Наша компания приняла участие в XV научно-практической конференции «Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения», посвященной памяти профессора В.Т. Гроздова. Это ключевое отраслевое мероприятие было организовано ООО «ОЗИС-Венчур» и Ассоциацией обследователей зданий и сооружений.
С докладом на актуальную для рынка тему выступил технический директор ООО «Архитектурная фотограмметрия», к.т.н., доцент СПбГУ Александр Евгеньевич Войнаровский. Его презентация была посвящена «Технологии калибровки наземных лазерных сканеров – решению актуальной научно-технической задачи».
Тема доклада: «Технология калибровки наземных лазерных сканеров – решение актуальной научно-технической задачи».
Наземное лазерное сканирование – это очень популярная сегодня технология. Её используют не только специалисты топографо-геодезического профиля, но и строители, обследователи, археологи. Это наиболее совершенная и эффективная технология, которая позволяет максимально точно и быстро получать трёхмерные данные исследуемого объекта.
Безусловно, она очень востребована. Однако сканер – это не волшебная палочка. Это такой же геодезический прибор, как и остальные, и он требует периодической проверки и калибровки. И с этим есть серьёзные проблемы.
Оборудование производится ведущими мировыми компаниями – Leica, Faro, Trimble и другими. Но в России у них нет ни одного сертифицированного центра по обслуживанию этой техники. Европейские центры, которые использовались раньше, сегодня недоступны. В целом, это создаёт большую сложность.
Появилось две-три компании, которые пытаются ремонтировать эту технику с переменным успехом, на свой страх и риск, а также на страх и риск владельцев – например, собирая один работоспособный прибор из двух. Понимая масштаб этой проблемы, мы разработали собственную технологию калибровки.
Что такое калибровка?
• Поверка – это выявление несоответствия геометрических параметров прибора эталонным.
• Калибровка – это исправление этих несоответствий программными средствами.
Главная задача – исправить итоговые данные, если прибор выдаёт некорректные измерения.
Цели данного доклада:
1. Рассказать об устройстве наземного лазерного сканера и основных геометрических параметрах, которым должен соответствовать исправный прибор.
2. Рассказать о технологии калибровки наземных лазерных сканеров, разработанной в нашей компании.
3. Пригласить к сотрудничеству по вопросам калибровки НЛС.
Об устройстве сканера (кратко)
Большинство современных наземных лазерных сканеров (более 90%) построены по панорамной схеме. Такой сканер очень похож на электронный тахеометр, но является полностью автоматизированным и работает с огромной скоростью – до 2 миллионов точек в секунду.
Прибор выдаёт трёхмерные координаты (X, Y, Z) в своей системе, центр которой расположен на пересечении основных осей. Для определения каждой точки сканер измеряет три величины:
1. Расстояние (измеряется высокочастотным лазерным дальномером).
2. Вертикальный угол (зенитное расстояние).
3. Горизонтальный угол.
Развёртка луча в пространстве обеспечивается вращением зеркала (по вертикали) и вращением самого прибора (по горизонтали). В отличие от тахеометра, сканер часто использует гибридную систему: половину пространства сканирует при одном круге (поворот прибора на 180°), вторую половину – при другом, за счёт поворота зеркала. Это важно для последующего анализа ошибок.
Откуда берутся ошибки и что нужно калибровать?
Идеальная работа возможна только при безупречном состоянии оптико-механической системы. Существует несколько критических осей и параметров:
1. Ось вращения зеркала (на схеме – розовая).
2. Ось вращения прибора (на схеме – зелёная).
3. Ось лазерного луча (на схема – красная).
Ось вращения зеркала должна быть строго перпендикулярна оси вращения прибора. Ось лазерного луча должна быть строго перпендикулярна оси вращения зеркала. В процессе эксплуатации эти соответствия нарушаются из-за износа, ударов и т.д.
4. Место зенита (нуль вертикального круга). Это начало отсчёта вертикальных углов. В идеале ноль должен соответствовать проекции вертикальной оси прибора на лимб. В реальности у всех сканеров, тахеометров и теодолитов есть отклонение. Если это не учесть, измеренные вертикальные углы будут содержать ошибку, причём с разным знаком для разных кругов (прямого и обратного).
