地面激光扫描仪的精度影响因素分析

地面激光扫描仪的精度影响因素分析:罗德安 廖丽琼

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地面激光扫描仪的精度影响因素分析

罗德安 廖丽琼

(北京建筑工程学院测量工程系, 北京 100044)

Analysis on Accuracy Influe ntial Factors of Terrestrial Laser Scanners

Luo Dean Liao L iqiong

摘 要 尽管地面三维激光扫描技术正被越来越多地应用于多个领域, 但对其测量数据的精度评定, 至今尚缺乏必要的理论及方法支持。从分析直接测量数据出发, 对该类测量仪器误差的主要来源及其对测量数据的影响情况进行了详细分析, 构建了地面三维激光扫描仪单个扫描点测量数据的精度评价模型。该模型为基于地面三维激光扫描仪高精度测量项目(如变形监测) 的测量成果精度评定, 以及测量方案的优化设计提供了所必需的理论基础。

关键词 地面激光扫描仪 误差 变形监测

地面激光扫描仪(Terrestria l Laser Scanner , 简称TLS) 小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强, 能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体模型并提供准确的定量分析。鉴于其良好的技术特性, 已逐步被应用于各相关领域, 如快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等多个领域。随着仪器价格的逐步降低, 以及仪器厂商的大力宣传和推广, 越来越多的机构已经采用或打算采用TLS 来完成测量工作。

任何一项测量工作, 其测量结果必须满足特定工程的具体精度需求, 如果所采用的测量仪器及数据处理方法不能产生预期的测量结果, 就是说, 其测量结果不能满足具体工程的精度要求, 那么, 所进行的测量工作是无效的, 其获得的测量结果也是不可信的。地面三维激光扫描技术作为一项全新的测量技术, 与其相关的仪器精度评定、测量成果的精度评定、误差理论及误差模型的研究, 以及测量方法的研究等, 都还在探索过程中。到目前为止, 对TLS 仪器的检验校正和测量成果精度评定, 还没有形成成熟的、通用的方法体系及评价理论体系。

收稿日期:2007-05-22

第一作者简介:罗德安(1968) ), 男, 2002年毕业于西南交通大学工程测量专业, 工学博士, 副教授。

基金项目:北京市自然科学基金资助项目(编号:8063027) 。北京市教育委员会科技发展计划项目(编号:K M [1**********]9) 。

尽管如此, 国内外相关领域内的学者已经做了大量的理论研究和相关的试验工作。从已有的研究结果来看, 地面激光扫描仪并不像生产厂家所宣传的那样, 具有良好的精度及稳定性, 以及广泛的适应性。事实上, 目前几乎所有的地面激光扫描仪器, 其标称精度和试验结果都存在较大的差异。这一方面跟测量仪器的工作方式不同、测量对象不同和测量环境差异等因素有关, 另一方面也可以认为其标称精度仅代表特定条件下的实验室结果, 个别可能还含有部分夸大成分。

鉴于TLS 测量成果精度评定本身的复杂性, 本文将根据目前已有的研究成果和本人在这一领域的一些研究成果, 全面概括影响TLS 测量成果精度的因素及其影响, 并建立TLS 单个测量点的误差模型及其精度评定模型。

1 TLS 数据采集工作原理

TLS 是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器, 采用非接触式高速激光测量方式, 以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统, 同时也集成CCD 数字摄影和仪器内部校正等系统。其工作原理是:扫描仪对目标发射激光, 根据激光发射和返回的时间差, 计算出相应被测点与扫描仪的距离, 再跟据水平向和垂直向的步进角距值, 可实时计算出被测点),

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铁 道 勘 察2007年第4期

记录储存, 经过相应软件的简单处理, 即可提供被测对

象的三维几何模型。

这和一般的电磁波测距工作原理相同。与电磁波测距类似, 完成测距的各个环节都会带来一定的误差, 这些误差也可以分为固定误差和比例误差两部分。

213 分辨率

分辨率表征了仪器探测目标的最高解析能力。这里涉及两个基本的参数, 即相邻采样点间的最小角度间距和一定距离上光斑的最小尺寸。这两个参数直接决定了激光光斑的尺寸和光斑的点间距, 对模型的构建精度有着直接的影响。

