отраженного сигнала и неправильной цветопередаче (так называемый эффект "дымки"). В результате влияния рефракции световых лучей дальномерный блок измеряет оптическую длину волны, которая превышает по длине геометрическую. Кроме этого, атмосфера изменяет физические параметры излучения [64], вызывая: ? затухание (ослабление интенсивности), обусловленное поглощением и рассеянием энергии волны в атмосфере; ? случайное изменение параметров волны, обусловленное турбулентностью атмосферного воздуха. Затухание колебаний электромагнитной волны, вызванное атмосферой, особенно характерно для оптического диапазона, который используется во всех НЛС. Данный вид влияния атмосферы, в первую очередь, приводит к уменьшению дальности действия сканеров и неверному определению отражающей способности объекта при наземной лазерной съемке. К случайным изменениям параметров электромагнитной волны под влиянием турбулентности относятся флуктуации амплитуды (интенсивности), фазы, частоты, поляризации, направления распространения волны и угла расходимости лазерного луча. Влияние флуктуаций выражается в увеличении спектральной плотности мощности шумов на входе приемника, вследствие чего ухудшается отношение "сигнал/шум". Флуктуация особенно сильно проявляется при измерениях в оптическом диапазоне. Лучшим способом исключения влияния турбулентности атмосферы является выбор наиболее благоприятных условий для измерений, которые в геодезической практике называются временем "спокойного изображения". На ошибку определения скорости света влияет много факторов. Основным из них является значительная погрешность определения среднеинтегральной величины показателя преломления электромагнитных волн на отрезке между сканером и точкой объекта. Так как скорость света в вакууме на данный момент получена с относительной ошибкой порядка 10-9, она не оказывает заметного влияния на общую погрешность определения скорости света в атмосфере. Ошибка показателя преломления зависит от дисперсионной составляющей и от ошибки определения метеопараметров вдоль лазерного луча. Использование в качестве источника сигнала узкоспектральных лазеров (характерных для всех новых разработок в области светодальнометрии и лазерного сканирования) позволяет пренебречь дисперсионной ошибкой

3. Влияние свойств поверхностей на точность измерений НЛС

3.1 Влияние отражательной способности поверхности

Лазерные сканирующие системы используют сигнал, отраженный от поверхности объекта в направлении приемника сигналов - в случае "дальномерных" сканеров, либо в направлении камеры - в случае "триангуляционных" сканеров. В любом из этих случаев на интенсивность принимаемого отраженного сигнала помимо других факторов, таких как расстояние, влияют атмосферные условия, угол падения луча и отражающая способность поверхностей (альбедо). Белые поверхности дают более сильный отраженный сигнал по сравнению с более темными поверхностями. Сила сигнала, отраженного от цветных поверхностей зависит от спектральных характеристик лазера в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазоне. Блестящие поверхности, как правило, затрудняют регистрацию сигналов. Установлено, что поверхности с неоднородной отражательной способностью способны вызывать систематические ошибки в расстояниях. Для некоторых типов материалов эти ошибки могут достигать величин, в несколько раз превосходящие среднюю квадратическую погрешность одного измерения дальности. При тестировании некоторых ЛСС, имеющих систему коррекции апертуры, было установлено, что ошибки измерений в первых точках новой поверхности, достигнутых лазерным лучом и имеющим существенную иную отражательную способность по сравнению с ранее отсканированной областью, могут быть весьма существенными. Более точные результаты в таких ситуациях можно получить только после того, как несколько точек новой поверхности будут отсканированы. В случае сканирования объектов, состоящих из различных материалов, либо содержащих элементы разного цвета или типа покрытия, вполне возможно появление больших погрешностей. Этого можно избежать, временно накрыв объект однородным по отражательной способности материалом, что далеко не всегда возможно в большинстве случаев. Для исследования точности измерений можно использовать плоские объекты белого цвета, закрепив в его середине тот материал, свойства которого нужно проанализировать. После того как будут определены аппроксимирующие плоскости для этой "задрапированной" средней части, а затем будет выполнена та же операция для остальной (белой) части объекта без учета его средней области, можно определить разности между этими двумя типами плоскостей, что позволит оценить влияние данного фактора.

