Лазерное сканирование 2014 / Литература Лекции / Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. Наземное лазерное сканирование. 2009

свойствами объекта и граничными эффектами (раздел 1.5.4), будут наименьшие. Также этим сканерам присуща маленькая шумовая составляющая в измеренных величинах.

Производителем НЛС также является фирма Optech (Канада). Она выпускает приборы под названием Ilris 3D и Ilris 63D (рис. 14), разработанные компанией «Йена инструмент». Данные сканеры принципиально ничем не отличаются от других за исключением того, что в них встроены цифровая видеокамера и цветной экран VGA с диагональю 17 см. Это нововведение позволяет отказаться от использования переносного персонального компьютера для задания режимов сканирования [19, 102]. Управление НЛС осуществляется через инфракрасный порт при помощи карманного компьютера Palm, поставляемого вместе со сканерами [19].

Рис. 14. НЛС фирмы Optech: а – НЛС Ilris 3D; б – Ilris 63D

Отличительной особенностью НЛС Ilris 63D является то, что он имеет большее поле зрения и лучшие технические характеристики по сравнению с

Ilris 3D.

Лазерные сканеры iQsun 625 и 880, показанные на рис. 15, разработаны фирмой iQvolution (Германия). В данных сканерах реализован фазовый метод измерения расстояний. Конструктивные особенности этих сканеров заключаются в том, что, во-первых, все данные записываются на внутренний жесткий диск, во-вторых, сканер состоит из отдельных блоков, замена которых позволяет варьировать техническими характеристиками сканера [130, 131]. В настоящее время наземный лазерный сканер iQsun 880 выпускается также под маркой Faro 880.

Рис. 15. НЛС фирмы iQvolution: а – iQsun 625; б – iQsun 880

Компания I-Site (Австралия) выпускает НЛС I-Site 4400 (рис. 16). По техническим характеристикам (в первую очередь, по скорости сканирования) и внешнему виду этот прибор больше соответствует классу роботизированных тахеометров, однако производитель заявляет его как сканер [147]. Данный прибор оснащен центриром, инклинометром и визирной трубой (для задания начального направления) [147]. Также сканер оборудован цифровой камерой, в которой в качестве регистрирующего устройства выступает

Рис. 16. НЛС I-Site 4400 ПЗС-линейка. С помощью данной камеры можно получить панорамные изображения всей области

сканирования. Сканер связан с компьютером через кабель Ethernet. Питание сканера осуществляется при помощи 24вольтовой батареи, которая встроена в корпус [147].

Выпуском наземных лазерных сканеров занимается фирма Konica, которая производит НЛС

Konica Minolta VI-9i (рис. 17). В данной модели реализован второй вариант триангуляционного принципа измерения расстояний (см. раздел 1.2). Сканер оснащен тремя съемными объективами, именуемыми TELE, Middle и Wide, от типа которых зависят точность измерения расстояний (от 0,05 до 0,40 мм) и диапазон действия (от 0,5 до 2,5 м). Длина волны лазерного излучения составляет 690 нм, класс безопасности которого либо 1-й, либо 2-й.

В настоящее время нет единой установившейся классификации НЛС. Для разделения НЛС на типы целесообразнее за основу принять общие признаки классификации геодезических приборов, утвержденные ГОСТ «Приборы геодезические. Общие технические требования». В основу классификации приборов в данном стандарте положены следующие признаки [19, 83]:

а) функциональное назначение: приборы для измерения углов; приборы для измерения длин линий;

приборы для измерения превышений и высот; приборы для съемки – комбинированные приборы;

приборы специального назначения (приборы вертикального проектирования, приборы для створных наблюдений и другие);

прочие приборы (центриры, рейки, вешки, рефрактометры и другие); б) область применения (по точности); в) физическая природа носителей информации; г) устойчивость к транспортировке; д) конструктивные особенности.

Анализ приведенных признаков классификации и типизации геодезических приборов, указанных в существующем ГОСТ, показывает, что использование некоторых из них для классификации НЛС будет некорректно. Это объясняется несколькими обстоятельствами. Так, например, для типизации геодезических приборов используется классификация по точности, где внутри каждой группы выполняется разделение приборов на подгруппы (типы) по точности измеряемых величин. Однако некоторыми НЛС (Mensi GS100 и GS200) измеряются одни величины (R, , ), а выходными данными, доступными для пользователя, являются другие (X, Y, Z), что не позволяет отнести данные сканеры к конкретному (одному) типу, поскольку не выполняется основное требование метрологии – единство (измерений, норм и др.), соответственно, и единство классификации. Также для типизации геодезических приборов используется классификация по природе носителей информации. Однако у всех НЛС применяется единственный способ измерения и хранения данных – электронный, следовательно, также невозможно выполнить их классификацию по этому признаку.