图1 基于仪器坐标系的点云坐标

214 边缘效应

不管扫描仪的聚焦能力有多高, 激光脚点的光斑都具有一定的大小, 而距离测量依赖于光斑范围内的反射能量。这样就会出现两种所谓的边缘效应:一种是在不同目标的交界处, 会出现光斑的一部分在测量目标内, 另一部分在相邻的目标内, 两部分的反射能量都能到达接受系统, 造成类似于GPS 多路径效应的效果, 从而使测量结果产生系统性偏差; 另一种是目标边缘的背景是天空或是其他已超出了距离测量有效测程的目标, 光斑部分在测量目标内, 同时也只有这部分的光斑能量能返回测距接受系统, 其他能量将不能返回, 造成激光测距的盲点, 即无法获得该边缘点的测量信息。

事实上, TLS 所得到的原始观测数据主要包括4

[5]

种:①根据2个连续转动用来反射脉冲激光镜的角

度值得到激光束水平方向值和竖直方向值; ②根据脉冲激光传播时间而计算得到的仪器到扫描点距离值; ③扫描点的反射强度; ④通过内置数码相机获取的场景影像数据等。前2种数据用来计算扫描点的三维坐标值, 扫描点的反射强度和场景影响数据则用来给反射点匹配颜色或给模型映射纹理。

2 影响TLS 精度的因素分析

TLS 提供的最原始信息是利用仪器厂家提供的随机商用软件获得的基于仪器坐标系的三维坐标数据。这些原始数据是大量悬浮在空中没有属性的离散点阵数据, 通常称之为/点云0。这些点云数据往往包含了大量的粗差和系统误差, 不能直接被使用, 必须经过一系列的数据处理之后, 才能用于实际的工程。TLS 测量成果的精度主要受到仪器的角度测量精度、距离测量精度、分辨率、边缘效应、测量对象的反射特性、环境条件及后期的数据处理方法等因素的综合影响。就原始数据本身来说, 角度测量精度和距离测量精度是影响测量成果精度的两个主要因素。

215 反射特性

激光测距依赖于来自目标的反射激光能量。在任何情况下, 反射信号的强度都将受到物体反射特性的影响。由于物体表面反射特性的差异, 将导致激光测距产生一定的系统性偏差。一般情况下, 物体的反射特性受到物体的材质、表面色彩(光谱特性) 及粗糙度的影响。对某些材质的目标, 由反射特性导致的系统性误差甚至会高出正常激光测距标准差的若干倍。

216 环境条件

和其他测距仪器一样, TLS 还将受到温度和气压的影响。TLS 只能正常工作在一定的温度范围, 超出这个范围, 将引起系统性的误差。温度和气压还会造成光传播速度的改变, 但由于其对近距离影响较小, 通常被忽略掉了。

211 角度测量

如前所述, 水平向和垂直向角度是扫描仪直接获得的两个基本观测量, 其误差将直接影响所获得的点云坐标精度。尽管目前扫描仪的角度测量精度已经能够达到亚秒级, 但由于仪器的制造误差或性能限制(如步进电机转动的不均匀、仪器的微小振动及读数误差等), 使得角度观测量中仍然包含一定量的系统

性误差。

3 TLS 单个扫描点的误差模型

TLS 单个扫描点的精度受到测角精度、测距精度及其他一些因素的综合影响。而3D 模型的精度则主要取决于激光脚点光斑的大小和采样间距。激光脚点光斑的大小和采样间距对于仪器来说是可以调整的, , 不具

212 距离测量

TLS 的距离测量是通过测量激光脉冲从发射出去

地面激光扫描仪的精度影响因素分析:罗德安 廖丽琼

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有一致性。所以, 这里对构建3D 模型的精度影响情况不予讨论, 而只讨论TLS 单个扫描点的误差影响因素及其影响情况。

面倾斜) 所产生的误差(如图3) 必须予以适当的考虑。郑德华在文献[4]中已对该问题做了较详细的论述, 并给出了相应的公式

S @C @tan

d S =S 1-S =-2

C (2)

311 角度误差模型

由于激光光柱具有一定的尺寸, 激光脚点具有一定的大小, 理论上认为, TLS 所获得的观测量(角度和距离) 应该是激光光柱中心轴线投射到目标上位置所对应的读数, 但事实上并非如此。TLS 测量是根据第一次回波来确定角度和距离观测值的。通常情况下, 捕获到的首次能量反射可以来自激光脚点光斑范围内的任何位置, 这必然导致一定量的偏离中心轴线的系统误差。如图2所示, 约定激光脚点为一直径为d 的圆, 考虑最大偏离中心轴线情况, 设夹角为H B , 值用弧度表示, 则有H B =