3.2 Условия окружающей среды

Температура. Любой сканер будет только работать должным образом только в определенном температурном диапазоне. Но даже в пределах этого диапазона могут наблюдаться вариации в результатах измерении. Следует отметить, что температура внутри ЛСС может быть значительно выше температуры окружающей среды из-за внутреннего или солнечного нагрева. Атмосфера. При измерении коротких расстояний изменение скорости распространения света из-за колебаний температуры и/или атмосферного давления не будет серьезно влиять на результаты измерений. Тем не менее, несколько пользователей ЛСС уже обнаружили, что измерения в условиях высокой концентрации в воздухе пара или пыли приводят к результатам, сходным с описанными выше эффектами на гранях и краях объектов. Внешние источники излучения. Лазеры работают в достаточно узкой полосе частот. Поэтому есть смысл применять фильтры в модуле приема сигналов для связи на нужной частоте с камерой. Если постороннее излучение (солнечный свет или искусственное освещение) является достаточно сильным по сравнению с рабочим сигналом, то его значительная часть может пройти через фильтр и будет способна повлиять на точность или даже на общую возможность выполнения работ.

3.3 Разрешающая способность

Рис. 1. Тест-объект с прорезями переменной ширины для определения разрешения ЛСС

Поскольку приводимые фирмами-производителями данные о дискретности сканирования и размерах лазерного пятна не дают возможности корректно оценить разрешающую способность их ЛСС, то нами был разработан эмпирический метод определения этого важного параметра. Для этого был изготовлена камера с фронтальным размером порядка 300 мм x 300 мм (рис.1). На ее передней панели сделаны прорези шириной 30 мм на краях, которые сужаются по мере приближения к центру. Если ЛСС имеет высокое разрешение (малая угловая дискретность и маленькое лазерное пятно), то ее сигналы должны отражаться не только от передней панели, но и от дна камеры, которое расположено на расстоянии примерно 55 мм от передней панели. При очень высоком разрешении ЛСС отраженные от дна камеры сигналы должны регистрироваться не только на внешних краях прорезей, но и вблизи центра "мишени". Данный тест-объект можно использовать для получения информации о разрешающей способности при измерениях с различных расстояний.

наземный лазерный сканер измерение

4. Анализ точности Лазерных Сканирующих Систем. Условия проведения испытаний в Институте i3mainz

4.1 Краевые эффекты

Рис. 2: Пластина для изучения эффектов на краях

Специальная пластина (см. рис. 2) использовалась для получения данных о том, сколько точек будет зарегистрировано с низкой точностью из-за эффектов на ее краях. Сканирование выполнялось на фоне неба, что позволяет исключить влияние объектов, расположенных сзади этой пластины. Прикрепленная спереди пластина меньшего размера служила для моделирования эффекта отражений от двух различных объектов. Оценка результатов производилась с помощью картины полученного облака точек. Цилиндрический тест-объект. Он представляет собой вертикально устанавливаемую трубу диаметра 100 мм. Сканирование выполнялось с расстояния в 3 м. На основании модели, построенной по облаку точек, выполнялось сравнение полученного таким образом ее диаметра с известным его значением. Кроме того, для визуальной оценки полученных по облаку точек результатов использовалось графическое их представление, которое позволило провести и визуальное сравнение известного и определенного с помощью ЛСС диаметра объекта.

4.2 Влияние отражательной способности поверхностей

При проведении испытаний применялись пластины с широкой белой каймой и квадратной областью в центре с различной отражающей способностью (см. рис. 3). Для каймы и центрального квадрата строились свои модели плоскостей. Точки на краях при этом исключались. Разность расстояний для каждой из этих пар плоскостей позволяет оценить погрешность, которую можно ожидать в подобных ситуациях.

Рис. 3: Пластина с белой каймой и различными типами окраски центральных квадратов

Для центрального квадрата использовались следующие краски и материалы:

Белая матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 90 % Белая матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 80 % Серая матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 40 % Черная матовая (аэрозоль) с отражательной способностью 40 % 8 % Металлик (аэрозоль) Полированная алюминиевая фольга Черная фольга, применяемая для тест-объектов ЛСС CYRAX.

Кроме того, в число тест-объектов был включен резиновый конус с оранжевыми и белыми полосами, используемый в дорожных работах, поскольку ранее для такого объекта были выявлены большие погрешности сканирования, что, кстати, может наблюдаться и при сканировании объектов, окрашенных в такие "предупреждающие" цвета (например, геодезических реек).

Коррекции расстояний в мм для различных материалов поверхности. + означает, измеренное расстояние короче по сравнению с белой поверхностью.