Задача поверки – определить величины этих отклонений (место зенита, неперпендикулярность осей) и создать математическую модель для программной коррекции всех исходных измерений, чтобы на выходе получались правильные координаты точек.
Таким образом, наша технология позволяет компенсировать внутренние геометрические ошибки прибора, обеспечивая высокую точность данных даже для оборудования, требующего юстировки.
Ошибки, которые определяет калибровка, и как это выглядит на практике
Давайте рассмотрим, как эти ошибки проявляются визуально на сканах. Вот, например, отсканированы четыре марки на небольшом участке развёртки. Вы видите вертикальную границу между более светлой и более тёмной частями — это как раз граница между левым и правым кругом (FOV).
Если ошибок нет, марки, расположенные в линию, выглядят ровно. Но если присутствует ошибка места зенита (нуль вертикального круга не на своём месте), мы увидим вот такой разрыв. Это сразу должно вызвать вопросы.
Следующая ошибка – коллимационная. Это неперпендикулярность оси лазерного луча (красная на схеме) к оси вращения зеркала (чёрная). Обозначим этот угол как c. Если она присутствует, то плоскость, описываемая лучом, вместо плоскости становится конусом (как показано на рисунке). И что интересно, эта ошибка вносит погрешность не в вертикальные, а в горизонтальные углы! Формулы для её учёта для левого и правого круга показаны здесь (значения со штрихом — измеренные, в левой части уравнения — исправленные). Зная угол c, эту ошибку можно скорректировать.
Как это выглядит на скане тех же четырёх марок? Вот сравнение: слева — нет коллимационной ошибки, справа — она есть.
Ещё одна ошибка – наклон оси вращения зеркала. Эта проблема есть практически у всех приборов. По сути, ось вращения зеркала должна быть перпендикулярна вертикальной оси прибора, но на деле может быть отклонена на некоторый угол i. Эта ошибка также влияет на отсчёты по горизонтальному кругу. Формулы поправок для правого и левого круга приведены аналогично.
И её визуальное проявление на примере марок: без наклона и с ним.
Мы разобрали эти ошибки «по полочкам». На практике же, при сканировании реального объекта (например, карниза на пятом этаже), вы можете увидеть картину, где присутствует всё сразу: и ошибка места зенита, и коллимационная, и наклон оси. Если прибор не откалиброван, эти данные не исправить. Если же он откалиброван — вы можете программно устранить эти искажения и получить исправленные координаты. Важно понимать, что эти ошибки влияют не только на заметные границы, которые я проиллюстрировал, — они присутствуют на всем поле сканирования, просто в некоторых местах более заметны.
Кроме этих, есть и другие ошибки, которые визуально не увидеть. Их влияние становится очевидным на этапе обработки данных: при сшивке сканов (регистрации) или привязке к опорным точкам невязки начинают превышать заявленную точность прибора.
К таким «невидимым» ошибкам относятся:
• Эксцентриситеты вертикального и горизонтального кругов (разцентровка отсчётного устройства).
• Ошибки компенсатора (инклинометра) — устройства, которое автоматически приводит измерения к отвесной линии. Если оно разцентровано, то приводит не туда, куда надо.
• Ошибки дальномера. Стоит отметить, что ошибки дальномера — наименее проблемная часть лазерных сканеров. Основные сложности связаны именно с угломерной системой в целом.
Разработанная нами технология калибровки позволяет выявить и учесть все перечисленные ошибки.
Как выполняется калибровка на практике?
Калибровка выполняется по сканам специального тестового объекта — калибровочного полигона.
На схеме слева показана его модель с расположением контрольных марок. Минимально необходимое количество марок указано красными точками (их число можно увеличить, это не ухудшит результат). Одна часть марок расположена в вертикальной плоскости, другая — в горизонтальной.
На схеме справа показана часть реальной развёртки скана такого полигона. Марки, расположенные вдоль границы левого и правого круга (граница видна по центру), имеют характерный «косой» вид. Внизу они показаны в увеличенном масштабе. Также видны марки, расположенные по горизонту.