。对于另一个方向的角度影响情S

d S

况, 设夹角为A B , 与此类似, 同理可得A B =

图3 目标反射面倾斜所产生的误差

TLS 测距误差至少应包含以下3部分误差:约定距离测量误差为m S , 距离测量系统误差(含固有误差

和比例误差) 为m S _system, 距离测量的随机误差为m S _r andom , 由于入射激光和目标表面不正交(即目标反射面倾斜) 所产生的误差(通过式(2) 计算获取) 为m S lant , 则TLS 距离观测误差可表达为

m S =

(mS _system) +(mS _random ) +(mS lant )

(3)

图2 观测点偏离中心轴线引起的角度误差

313 点位误差模型

由图1可知, 激光脚点在仪器坐标系中的坐标P (X,Y , Z ) 可以表示为

X =S cos H co s Y =S cos H sin (4)

Z =S sin H

如果已知距离及角度测量误差, 根据误差传播定律, 可以方便地计算出激光脚点的点位误差。约定距离误差为m S , 角度误差分别为m H 和m A , 则有

m P =

(mX ) +(mY ) +(mZ )

如前所述, 这种实际观测点偏离中心轴线的误差存在不确定性, 通常和观测对象的光谱特征、表面粗糙度及表面法线与入射激光所形成的夹角有关。此外, 仪器本身具有一定的系统误差和测角误差。TLS 角度误差至少应包含以下3部分误差:约定角度测量误差为m A , 角度测量系统误差为m syste m , 角度测量的随机误差为m random , 由于激光光柱宽度引起的偏离中心轴线误差(通过式(1) 计算获取) 为m Bea mW idth , 则TLS 角度观测误差可表达如下

m A =

(msyste m ) +(m random ) +(m B eamW id th ) (1)

其中, M X =M Y =M Z =

(cos H cos A ) m S +(Ss i n H cos A ) m H +(Scos H sin A ) m A (cos H sin A ) m S +(Ss i n H s i n A ) m H +(Scos H cos A ) m A (s i n H ) m S +(S cos H ) m H

312 距离误差模型

由前面的分析可知, TLS 距离测量误差主要包含系统性误差(包含固有误差和比例误差) 和随机误差两项。此外, TLS 测距也是以第一次俘获到足够反射能量来确定测量值的, 而反射能量在很大程度上和目标表面特性及表面法线与入射激光所成的夹角相关。

, (5)

根据上述误差模型, 即可对测站内某些最弱点(如TLS 视窗边缘点) 进行精度估计, 从而决定其取测量

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铁 道 勘 察2007年第4期

GPS 网中已知国家点可靠性判定

吴杭舜

(铁道第五勘察设计院, 北京 102600)

Deter m inati n on Reli ability of Known Ground Poi nts i n GPS net wor k

W u H angshun

摘 要 对GPS 测量WGS-84地心坐标转换至我国常用地面参心坐标系的方法进行了论述, 介绍了目前常用的判定地面已知点的方法和国内学者讨论的方法, 探讨了这些方法的实用性。提出了在平面坐标系中, 用与i 点相关的转换尺度因子的平均值作为统计量进行u 假设检验, 以判定i 点可靠性的方法。

关键词 GPS 网 地面网 地面已知点 尺度因子

GPS 测量的成果为WGS-84坐标系坐标, 而我国的测量成果为1980西安坐标系成果(或1954年北京坐标系), 因此, 在工程领域, 大多需要将GPS 的WGS -84坐标成果转换成1980西安坐标系成果(或1954年北京坐标系) 。常用的转换方法是利用GPS 网联测的国家等级平面控制点(即地面平面已知点或三角

收稿日期:2007-04-23

作者简介:吴杭舜(1970) ), 男, 1991年毕业于西南交通大学航空摄影测量专业, 高级工程师, 工程硕士。

点), 将地面平面已知点的坐标作为约束条件, 把GPS 网观测成果强制附合到1980西安坐标系中。GPS 网转换中地面平面已知点自身的可靠性, 将直接影响GPS 网最终成果的可靠性, 如地面平面已知点存在较大的误差或粗差, 必然会歪曲高精度的GPS 测量成果而使其失去应用价值。本文提出一种合理量化的GPS 网转换中地面平面已知点可靠性的判定方法, 对于提高勘测资料质量和工作效率, 有其深远的意义。

重要, 不但可以在测量后数据处理中根据最弱点精度来做出采样点的适当取舍, 而且可以在项目测量设计书里根据预期要达到的精度、仪器视窗的大小及最弱点坐标精度估算, 正确选择测量方案(包括测站的选择, 重叠度的配置及其他一些相关的技术设计细节) 。

基础。

参

[1] H u i s i ng , E.

考文献

J . , and Pereira , L . M. G. E rrors and accuracy est-i

m ates of l aser dat a acqu i red by vari ou s l aser scann i ng syste m s for t opo -graph i c app licati on s[J].ISPRS J . Ph otogramm. , 2002, 53(5):245-261

[2] L icht, i D. D . , S t ewart , M. P. , Tsak i r, i M. , Sno w, A. J . C ali b rati on

and tes ti ng of a terrestri a l laser scanner[J ].In t . A rch . ofPhotogra m-m etry and R e mote Sen si ng , 2000, 33(5):485-492

[3] C lark, J . , Robson , S. A ccuracy ofm easure m en ts m ade w ith CYRAX

2500l as er scann er agai n st s urfaces of kno w n co l ou r[J].The I n tern a -ti onalA rch i ves of Photogra mm etry , Re m ote Sens i ng and Spati al Infor -m ation S ci en ces , 2004, V ol 1XXXV , C o mm i ss i on I V , 1031-1037

[4] 郑德华, 沈云中, 刘 春. 三维激光扫描仪及其测量误差影响因素

分析[J].测绘工程, 2005, 14(2):32-35

[5] 廖丽琼, 罗德安. 地面激光雷达的数据处理及其精度分析[J ].四

川测绘, 2004, 27(4):153-155

Part B4, pp .

4 结束语

TLS 具有效率高、全覆盖、真三维测量等优良的技术特性, 有着良好的应用前景。从其技术特性来看, 不仅可以用于房屋建筑、公路、桥梁、大坝等地形测绘及变形监测等领域, 而且可以于工业测量、文物保护、C AD 设计与动画制作等领域。本文全面而系统地阐述了影响TLS 测量成果精度的各种因素, 并构建了TLS 单点测量数据精度估算模型, 该模型为基于TLS 的高精度测量项目(如变形监测) 的测量成果精度评, 论

地面激光扫描仪的精度影响因素分析:罗德安 廖丽琼

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地面激光扫描仪的精度影响因素分析

罗德安 廖丽琼

(北京建筑工程学院测量工程系, 北京 100044)

Analysis on Accuracy Influe ntial Factors of Terrestrial Laser Scanners

Luo Dean Liao L iqiong

摘 要 尽管地面三维激光扫描技术正被越来越多地应用于多个领域, 但对其测量数据的精度评定, 至今尚缺乏必要的理论及方法支持。从分析直接测量数据出发, 对该类测量仪器误差的主要来源及其对测量数据的影响情况进行了详细分析, 构建了地面三维激光扫描仪单个扫描点测量数据的精度评价模型。该模型为基于地面三维激光扫描仪高精度测量项目(如变形监测) 的测量成果精度评定, 以及测量方案的优化设计提供了所必需的理论基础。

关键词 地面激光扫描仪 误差 变形监测

地面激光扫描仪(Terrestria l Laser Scanner , 简称TLS) 小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强, 能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体模型并提供准确的定量分析。鉴于其良好的技术特性, 已逐步被应用于各相关领域, 如快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等多个领域。随着仪器价格的逐步降低, 以及仪器厂商的大力宣传和推广, 越来越多的机构已经采用或打算采用TLS 来完成测量工作。

任何一项测量工作, 其测量结果必须满足特定工程的具体精度需求, 如果所采用的测量仪器及数据处理方法不能产生预期的测量结果, 就是说, 其测量结果不能满足具体工程的精度要求, 那么, 所进行的测量工作是无效的, 其获得的测量结果也是不可信的。地面三维激光扫描技术作为一项全新的测量技术, 与其相关的仪器精度评定、测量成果的精度评定、误差理论及误差模型的研究, 以及测量方法的研究等, 都还在探索过程中。到目前为止, 对TLS 仪器的检验校正和测量成果精度评定, 还没有形成成熟的、通用的方法体系及评价理论体系。

收稿日期:2007-05-22

第一作者简介:罗德安(1968) ), 男, 2002年毕业于西南交通大学工程测量专业, 工学博士, 副教授。

基金项目:北京市自然科学基金资助项目(编号:8063027) 。北京市教育委员会科技发展计划项目(编号:K M [1**********]9) 。

尽管如此, 国内外相关领域内的学者已经做了大量的理论研究和相关的试验工作。从已有的研究结果来看, 地面激光扫描仪并不像生产厂家所宣传的那样, 具有良好的精度及稳定性, 以及广泛的适应性。事实上, 目前几乎所有的地面激光扫描仪器, 其标称精度和试验结果都存在较大的差异。这一方面跟测量仪器的工作方式不同、测量对象不同和测量环境差异等因素有关, 另一方面也可以认为其标称精度仅代表特定条件下的实验室结果, 个别可能还含有部分夸大成分。

鉴于TLS 测量成果精度评定本身的复杂性, 本文将根据目前已有的研究成果和本人在这一领域的一些研究成果, 全面概括影响TLS 测量成果精度的因素及其影响, 并建立TLS 单个测量点的误差模型及其精度评定模型。

1 TLS 数据采集工作原理

TLS 是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器, 采用非接触式高速激光测量方式, 以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统, 同时也集成CCD 数字摄影和仪器内部校正等系统。其工作原理是:扫描仪对目标发射激光, 根据激光发射和返回的时间差, 计算出相应被测点与扫描仪的距离, 再跟据水平向和垂直向的步进角距值, 可实时计算出被测点),

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铁 道 勘 察2007年第4期

记录储存, 经过相应软件的简单处理, 即可提供被测对

象的三维几何模型。

这和一般的电磁波测距工作原理相同。与电磁波测距类似, 完成测距的各个环节都会带来一定的误差, 这些误差也可以分为固定误差和比例误差两部分。

213 分辨率

分辨率表征了仪器探测目标的最高解析能力。这里涉及两个基本的参数, 即相邻采样点间的最小角度间距和一定距离上光斑的最小尺寸。这两个参数直接决定了激光光斑的尺寸和光斑的点间距, 对模型的构建精度有着直接的影响。

图1 基于仪器坐标系的点云坐标

214 边缘效应

不管扫描仪的聚焦能力有多高, 激光脚点的光斑都具有一定的大小, 而距离测量依赖于光斑范围内的反射能量。这样就会出现两种所谓的边缘效应:一种是在不同目标的交界处, 会出现光斑的一部分在测量目标内, 另一部分在相邻的目标内, 两部分的反射能量都能到达接受系统, 造成类似于GPS 多路径效应的效果, 从而使测量结果产生系统性偏差; 另一种是目标边缘的背景是天空或是其他已超出了距离测量有效测程的目标, 光斑部分在测量目标内, 同时也只有这部分的光斑能量能返回测距接受系统, 其他能量将不能返回, 造成激光测距的盲点, 即无法获得该边缘点的测量信息。

事实上, TLS 所得到的原始观测数据主要包括4

[5]

种:①根据2个连续转动用来反射脉冲激光镜的角

度值得到激光束水平方向值和竖直方向值; ②根据脉冲激光传播时间而计算得到的仪器到扫描点距离值; ③扫描点的反射强度; ④通过内置数码相机获取的场景影像数据等。前2种数据用来计算扫描点的三维坐标值, 扫描点的反射强度和场景影响数据则用来给反射点匹配颜色或给模型映射纹理。

2 影响TLS 精度的因素分析

TLS 提供的最原始信息是利用仪器厂家提供的随机商用软件获得的基于仪器坐标系的三维坐标数据。这些原始数据是大量悬浮在空中没有属性的离散点阵数据, 通常称之为/点云0。这些点云数据往往包含了大量的粗差和系统误差, 不能直接被使用, 必须经过一系列的数据处理之后, 才能用于实际的工程。TLS 测量成果的精度主要受到仪器的角度测量精度、距离测量精度、分辨率、边缘效应、测量对象的反射特性、环境条件及后期的数据处理方法等因素的综合影响。就原始数据本身来说, 角度测量精度和距离测量精度是影响测量成果精度的两个主要因素。

215 反射特性

激光测距依赖于来自目标的反射激光能量。在任何情况下, 反射信号的强度都将受到物体反射特性的影响。由于物体表面反射特性的差异, 将导致激光测距产生一定的系统性偏差。一般情况下, 物体的反射特性受到物体的材质、表面色彩(光谱特性) 及粗糙度的影响。对某些材质的目标, 由反射特性导致的系统性误差甚至会高出正常激光测距标准差的若干倍。

216 环境条件

和其他测距仪器一样, TLS 还将受到温度和气压的影响。TLS 只能正常工作在一定的温度范围, 超出这个范围, 将引起系统性的误差。温度和气压还会造成光传播速度的改变, 但由于其对近距离影响较小, 通常被忽略掉了。

211 角度测量

如前所述, 水平向和垂直向角度是扫描仪直接获得的两个基本观测量, 其误差将直接影响所获得的点云坐标精度。尽管目前扫描仪的角度测量精度已经能够达到亚秒级, 但由于仪器的制造误差或性能限制(如步进电机转动的不均匀、仪器的微小振动及读数误差等), 使得角度观测量中仍然包含一定量的系统

性误差。

3 TLS 单个扫描点的误差模型

TLS 单个扫描点的精度受到测角精度、测距精度及其他一些因素的综合影响。而3D 模型的精度则主要取决于激光脚点光斑的大小和采样间距。激光脚点光斑的大小和采样间距对于仪器来说是可以调整的, , 不具

212 距离测量

TLS 的距离测量是通过测量激光脉冲从发射出去

地面激光扫描仪的精度影响因素分析:罗德安 廖丽琼

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有一致性。所以, 这里对构建3D 模型的精度影响情况不予讨论, 而只讨论TLS 单个扫描点的误差影响因素及其影响情况。

面倾斜) 所产生的误差(如图3) 必须予以适当的考虑。郑德华在文献[4]中已对该问题做了较详细的论述, 并给出了相应的公式

S @C @tan

d S =S 1-S =-2

C (2)

311 角度误差模型

由于激光光柱具有一定的尺寸, 激光脚点具有一定的大小, 理论上认为, TLS 所获得的观测量(角度和距离) 应该是激光光柱中心轴线投射到目标上位置所对应的读数, 但事实上并非如此。TLS 测量是根据第一次回波来确定角度和距离观测值的。通常情况下, 捕获到的首次能量反射可以来自激光脚点光斑范围内的任何位置, 这必然导致一定量的偏离中心轴线的系统误差。如图2所示, 约定激光脚点为一直径为d 的圆, 考虑最大偏离中心轴线情况, 设夹角为H B , 值用弧度表示, 则有H B =

。对于另一个方向的角度影响情S

d S

况, 设夹角为A B , 与此类似, 同理可得A B =

图3 目标反射面倾斜所产生的误差

TLS 测距误差至少应包含以下3部分误差:约定距离测量误差为m S , 距离测量系统误差(含固有误差

和比例误差) 为m S _system, 距离测量的随机误差为m S _r andom , 由于入射激光和目标表面不正交(即目标反射面倾斜) 所产生的误差(通过式(2) 计算获取) 为m S lant , 则TLS 距离观测误差可表达为

m S =

(mS _system) +(mS _random ) +(mS lant )

(3)

图2 观测点偏离中心轴线引起的角度误差

313 点位误差模型

由图1可知, 激光脚点在仪器坐标系中的坐标P (X,Y , Z ) 可以表示为

X =S cos H co s Y =S cos H sin (4)

Z =S sin H

如果已知距离及角度测量误差, 根据误差传播定律, 可以方便地计算出激光脚点的点位误差。约定距离误差为m S , 角度误差分别为m H 和m A , 则有

m P =

(mX ) +(mY ) +(mZ )

如前所述, 这种实际观测点偏离中心轴线的误差存在不确定性, 通常和观测对象的光谱特征、表面粗糙度及表面法线与入射激光所形成的夹角有关。此外, 仪器本身具有一定的系统误差和测角误差。TLS 角度误差至少应包含以下3部分误差:约定角度测量误差为m A , 角度测量系统误差为m syste m , 角度测量的随机误差为m random , 由于激光光柱宽度引起的偏离中心轴线误差(通过式(1) 计算获取) 为m Bea mW idth , 则TLS 角度观测误差可表达如下

m A =

(msyste m ) +(m random ) +(m B eamW id th ) (1)