4.3 Отражение от многих целей

Например: Сканер RIEGL VZ-400 позволяет регестрировать отражение практически от неограниченного количества целей от одного импульса. Минимальное расстояние между целями при этом составляет 0.8 метров. Ниже показан в качестве примера скан дерева. На коротких расстояниях между целями, для одного лазерного импульса, инструмент не может распознать отражение от разных целей. Однако он может предоставить значимую информацию о форме регистрируемого импульса. В ситуации подобной этой, форма приходящего импульса дает точную информацию о том, получено ли отражение от одной цели, или от двух близко расположенных целей. Установка порогового значения по отношению к форме приходящего сигнала позволяет отфильтровать ненужные точки, и сохранить только полезные данные.

Рис. 4 Растительность на близком расстоянии (около 6 метров) как она видна со сканерной позиции. Слева: оттенки серого цвета соответствуют отражательной способности. Справа: Оттенки серого соответствуют форме импульса - белый цвет: форма принятого сигнала соответствует форме излученного сигнала. Серый цвет: сильное отклонение от формы первоначального импульса.

Рис. 5 То же дерево, что и на предыдущей иллюстрации, только вид сбоку. Смазанные точки могут быть идентифицированы по форме импульса (от серого к темно-серому), и отфильтрованны при необходимости.

Случайные ошибки по направлению измерения расстояний (СКО положения одной точки) для различных сканеров по тест-объекту серого цвета (отражательная способность 40 %)

Двулучевая функция отражательной способности (ДФОС, англ. Bidirectional reflectance distribution function - BRDF; ) - четырёхмерная функция, определяющая, как свет отражается от непрозрачной поверхности. Параметры функции - направление входящего света и направление выходящего света , которые определены относительно нормали к поверхности . Функция возвращает отношение отражённой яркости вдоль к освещённости на поверхности с направления .

Стоит заметить, что каждое направление само по себе зависит от угла азимута и угла зенита , вследствие чего ДФОС является функцией четырёх переменных. ДФОС измеряется в ср^?1, где стерадиан (ср) - единица измерения телесного угла.

ДФОС - основная радиометрическая концепция, и поэтому используется в компьютерной графике для фотореалистичного рендеринга искусственных сцен, а также в компьютерном зрении для решения многих обратных задач, таких как распознавание объектов.

ДФОС (BRDF) является основным инструментом при моделировании шероховатых поверхностей с заданными свойствами, такими как: необходимые углы отражения, углы наклона микрограней шероховатых поверхностей и их светопоглощающая и светоотражающая способности. Применение этих поверхностей в изготовлении внешних защитных слоев солнечных батарей, солнечных коллекторов и космическом оборудования.

Заключение

При выполнении сканерной съемки необходимо выбирать инструмент, параметры и технологию сканирования, позволяющие в дальнейшем создать модель объекта местности и рельефа с заданной точностью и детальностью. Разрешающая способность системы в меньшей степени зависит от разрешения сканирования, чем от расходимости лазерного луча, поскольку при уменьшении значения углового шага сканирования увеличивается зона перекрытия двух соседних лазерных лучей. Различные материалы по-разному отражают излучения той или иной длины волны. Поэтому будут индивидуальны регистрируемые сканером интенсивности отраженных сигналов определенной длины волны. Это свидетельствует о разных амплитудах и фронтах волн принимаемых сигналов. В свою очередь, от крутизны фронта волны зависит, насколько правильно можно установить моменты времени начала и окончания поступления лазерного импульса на приемник, что непосредственно влияет на ошибки измерения расстояний. Поскольку по результатам наземного лазерного сканирования в дальнейшем восстанавливается трехмерная или двумерная модель местности, то для правильного ее описания необходимо, чтобы от каждого объекта съемки отразилось как можно больше лазерных импульсов, количество которых зависит от разрешения сканирования. Даже в тех случаях, когда в конкретных приложениях точность не играет решающей роли, искажения взаимного положения соседних точек может создавать серьезные проблемы при необходимости моделирования поверхностей или выявления мелких деталей объектов.

Список литературы

1. Наземное лазерное сканирование: монография / В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009

2. Анализ точности Лазерных Сканирующих Систем - [Электронный ресурс]: официальный сайт компании ГФК (По материалам доклада на XIX симпозиуме CIPA, Анталья, Турция (30 сентября - 4 октября 2003 г.). W. Boehler, М. Bordas Vicent, A. Marbs) - Режим доступа: http://www.leica-gfk.ru/scan/testir. htm

3. Широкова Т.А. Перспективы развития и внедрения трехмерных ГИС/Т.А. Широкова, Д.В. Комиссаров // ГЕО-СИБИРЬ-2006. - Новосибирск: СГГА, 2006. т.

4. Свободная общедоступная многоязычная универсальная энциклопедия. Режим доступа: http://ru. wikipedia.org/wiki/

Размещено на Allbest.ru