Полигон можно развернуть в любом подходящем помещении.
Первый этап калибровки — это исследование изображения этих марок. Также есть марки, расположенные по горизонту, в горизонтальном направлении.
Как выполняется калибровка на практике?
Первое, с чего надо начать — это исследование стабильности прибора. Важно, чтобы данные, которые он выдаёт, были стабильными. Пусть они будут «кривыми», но всегда одинаково «кривыми». Если показания будут каждый раз сильно отличаться, такой прибор, скорее всего, нуждается в ремонте, а не только в калибровке. Простая проверка — можно слегка постучать по корпусу, потом отсканировать снова. Если данные стабильны, можно приступать к калибровке.
Далее выполняется сканирование тестового объекта. В идеале делается два скана, повёрнутых друг относительно друга на 180 градусов.
Затем происходит измерение марок на сканах — определение их координат в данных прибора.
После измерения вычисляются исходные величины: расстояние и два угла для каждой марки.
Ключевой этап — решение системы линейных параметрических уравнений, которая связывает выполненные измерения с определяемыми неизвестными, то есть теми самыми ошибками (место зенита, коллимация, наклоны осей и т.д.). Из решения этой системы методом наименьших квадратов мы находим численные значения всех этих параметрических поправок.
На следующем шаге мы программно вводим найденные поправки в измерения, исправляем их и вычисляем уже скорректированные, точные координаты.
Отдельной процедурой калибруется инклинометр (компенсатор). Это несложно, если у вас есть два скана, повёрнутых на 180°: среднее значение наклона из них должно давать правильную вертикаль, и можно вычислить поправку.
Результат для заказчика.
По итогам калибровки заказчику передаётся:
1. Отчёт (паспорт калибровки) с указанием всех определённых величин ошибок.
2. Файл калибровки в специальном формате.
3. Программное обеспечение «ScanCorrector» для исправления данных.
Как это работает в повседневной работе?
Мы не вмешиваемся внутрь прибора — его механическая и аппаратная часть не меняется. Вы работаете с ним как обычно, используя штатное ПО сканера.
После выполнения полевых сканирований вы запускаете «ScanCorrector», указываете ему файл калибровки и папку с исходными данными. Программа автоматически берёт и исправляет все данные, записывая их либо поверх исходных, либо в новую указанную папку.
Процесс можно организовать пакетно: если за день сделано 100 сканов, их можно обработать автоматически за ночь. Таким образом, калибровка не удлиняет технологический процесс, а лишь добавляет один автоматизированный этап обработки.
Основные выводы:
1. Систематические ошибки неоткалиброванного сканера могут в разы превышать заявленную точность. Если у прибора заявлена угловая точность, например, 20 угловых секунд, реальные ошибки из-за разъюстировки могут составлять 1, 2 или даже 3 минуты. Не стоит полностью полагаться на цифры, написанные производителем в паспорте нового прибора — в процессе эксплуатации точность неизбежно снижается.
2. Калибровка по нашей технологии позволяет устранить эти систематические ошибки и, по сути, вернуть прибору ту точность, на которую он изначально способен.
3. Технология универсальна. Благодаря собственному программному обеспечению мы можем откалибровать сканер любого производителя и любой системы.
4. Процесс не требует вмешательства в аппаратную часть и легко встраивается в рабочий процесс.
В завершение хотел бы пригласить специалистов к сотрудничеству по вопросам калибровки вашей техники.
Спасибо за внимание!
ВОЙНАРОВСКИЙ Александр Евгеньевич, к.т.н., технический директор ООО «Архитектурная фотограмметрия», доцент кафедры картографии и геоинформатики СПбГУ
НАЗАРОВ Роман Алексеевич, ведущий специалист ООО «Архитектурная фотограмметрия»
КОРЖ Родион Сергеевич, главный геодезист ООО «Архитектурная фотограмметрия»
(Санкт-Петербург)
#КалибровкаСканера #ОшибкиСканирования #ТочностьНЛС #ЛазерноеСканирование #Геодезия #Метрология #МестоЗенита #Коллимация #ИсправлениеДанных #Leica #Faro #Trimble #ГеодезическоеОборудование
С докладом на актуальную для рынка тему выступил технический директор ООО «Архитектурная фотограмметрия», к.т.н., доцент СПбГУ Александр Евгеньевич Войнаровский. Его презентация была посвящена «Технологии калибровки наземных лазерных сканеров – решению актуальной научно-технической задачи».
Тема доклада: «Технология калибровки наземных лазерных сканеров – решение актуальной научно-технической задачи».
Наземное лазерное сканирование – это очень популярная сегодня технология. Её используют не только специалисты топографо-геодезического профиля, но и строители, обследователи, археологи. Это наиболее совершенная и эффективная технология, которая позволяет максимально точно и быстро получать трёхмерные данные исследуемого объекта.
Безусловно, она очень востребована. Однако сканер – это не волшебная палочка. Это такой же геодезический прибор, как и остальные, и он требует периодической проверки и калибровки. И с этим есть серьёзные проблемы.
Оборудование производится ведущими мировыми компаниями – Leica, Faro, Trimble и другими. Но в России у них нет ни одного сертифицированного центра по обслуживанию этой техники. Европейские центры, которые использовались раньше, сегодня недоступны. В целом, это создаёт большую сложность.
Появилось две-три компании, которые пытаются ремонтировать эту технику с переменным успехом, на свой страх и риск, а также на страх и риск владельцев – например, собирая один работоспособный прибор из двух. Понимая масштаб этой проблемы, мы разработали собственную технологию калибровки.
Что такое калибровка?
• Поверка – это выявление несоответствия геометрических параметров прибора эталонным.
• Калибровка – это исправление этих несоответствий программными средствами.
Главная задача – исправить итоговые данные, если прибор выдаёт некорректные измерения.
Цели данного доклада:
1. Рассказать об устройстве наземного лазерного сканера и основных геометрических параметрах, которым должен соответствовать исправный прибор.
2. Рассказать о технологии калибровки наземных лазерных сканеров, разработанной в нашей компании.
3. Пригласить к сотрудничеству по вопросам калибровки НЛС.
Об устройстве сканера (кратко)
Большинство современных наземных лазерных сканеров (более 90%) построены по панорамной схеме. Такой сканер очень похож на электронный тахеометр, но является полностью автоматизированным и работает с огромной скоростью – до 2 миллионов точек в секунду.
Прибор выдаёт трёхмерные координаты (X, Y, Z) в своей системе, центр которой расположен на пересечении основных осей. Для определения каждой точки сканер измеряет три величины:
1. Расстояние (измеряется высокочастотным лазерным дальномером).
2. Вертикальный угол (зенитное расстояние).
3. Горизонтальный угол.
Развёртка луча в пространстве обеспечивается вращением зеркала (по вертикали) и вращением самого прибора (по горизонтали). В отличие от тахеометра, сканер часто использует гибридную систему: половину пространства сканирует при одном круге (поворот прибора на 180°), вторую половину – при другом, за счёт поворота зеркала. Это важно для последующего анализа ошибок.
Откуда берутся ошибки и что нужно калибровать?
Идеальная работа возможна только при безупречном состоянии оптико-механической системы. Существует несколько критических осей и параметров:
1. Ось вращения зеркала (на схеме – розовая).
2. Ось вращения прибора (на схеме – зелёная).
3. Ось лазерного луча (на схема – красная).
Ось вращения зеркала должна быть строго перпендикулярна оси вращения прибора. Ось лазерного луча должна быть строго перпендикулярна оси вращения зеркала. В процессе эксплуатации эти соответствия нарушаются из-за износа, ударов и т.д.
4. Место зенита (нуль вертикального круга). Это начало отсчёта вертикальных углов. В идеале ноль должен соответствовать проекции вертикальной оси прибора на лимб. В реальности у всех сканеров, тахеометров и теодолитов есть отклонение. Если это не учесть, измеренные вертикальные углы будут содержать ошибку, причём с разным знаком для разных кругов (прямого и обратного).
Задача поверки – определить величины этих отклонений (место зенита, неперпендикулярность осей) и создать математическую модель для программной коррекции всех исходных измерений, чтобы на выходе получались правильные координаты точек.
Таким образом, наша технология позволяет компенсировать внутренние геометрические ошибки прибора, обеспечивая высокую точность данных даже для оборудования, требующего юстировки.
Ошибки, которые определяет калибровка, и как это выглядит на практике
Давайте рассмотрим, как эти ошибки проявляются визуально на сканах. Вот, например, отсканированы четыре марки на небольшом участке развёртки. Вы видите вертикальную границу между более светлой и более тёмной частями — это как раз граница между левым и правым кругом (FOV).
Если ошибок нет, марки, расположенные в линию, выглядят ровно. Но если присутствует ошибка места зенита (нуль вертикального круга не на своём месте), мы увидим вот такой разрыв. Это сразу должно вызвать вопросы.
Следующая ошибка – коллимационная. Это неперпендикулярность оси лазерного луча (красная на схеме) к оси вращения зеркала (чёрная). Обозначим этот угол как c. Если она присутствует, то плоскость, описываемая лучом, вместо плоскости становится конусом (как показано на рисунке). И что интересно, эта ошибка вносит погрешность не в вертикальные, а в горизонтальные углы! Формулы для её учёта для левого и правого круга показаны здесь (значения со штрихом — измеренные, в левой части уравнения — исправленные). Зная угол c, эту ошибку можно скорректировать.
Как это выглядит на скане тех же четырёх марок? Вот сравнение: слева — нет коллимационной ошибки, справа — она есть.
Ещё одна ошибка – наклон оси вращения зеркала. Эта проблема есть практически у всех приборов. По сути, ось вращения зеркала должна быть перпендикулярна вертикальной оси прибора, но на деле может быть отклонена на некоторый угол i. Эта ошибка также влияет на отсчёты по горизонтальному кругу. Формулы поправок для правого и левого круга приведены аналогично.
И её визуальное проявление на примере марок: без наклона и с ним.
Мы разобрали эти ошибки «по полочкам». На практике же, при сканировании реального объекта (например, карниза на пятом этаже), вы можете увидеть картину, где присутствует всё сразу: и ошибка места зенита, и коллимационная, и наклон оси. Если прибор не откалиброван, эти данные не исправить. Если же он откалиброван — вы можете программно устранить эти искажения и получить исправленные координаты. Важно понимать, что эти ошибки влияют не только на заметные границы, которые я проиллюстрировал, — они присутствуют на всем поле сканирования, просто в некоторых местах более заметны.
Кроме этих, есть и другие ошибки, которые визуально не увидеть. Их влияние становится очевидным на этапе обработки данных: при сшивке сканов (регистрации) или привязке к опорным точкам невязки начинают превышать заявленную точность прибора.
К таким «невидимым» ошибкам относятся:
• Эксцентриситеты вертикального и горизонтального кругов (разцентровка отсчётного устройства).
• Ошибки компенсатора (инклинометра) — устройства, которое автоматически приводит измерения к отвесной линии. Если оно разцентровано, то приводит не туда, куда надо.
• Ошибки дальномера. Стоит отметить, что ошибки дальномера — наименее проблемная часть лазерных сканеров. Основные сложности связаны именно с угломерной системой в целом.
Разработанная нами технология калибровки позволяет выявить и учесть все перечисленные ошибки.
Как выполняется калибровка на практике?
Калибровка выполняется по сканам специального тестового объекта — калибровочного полигона.
На схеме слева показана его модель с расположением контрольных марок. Минимально необходимое количество марок указано красными точками (их число можно увеличить, это не ухудшит результат). Одна часть марок расположена в вертикальной плоскости, другая — в горизонтальной.
На схеме справа показана часть реальной развёртки скана такого полигона. Марки, расположенные вдоль границы левого и правого круга (граница видна по центру), имеют характерный «косой» вид. Внизу они показаны в увеличенном масштабе. Также видны марки, расположенные по горизонту.
Полигон можно развернуть в любом подходящем помещении.
Первый этап калибровки — это исследование изображения этих марок. Также есть марки, расположенные по горизонту, в горизонтальном направлении.
Как выполняется калибровка на практике?