其中, M X =M Y =M Z =

(cos H cos A ) m S +(Ss i n H cos A ) m H +(Scos H sin A ) m A (cos H sin A ) m S +(Ss i n H s i n A ) m H +(Scos H cos A ) m A (s i n H ) m S +(S cos H ) m H

312 距离误差模型

由前面的分析可知, TLS 距离测量误差主要包含系统性误差(包含固有误差和比例误差) 和随机误差两项。此外, TLS 测距也是以第一次俘获到足够反射能量来确定测量值的, 而反射能量在很大程度上和目标表面特性及表面法线与入射激光所成的夹角相关。

, (5)

根据上述误差模型, 即可对测站内某些最弱点(如TLS 视窗边缘点) 进行精度估计, 从而决定其取测量

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铁 道 勘 察2007年第4期

GPS 网中已知国家点可靠性判定

吴杭舜

(铁道第五勘察设计院, 北京 102600)

Deter m inati n on Reli ability of Known Ground Poi nts i n GPS net wor k

W u H angshun

摘 要 对GPS 测量WGS-84地心坐标转换至我国常用地面参心坐标系的方法进行了论述, 介绍了目前常用的判定地面已知点的方法和国内学者讨论的方法, 探讨了这些方法的实用性。提出了在平面坐标系中, 用与i 点相关的转换尺度因子的平均值作为统计量进行u 假设检验, 以判定i 点可靠性的方法。

关键词 GPS 网 地面网 地面已知点 尺度因子

GPS 测量的成果为WGS-84坐标系坐标, 而我国的测量成果为1980西安坐标系成果(或1954年北京坐标系), 因此, 在工程领域, 大多需要将GPS 的WGS -84坐标成果转换成1980西安坐标系成果(或1954年北京坐标系) 。常用的转换方法是利用GPS 网联测的国家等级平面控制点(即地面平面已知点或三角

收稿日期:2007-04-23

作者简介:吴杭舜(1970) ), 男, 1991年毕业于西南交通大学航空摄影测量专业, 高级工程师, 工程硕士。

点), 将地面平面已知点的坐标作为约束条件, 把GPS 网观测成果强制附合到1980西安坐标系中。GPS 网转换中地面平面已知点自身的可靠性, 将直接影响GPS 网最终成果的可靠性, 如地面平面已知点存在较大的误差或粗差, 必然会歪曲高精度的GPS 测量成果而使其失去应用价值。本文提出一种合理量化的GPS 网转换中地面平面已知点可靠性的判定方法, 对于提高勘测资料质量和工作效率, 有其深远的意义。

重要, 不但可以在测量后数据处理中根据最弱点精度来做出采样点的适当取舍, 而且可以在项目测量设计书里根据预期要达到的精度、仪器视窗的大小及最弱点坐标精度估算, 正确选择测量方案(包括测站的选择, 重叠度的配置及其他一些相关的技术设计细节) 。

基础。

参

[1] H u i s i ng , E.

考文献

J . , and Pereira , L . M. G. E rrors and accuracy est-i

m ates of l aser dat a acqu i red by vari ou s l aser scann i ng syste m s for t opo -graph i c app licati on s[J].ISPRS J . Ph otogramm. , 2002, 53(5):245-261

[2] L icht, i D. D . , S t ewart , M. P. , Tsak i r, i M. , Sno w, A. J . C ali b rati on

and tes ti ng of a terrestri a l laser scanner[J ].In t . A rch . ofPhotogra m-m etry and R e mote Sen si ng , 2000, 33(5):485-492

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Part B4, pp .

4 结束语

TLS 具有效率高、全覆盖、真三维测量等优良的技术特性, 有着良好的应用前景。从其技术特性来看, 不仅可以用于房屋建筑、公路、桥梁、大坝等地形测绘及变形监测等领域, 而且可以于工业测量、文物保护、C AD 设计与动画制作等领域。本文全面而系统地阐述了影响TLS 测量成果精度的各种因素, 并构建了TLS 单点测量数据精度估算模型, 该模型为基于TLS 的高精度测量项目(如变形监测) 的测量成果精度评, 论