На основании выполненного обзора НЛС и принятой классификации геодезических приборов предложены следующие классификационные признаки наземных сканеров:

по используемому методу измерения расстояний (импульсные, фазовые и триангуляционные сканеры);

по точности определения пространственных координат точек объекта (низкоточные сканеры с ошибкой получения координат более 10 мм, средней точности с ошибкой от 3 до 10 мм и высокоточные с ошибкой менее 3 мм);

устанавливаемой на сканер; датчика, принимающего информацию о цвете отраженного импульса);

по дальности действия (сканеры близкого действия до 30 м, среднего от 30 до 70 м и дальнего свыше 70 м);

по области поля зрения сканера (малообзорные, среднеобзорные и полного обзора);

по классу безопасности.

Из перечисленных признаков классификации главными для целей типизации (метрологической аттестации) НЛС являются точность получения пространственных координат и дальность действия сканеров. Эти признаки необходимо учитывать комплексно, так как точность определения пространственных координат напрямую зависит от отстояния объекта от НЛС (особенно при работе с триангуляционными сканерами).

Классификация наземных лазерных сканеров по степени безопасности.

Современные наземные лазерные сканеры разделяются на 4 класса по степени безопасности в зависимости от способности лазерной системы нанести вред персоналу. Если лазеры класса I не наносят никакой вред, то лазеры класса IV способны резать толстую сталь. Изготовитель обязан маркировать НЛС с лазерами классов II, III и IV ярлыком предупреждения, на котором должен быть указан класс безопасности лазера [155].

Лазеры класса I являются устройствами, которые предусматривают защиту от всех потенциальных опасностей. Некоторыми примерами лазерных устройств класса I являются: лазерные принтеры, устройства CD-ROM, геологическое оборудование обзора и лабораторное аналитическое оборудование. При использовании подобных лазерных устройств все требования обеспечения безопасности полностью соблюдаются [155].

Лазерами класса II являются лазеры низкой мощности, работающие в видимой зоне спектра. Некоторыми примерами лазерных использований класса II являются: лазерные указки, нацеливающие устройства, устройства для определения расстояний. При непосредственном рассматривании лазерных лучей класса II в течение долгого периода времени (более 15 минут) могут быть нанесены повреждения глазам. Не следует смотреть на лазерные лучи класса II, направлять их в глаза или рассматривать через телескопические устройства

[155].

Лазеры класса IIIa с непрерывным электромагнитным излучением мощностью от 1 до 5 мВт используются в устройствах, являющихся лазерными указками и лазерными сканерами. Прямое попадание лазерного луча класса безопасности IIIa может быть опасно для глаз. Не следует рассматривать лазерные лучи этого класса непосредственно, направлять их в глаза людей и наблюдать с помощью телескопических устройств, так как это усиливает их вредное воздействие [155].

Лазеры класса IIIb – это устройства с непрерывным электромагнитным излучением мощностью от 5 до 500 мВт. Примером использования лазерных устройств класса безопасности IIIb являются: спектрометрия, стереолитография и светошоу. Прямое попадание лазерного луча класса IIIb опасно для глаз,

также могут быть опасны диффузные отражения луча. Нельзя рассматривать лазерный луч класса IIIb непосредственно и с телескопическими устройствами. При работе с лазерными устройствами класса безопасности IIIb необходимо иметь надлежащую защиту для глаз [155].

В соответствии со СНиП 5804-91, наиболее опасно лазерное излучение с длиной волны: 0,38–1,40 мкм – для сетчатки глаза; 0,18–0,38 мкм и свыше 1,40 мкм – для передних сред глаза; 0,18–100 мкм (т. е. во всем диапазоне) – для кожи. В наземных лазерных сканерах используются видимый (0,38–0,8 мкм) и ближний инфракрасный (0,8–1,3 мкм) диапазоны длин волн, поэтому при сканировании нежелательно попадание лазерного луча на сетчатку глаза, даже если сканер имеет класс безопасности I.

1.5. Источники ошибок в результатах наземного лазерного сканирования

1.5.1.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;

методические, источником которых является сам метод определения величин с помощью НЛС.

Величины ошибок первой группы фактически отражаются в техническом паспорте сканера и первоначально определяются на этапе сборки и юстировки прибора, а затем периодически – во время калибровки и метрологической аттестации НЛС. Результатом таких исследований является заключение о соответствии (несоответствии) точности работы отдельных блоков прибора заявленным характеристикам. Инструментальные ошибки, как правило, можно исключить только заменой частей и/или технологии изготовления прибора.

Методические ошибки обычно можно учесть при обработке результатов измерений.

Применительно к НЛС методические ошибки можно разделить на следующие:

ошибки, вызванные окружающей средой (атмосферной рефракцией, затуханием электромагнитных волн, вибрацией прибора и т. п.);

ошибки, обусловленные 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 [162]. 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.

1.5.2. 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.