Первое, с чего надо начать — это исследование стабильности прибора. Важно, чтобы данные, которые он выдаёт, были стабильными. Пусть они будут «кривыми», но всегда одинаково «кривыми». Если показания будут каждый раз сильно отличаться, такой прибор, скорее всего, нуждается в ремонте, а не только в калибровке. Простая проверка — можно слегка постучать по корпусу, потом отсканировать снова. Если данные стабильны, можно приступать к калибровке.
Далее выполняется сканирование тестового объекта. В идеале делается два скана, повёрнутых друг относительно друга на 180 градусов.
Затем происходит измерение марок на сканах — определение их координат в данных прибора.
После измерения вычисляются исходные величины: расстояние и два угла для каждой марки.
Ключевой этап — решение системы линейных параметрических уравнений, которая связывает выполненные измерения с определяемыми неизвестными, то есть теми самыми ошибками (место зенита, коллимация, наклоны осей и т.д.). Из решения этой системы методом наименьших квадратов мы находим численные значения всех этих параметрических поправок.
На следующем шаге мы программно вводим найденные поправки в измерения, исправляем их и вычисляем уже скорректированные, точные координаты.
Отдельной процедурой калибруется инклинометр (компенсатор). Это несложно, если у вас есть два скана, повёрнутых на 180°: среднее значение наклона из них должно давать правильную вертикаль, и можно вычислить поправку.
Результат для заказчика.
По итогам калибровки заказчику передаётся:
1. Отчёт (паспорт калибровки) с указанием всех определённых величин ошибок.
2. Файл калибровки в специальном формате.
3. Программное обеспечение «ScanCorrector» для исправления данных.
Как это работает в повседневной работе?
Мы не вмешиваемся внутрь прибора — его механическая и аппаратная часть не меняется. Вы работаете с ним как обычно, используя штатное ПО сканера.
После выполнения полевых сканирований вы запускаете «ScanCorrector», указываете ему файл калибровки и папку с исходными данными. Программа автоматически берёт и исправляет все данные, записывая их либо поверх исходных, либо в новую указанную папку.
Процесс можно организовать пакетно: если за день сделано 100 сканов, их можно обработать автоматически за ночь. Таким образом, калибровка не удлиняет технологический процесс, а лишь добавляет один автоматизированный этап обработки.
Основные выводы:
1. Систематические ошибки неоткалиброванного сканера могут в разы превышать заявленную точность. Если у прибора заявлена угловая точность, например, 20 угловых секунд, реальные ошибки из-за разъюстировки могут составлять 1, 2 или даже 3 минуты. Не стоит полностью полагаться на цифры, написанные производителем в паспорте нового прибора — в процессе эксплуатации точность неизбежно снижается.
2. Калибровка по нашей технологии позволяет устранить эти систематические ошибки и, по сути, вернуть прибору ту точность, на которую он изначально способен.
3. Технология универсальна. Благодаря собственному программному обеспечению мы можем откалибровать сканер любого производителя и любой системы.
4. Процесс не требует вмешательства в аппаратную часть и легко встраивается в рабочий процесс.
В завершение хотел бы пригласить специалистов к сотрудничеству по вопросам калибровки вашей техники.
Спасибо за внимание!
ВОЙНАРОВСКИЙ Александр Евгеньевич, к.т.н., технический директор ООО «Архитектурная фотограмметрия», доцент кафедры картографии и геоинформатики СПбГУ
НАЗАРОВ Роман Алексеевич, ведущий специалист ООО «Архитектурная фотограмметрия»
КОРЖ Родион Сергеевич, главный геодезист ООО «Архитектурная фотограмметрия»
(Санкт-Петербург)
#КалибровкаСканера #ОшибкиСканирования #ТочностьНЛС #ЛазерноеСканирование #Геодезия #Метрология #МестоЗенита #Коллимация #ИсправлениеДанных #Leica #Faro #Trimble #ГеодезическоеОборудование
Программный комплекс ScanIMAGER предназначен для обработки результатов трехмерного лазерного сканирования применительно к архитектурным обмерам. Он построен по модульному принципу и поставляется в различных модификациях.