Исследование влияния вибрации штатива на oi iinou eзмерений наземным лазерным сканером

УДК 528.2/.5

Ашраф А. Бешр, А.В. Иванов СГГ А, Новосибирск

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИИ ШТАТИВА НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ НАЗЕМНЫМ ЛАЗЕРНЫМ СКАНЕРОМ

Экологические и техногенные факторы окружающей среды, такие как температура, давление, влажность, освещенность, вибрация т.д., имеют большое влияние на точность измерений наземного лазерного сканера. Колебания и вибрация могут вызвать большие ошибки в измеряемых углах, и эти ошибки трудно поддаются количественной оценке. В данной статье описано влияние вибрации штатива с установленным лазерным сканером, на точность получения данных.

Ashtraf A. Beshtr, A.V. Ivanov SSGA, Novosibirsk

RESEARCH OF THE TRIPOD VIBRATION EFFECT ON THE TERRESTRIAL LASER SCANNER MEASUREMENTS ACCURACY

Ecological and technogenic factors of environment like temperature, pressure, humidity, illumination, vibration, etc have a pronounced effect on the TLS measurements accuracy.

Vibrations may cause serious errors in angles measurements, which are hardly subject to the quantitative assessment. It is shown how the vibration of the tripod with the laser scanner mounted on it affects the data accuracy.

Для достижения высокоточных результатов, полученных при выполнении работ с помощью наземного лазерного сканера необходимо, чтобы НЛС не перемещался по отношению к объекту. Тем не менее, во многих случаях применения сканирования, например для определения деформаций инженерных сооружений, работы сопряжены с влиянием вибрации, исходящей от различных источников, таких как строительная техника, машины и механизмы.

Известно, что технология лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек поверхности объекта и реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью лазерного безотражательного дальномера. Ошибка, вызванная вибрацией штатива НЛС, будет носить в основном систематический характер, и влиять на измеряемые углы и расстояния, следовательно, и на координаты полученных точек.

Вследствие этого исследование влияния вибрации штатива на точность и достоверность измерений наземным лазерным сканированием является актуальной задачей.

Для достижения этой цели было выполнено экспериментальное исследование. Эксперимент представлял собой наблюдение восьми закрепленных светоотражающих марок с влиянием вибрации и без.

Наблюдения выполнялись в помещении при искусственном освещении, температуре окружающей среды 200С и нормальном давлении (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения светоотражающих марок

Также координаты всех марок дополнительно определены с помощью тахеометра Leica TCR 1205 PinPoint R100, его паспортная точность измерения угла 5,0" и расстояний 3 мм в безотражательном режиме, дальность действия до 170 м.

Для имитации вибрации на ножке штатива зафиксирован электрический вентилятор. Для создания различных частот колебаний штатива, на лопасти вентилятора помещался эксцентрик с дополнительной массой. Далее выполнено два варианта установки ножек штатива. Первый вариант

- обычная установка ножек штатива, в которой расстояние между ними равно ~ 93 см. Во второй установке расстояние между ножками штатива было уменьшено до ~ 57 см (рис. 2).

Экспериментальное исследование выполнено с помощью наземного лазерного сканера Riegl LMS-Z420i, который имеет следующие технические характеристики: точность единичного измерения расстояний порядка 6 мм, дальность действия до 800 м; паспортная точность измерения вертикального угла составляет 6,0", горизонтального угла 7,0".

Съемка тестового полигона выполнялась семь раз. Первое сканирование выполнено без влияния вибрации штатива. Остальная съемка проводилась с различной позицией эксцентрика на лопасти вентилятора при двух расстояниях между ножками штатива.

Рис. 2. Внешний вид закрепления вибрирующего на ножке штатива НЛС

Для исследования влияния вибрации штатива на точность измерений, полученных НЛС, производилось сравнение данных, как показано на схеме рис. 3.

Рис. 3. Схема обработки полученных данных наземным лазерным сканером при выполнении исследования влияния вибрации штатива

В зависимости от координат наблюдаемых точек были определены расстояния, горизонтальные и вертикальные углы от сканера до каждой марки при каждом сканировании. На основе полученных результатов расстояний и углов от сканера до наблюдаемых марок производилось сравнение расстояний, горизонтальных и вертикальных углов, полученных сканером с влиянием вибрации штатива и без нее. По результатам сопоставленных данных построены графики зависимости влияния колебания штатива на измеренные расстояния и углы от сканера до точек. Один из таких графиков приведен на рис. 4.

о

8

Я

ей

а

ю

8

И

8

X

ск

о

н

о

о

ей

а

о

8

X

<о

X

О

н

О

8

8

Я

ей

а

ю

8

И

ет

о

ю

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00

-0.50

светоотражающая марка

Отклонение расстояний при сканировании с первым значением колебания Отклонение расстояний при сканировании с вторым значением колебания  Отклонение расстояний при сканировании с третьим значением колебания

о

Рис. 4. Отклонение расстояний от сканера до точек на основе значений вибрации штатива при расстоянии между ножками штатива, равном 93 см

На основе анализа результатов измерения расстояний и углов от сканера до наблюдаемых марок с влиянием вибрации следует, что:

- Для всех вариантов колебаний штатива, вибрация приводит к изменению измеренных расстояний от сканера до точек в среднем от 0,3 мм до 2,50 мм. Изменение измеренных горизонтальных углов, полученных сканером в зависимости от влияния вибрации штатива в среднем от 4/; до 1007/ с относительной ошибкой, равной от (1:6000) до (1:8500), однако изменение измеренных вертикальных углов достигает до 70/;;

- Увеличение колебания штатива приводит к повышению ошибок измерений полученных НЛС и, следовательно, уменьшению точности определения координат точек;

- Ошибки измерений углов сканером из-за влияния вибрации штатива больше, чем ошибки измерений расстояний;

На основе полученных результатов измеренных горизонтальных углов между наблюдаемыми точками, выполнено сопоставление горизонтальных углов с вибрацией и без.

Получены результаты отклонений измеренных горизонтальных углов между марками и лазерным сканером с вибрацией и без вибрации, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты определения отклонений измеренных горизонтальных

углов сканером с влиянием вибрации и без вибрации

Горизонтальные углы между марками Отклонение горизонтальных углов сканером с вибрацией, секунда а Виб. — а Без-виб.

Расстояние м ежду ножками штатива )авно 93 см Расстояние между ножками штатива равно 57 см

Первая пола массы вторая пола массы Третья пола массы Четвёртая пола массы Пятая пола массы Шестая пола массы

а 1--2 -23 -27 17 22 -4 54

а 1--3 -51 -53 -107 -17 -74 12

а 1--4 22 40 37 -30 -14 -37

а 1--5 -7 15 121 18 -96 -121

а 1--6 -8 -35 119 9 29 95

а 1--7 24 -28 18 1 76 33

а 1--8 27 24 29 -139 -123 -196

СКО отклонений углов, секунда 28,8 35,1 76,8 56,0 71,3 103,4

Из табл. 1 видно, что СКО определений горизонтальных углов между марками и лазерным сканером в зависимости от вибрации штатива увеличивается.

Автор работы [1] предлагает уменьшить влияние вибрации на измерения сканером математически в ходе обработки полученных данных, путем применения алгоритма расчета ближайших точек.

Так как геодезисты не могут управлять параметрами вибрации, а могут только ослабить ее влияние на измерение. То практически, наиболее эффективный метод для ослабления влияния вибрации штатива на измерения заключается в том, что бы изолировать НЛС от источника вибрации, например с помощью внешних устройств стабилизации посредством установки между источником вибрации и объектом виброзащиты, например, используют амортизирующие подкладки из резины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Blais, F. Recursive model optimization using ICP and free moving 3D data acquisition [Электронный ресурс] / F. Blais, M. Picard, G. Godin // Canada, 2003. Режим доступа: http://grok.ecn.uiowa.edu/Projects/USARSim/docs/nrc-45834.pdf.

© Ашраф А. Бешр, А.В. Иванов, 2010