Исследования работы измерительных блоков сканеров фирм Riegl и Mensi, выполненные по методике, описанной в статье [31], показали, что наибольшая нестабильность работы дальномерного и угломерных блоков НЛС проявляется в течение первых 5–7 мин. Следовательно, на этот период времени сканер должен быть включен до начала измерений, чтобы внутренние блоки прибора прогрелись до рабочей температуры.

Точность работы дальномерного блока

Из формулы (2) видно, что точность определения расстояний импульсным методом зависит от ошибок отсчета времени прохождения сигнала и определения скорости распространения электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде определяется

n

где с – скорость света в вакууме, принятая Международным геодезическим и геофизическим союзом равной 299 792 458 1,2 м/с;

n – показатель преломления воздуха, который зависит от физических свойств среды (давления, температуры и влажности воздуха) и длины электромагнитной волны.

В настоящее время для определения скорости распространения электромагнитных волн в вакууме применяют косвенный физический метод, в котором используется зависимость [64]:

c f, (17)

где λv – длина электромагнитной волны в вакууме; fv – частота электромагнитного колебания.

На основе косвенного метода величина скорости распространения электромагнитных колебаний в вакууме получена с относительной ошибкой

3 10-9 [64].

Ошибка измерения расстояния mR фазовым методом с использованием различных способов разрешения неоднозначности определяется по формуле

[64]:

где mС – ошибка определения постоянной поправки прибора;

m – ошибка определения разности фаз между опорным и рабочим сигналами;

mf – ошибка, вызванная отличием масштабной частоты от номинального значения;

m– ошибка определения скорости распространения электромагнитной волны в атмосфере.

Ошибка определения постоянной поправки в измеряемое расстояние mС зависит от конструктивных характеристик наземного сканера (фазового угла, отличия напряжения в сети от номинала и других) и способа определения данной поправки при поверке прибора. Современные методики метрологической аттестации электронных дальномеров предполагают принудительное центрирование прибора и отражателя, которое можно выполнить с ошибкой порядка 0,1 мм. Фактически, эта величина характеризует предельную точность, с которой можно определить приборную поправку [55].

Ошибка измерения разности фаз m главным образом зависит от инструментальной точности фазометра и содержит как случайную, так и систематическую составляющие. Основными причинами возникновения погрешностей, связанных с метрологическими характеристиками фазометра, являются [16, 64]:

шумовые составляющие измерений; нелинейность фазовой характеристики;

нелинейность амплитудно-фазовой характеристики; влияние гармонических составляющих измеряемых сигналов;

дискретность преобразования «фаза – код» (в цифровых фазометрах). Из двух составляющих погрешности mR, не зависящих от величины

расстояния, измеряемого НЛС, наибольший «вклад» в общую ошибку вносит погрешность определения разности фаз.

При работе со сканерами, измеряющими расстояния с фиксированными частотами, ошибка, вызванная отличием масштабной частоты от номинального значения mf , складывается из погрешностей за нестабильность частоты и эталонирования, которые примерно одного порядка. В наземных сканерах с плавным изменением частоты ошибка mf, главным образом, зависит от способа ее измерения. Частотная ошибка включает не только случайную, но и систематическую составляющую, обусловленную неточной установкой частоты

вноминал (ошибка эталонирования) и медленным дрейфом частоты генератора.

Вформуле (18) первые две составляющие практически не зависят от величины измеряемого расстояния, а влияние двух других пропорционально этому расстоянию. Таким образом, среднюю квадратическую ошибку измерения расстояний фазовым НЛС, аналогично как и импульсным, можно представить выражением [15, 37, 99]:

где a и b – коэффициенты, определяемые эмпирически на основе измерения длин эталонных линий, и для каждого дальномера они имеют свои значения.

На точность измерения небольших расстояний фазовыми дальномерами основное влияние оказывают ошибки измерения и отсчитывания разности фаз, а также ошибка постоянной дальномера, так как погрешности в расстояниях, зависящие от ошибок частоты и скорости распространения электромагнитных колебаний в атмосфере, будут незначительны.

Точность измерения расстояний и углов НЛС зависит от большого количества факторов, как указано выше (см. раздел 1.5.1), в том числе от погрешностей изготовления и юстировки прибора. В систему для наземного лазерного сканирования входит также и управляющее программное обеспечение. Это позволяет исключить часть ошибок в измеренных величинах, имеющих систематический характер. В программных продуктах, предназначенных для управления НЛС, величины, которые используются для устранения некоторого вида ошибок в измеряемых углах и расстояниях, называются параметрами калибровки. Для каждой модели сканера количество параметров калибровки и вид математической модели для исключения систематических ошибок непосредственно из результатов измерений различаются. Однако анализ способов калибровки НЛС позволил выявить часть параметров и ошибок, общих для различных сканеров, влияние которых можно уменьшить, а именно [2, 97]: