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如何验证NavVis VLX 3 的精度?

发布时间:2024-10-31 11:18浏览次数:
移动激光扫描系统具有更快的工作流程、轻松捕捉全景图像、逼真的点云和自动处理等优点,已成为各行各业的理想选择。NavVis VLX 3 作为移动扫描领域的标杆产品,其数据精度一直是客户关注的重点。那么,应该如何验证NavVis VLX 3 的精度呢?

如何验证移动激光扫描点云的精度
1.相对方法(无 GCP)
我们可以使用处理软件在没有地面控制点(GCP)的情况下完成点云的最终处理,这样就可以绕过将点云转换为高级坐标系和优化轨迹的补充处理。这样得到的点云没有参照,轨迹优化也不会使用 GCP 提供的额外数据。
 
在这里,我们使用扫描仪放置多个目标并捕捉点云。然后,我们进行人工检查,删除或修复目标拟合算法没有找到正确中心的异常值靶点坐标 。
 
最后,我们测量了点云中所有可能的目标对之间的点对点距离,并将结果与基准点距离进行比较。

2.绝对方法(全球比较方案)
我们还可以使用 GCP 处理激光扫描系统的点云,将数据转换为我们的基准点坐标系。在这里,SLAM 算法可以利用 GCP的已知位置来优化点云的轨迹。
 
我们可以通过多种方式使用数据来验证精度。例如,我们可以提取点云中每个目标的中心坐标,并将其与地面实况坐标进行比较。
 
我们还可以进行与相对点云相同的比较。为此,我们将提取所有可能的目标对之间的点对点距离,并将结果与基准点进行比较。
 
无论采用哪种方法,我们都能在使用 GCP 处理点云后验证其准确性。
 
但第二种方案有一个重要的好处:我们从参照点云中提取的每个点对点距离测量值,在未参照点云中都有一个对应的点对点距离测量值。这意味着我们可以对两组结果进行 1:1 的比较,以确定 GCP 处理对点云精度的影响。



评估NavVis VLX 3 准确性的工作流程
两种方法都需要使用一个参考系统作为基准点 ,该系统使用高精度工业激光跟踪仪系统进行测量。该测量系统专为需要亚毫米级精度的工业应用而设计。根据激光跟踪仪的报告,在所有设置中,数据的平均偏差仅为 0.08 毫米。
 
验证过程要求测试仪器的精度是扫描仪本身的 3 倍。这意味着,激光跟踪仪收集的 99.7% (3σ) 参考测量值的精度应高于NavVis VLX 3 的5毫米(1σ)精度。由于 RAITEC 的测量结果超出了我们的要求,因此我们可以将这些参考数据作为无误的基准点 。

API跟踪系统radian plus 50 


用于 API 跟踪系统的 vProbe

相对方法(无 GCP)
我们在现场随机分布了 43 个棋盘式目标。然后,我们与外部服务提供商签订合同,利用激光跟踪仪对目标中心进行高精度测量。在此基础上,我们计算了每对可能的目标之间的点对点距离,并生成了包含 903 个距离的地面实况数据集。
接下来,我们使用NavVis VLX 3 系统拍摄了现场情况,并在不使用地面控制的情况下处理了数据,使点云没有参照,处于相对坐标系中。然后,我们计算了点对点点云中所有可能的目标对之间的距离。
我们对另外 11 个NavVis VLX 3 系统重复了这一过程,共生成了12个点云和 12 组点对点测量数据。
最后,我们将12个点云中的每个点对点测量值与基准点进行了比较。这样就得到了偏差数据,使我们能够对未参照(相对)点云的精度做出说明。
虽然我们将这种方法用于NavVis VLX 3,但它可用于对任何全站仪、地面激光扫描系统或动态激光扫描系统进行基准测试。
 
绝对方法 (全球比较方案)
我们使用了与相对精度方法相同的基准点数据和NavVis VLX 3 原始数据。不过,我们在处理点云时使用的是激光跟踪仪测量的GCP,因此与目标的坐标系相同。
这使我们能够从点云中提取每个靶点坐标的坐标,并将其与该目标的参考坐标进行比较。现在,我们知道了点云中的每个目标在三个维度上偏离基准点的程度。
这种偏差数据也使检测可能的异常值变得更加简单。
然后,我们比较了点对点距离的精确度,从而得出了参考(绝对)点云的精确度声明。
 
确定控制点的影响
在验证NavVis VLX 3结果的准确性时,我们处理了有GCP和无GCP的相同点云。这意味着我们可以比较两组结果,量化 GCP处理对精确度的积极影响。

测试详情

1.测试地点
我们选择了一处地下室,因为这种环境是动态激光扫描的常见扫描场景。同时,它也是一个理想的测试实验室,因为我们可以控制各种变量以获得可重复的结果。
——墙壁坚固固定
——环境温度稳定
——该网站经常开放,无需任何特别许可
——其他交通量极少
——目标不太可能被破坏或磨损 
为了进一步控制变量和降低复杂性,我们只捕捉了地下室的一部分,而不是整个场景。

▲地下室点云三维视图

该地点的面积约为 52 米 x 22 米,从一端到另一端没有直接的视线。绘图面积约为 180 平方米。走廊的平均高度为 2.20 米,宽度为 2 米。走廊的高度略有不同,每条走廊都与楼梯相连。

2.目标位置和分布
为了创建可通过激光跟踪仪捕捉并通过NavVis VLX 3仪器重复捕捉的参考标记,我们使用了标准的 15 厘米 x 15 厘米棋盘式目标,其宽波长 。
 
我们在整个环境中随机放置了43个目标。为了防止目标移动,我们用一块3毫米厚的 DIBOND 铝板将每个目标粘在墙上。

一家普通激光扫描设备供应商提供的粘性目标


安装在墙上的 DIBOND® 板上的目标


用于精度估算的棋盘式目标位置

3.扫描
一名操作员使用NavVis VLX 3扫描场景大约需要 12 分钟,包括捕捉全景图像和地面控制点。
 
这个采集过程非常快,因此可以在 12 次扫描中安排4个不同的操作员。这使我们能够测试系统对不同操作员的准确性。

4.目标和线条提取
我们使用 Leica Geosystems 的 Cyclone 软件从目标中提取中心点。当技术人员选取接近目标中心的点时,软件会使用可靠的行业标准算法计算出真正的中心点并提供坐标。

RGB 彩色黑白目标


强度:多色相彩色黑白目标

强度灰度彩色黑白目标 

将所有可能配对的43个目标连接起来后,我们可以提取出903条点对点线路。

 

对于任何给定的点云,半自动提取方法都无法正确提取出大约三到四个目标。因此,每个点云的线条总数略有不同。计算得出的提取目标之间的距离从10厘米到 50 米不等。


俯视图 - 线条

三维视图 - 线条

每段距离每段距离的线条数量

 

5.检查异常值
我们从12个未参照点云中提取了9229个距离值,从12个参照点云中提取了 9460个距离值。尽管测量结果数量庞大,但我们认为,关键是要检查数据中是否存在潜在的异常值,即与其他结果相差很大的距离,并在可能的情况下对其进行修正。

P34 的目标提取失败


改装后的目标 P34 

相对方法(无全球关键点)
为了找出相对点云中的异常值,我们手动检查了距离测量值。
 
我们很快就发现,一台仪器产生的点云在涉及目标P34的任何距离上都显示出比预期值更大的数值。
 
仔细观察后发现,从点云中提取的目标中心与目标的真实中心不符。重新拟合后,我们再次提取了中心点。现在,新计算出的距离不再出现异常值。
 
当检查的重点放在偏差大于15毫米时,我们又发现了三个异常值。由于没有明显的误拟合,我们保留了提取的目标进行计算,没有删除或重新拟合。
 
绝对方法(GCP)
如前所述,这种方法涉及用地面控制点处理数据,从而在参考数据的坐标系中生成点云。
 
尽管进行了上述处理,但在最终的点云中仍可能出现离群点距离。幸运的是,参考数据能让我们事半功倍地识别异常值。我们可以将点云与参考数据进行比较,找出目标坐标在三维空间中的偏离点,这表明可能存在提取不正确的目标。
 
下图显示了提取的目标及其与参考坐标的相应 3D 偏差。 

图中有三个峰值,分别对应目标 P08、P28 和 P38。

仔细观察 P08 目标,我们发现 rgb 着色点云的中心位置存在明显偏差。由于强度对比度不足,算法无法找到正确的目标中心。请参见下图目标P08 。

目标 P28 被放置在一个扫描仪只能在短时间内看到目标的位置。因此,该区域的点密度和强度给目标识别带来了挑战。见下图目标 P28。

目标 P38 在点云中的强度分布略不对称。经目测验证,目标中心不正确。见下图目标 P38。


当发现这三个异常值是不正确的测量值时,我们将它们从进一步的计算中删除。虽然一些提取的目标没有显示出理想的强度信息,但从视觉角度来看,它们仍然是正确的,因此我们保留了它们,以作进一步研究。
 

相对方法(无全球控制点)的结果
下面的直方图显示了每个点对点测量距离与基准点的偏差程度。误差分布以 0.5 毫米 "桶 "为单位。黄色表示百分位线。
 
为了说明如何读取结果:红线显示 68% 的误差为 3.1 毫米,这意味着 68% 的点云距离测量值与基准点的偏差在 3.1 毫米或以下。 


相对偏差柱状图 

绿线表示NavVis VLX 3 规格表中规定的5毫米精度。从这条线可以看出,从点云中提取的 87% 的距离测量值与基准点的偏差在5毫米以内。 
 

绝对方法(GCP)的结果
如前所述,对于绝对方法,我们使用NavVis VLX 3 地面控制点功能处理所有点云数据。值得注意的是,我们并没有考虑操作员手动敲击 GCP 的准确性和精确度。
绝对方法可用于以下多种不同方式确定精度基准。
 
点对点比较:绝对点与参考点
上图说明了点云中的目标中心与基准点的偏差程度。所有异常值均已去除。
 
在 478 个观测点(每个观测点对应一个点)中,平均偏差为 2.8 毫米,中位数为 2.5 毫米。
 
绝对数据与参考数据的距离比较

绝对偏差柱状图

上面的直方图显示了点对点点云中的距离测量值与基准点的偏差程度。
 
误差分布以 0.5 毫米 "桶 "为单位。黄线表示百分位数线。为了说明如何读取结果:68%(如前所述)的误差为 2.1 毫米。这意味着点云中 68% 的距离测量值与基准点的偏差在2.1毫米或以下。 
 
绿线表示NavVis VLX 3 规格表中规定的 5 毫米精度值。从这条线可以看出,从点云中提取的 97% 的距离测量值与基准点的偏差在5毫米以内。

结果汇总
经测试,所有 12 个NavVis VLX 3 仪器的性能均优于规格表中的说明。
 
即使不使用全球定位系统,在这种特定情况下,精度也可达到3.2毫米,68% ~1 σ。下表列出了该文件中描述的距离测量结果汇总。 

 

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