Разработка технологии получения электронных крупномасштабных планов - рефераты, скачать рефераты, бесплатно рефераты

Рефераты. Разработка технологии получения электронных крупномасштабных планов

аксимальные ошибки измерений не превышают заявленной производителем точности (6мм) для безотражательных измерений.

Для подробной информации об ошибках определения координат точек НЛС необходимо проанализировать непосредственно координаты, полученные с тахеометра, и координаты точек скана, приведенные в единую пространственную систему координат.

Для приведения координат мишеней, полученных в результате измерений с помощью лазерного сканера в систему координат тахеометра, использовалась наиболее общая формула перевода точек из одной системы координат в другую.

, где (2)

- координаты точки в системе координат тахеометра,

- координаты точки в системе координат лазерного локатора,

- коэффициент масштабирования системы координат тахеометра относительно системы координат лазерного локатора,

- матрица перехода от одной системы координат к другой,

- постоянная, отражающая сдвиг начала координат первой системы координат относительно второй.

Как видно из вышеприведенной формулы, для правильного перехода из системы координат тахеометра в систему координат сканера и наоборот необходимо знать 3 параметра. Нахождение этих коэффициентов делится на несколько этапов:

Рассматривая разность координат двух точек в обеих системах координат находится коэффициент масштабирования системы координат тахеометра относительно системы координат НЛС по каждой паре марок (t):

(3)

После нахождения коэффициентов по имеющимся данным, они усредняются:

(4)

Полученное в результате эксперимента значение масштаба равно 0,9997429, что позволяет говорить об очень низком влиянии этого параметра при дальнейших расчетах.

Нахождение матрицы перехода T.

Для нахождения матрицы перехода нужно рассмотреть систему двух уравнений:

(5)

Второе уравнение получается из предположения ортонормированности матрицы перехода T (т. к. системы координат, как тахеометра, так и лазерного локатора, прямоугольны).

Расписывая эти две формулы, получаем систему уравнений с 9-ю неизвестными - матрицей перехода от 1-й системы координат ко 2-й:

(6)

Складывая по 3 уравнения, получаем следующую систему уравнений:

(7)

Получив такие системы уравнений для каждой пары точек, можно получить переопределенную систему уравнений с девятью неизвестными - и, соответственно, найти решение данной системы.

Нахождение постоянной, отражающей сдвиг начала координат первой системы координат относительно второй

Для нахождения последней из неизвестных нужно вычесть из координат точек целей, полученных тахеометром, координаты, полученные ЛЛ, после поворота их по вычисленной матрице перехода.

(8)

Эту операцию следует провести для всех точек и найти среднее значение всех полученных результатов.

(9)

После нахождения всех неизвестных параметров становится возможным привести измерения лазерного сканера в систему координат тахеометра, найти и проанализировать отклонения в измерениях координат марок (рис.4).

Рис.4. График ошибок измерения координат НЛС, в зависимости от расстояния до марок.

Как видно из полученных отклонений, обнаруживаются некоторые постоянные ошибки измерений НЛС. Для их исправления необходимо найти корректирующие коэффициенты. Для нахождения корректирующих данных необходимо сравнить координаты марок, измеренные сканером, и координаты марок, измеренные тахеометром, приведенные в систему координат НЛС.

Из анализа принципа действия сканеров видно, что метрические характеристики изображений, получаемых с помощью НЛС, зависят от погрешностей измерения углов и расстояний. Углы измеряются одним инструментальным способом, поэтому координаты по осям X и Z, которые получаются угломером, будем считать связанными. Координаты по оси Y не зависят от координат по оси X и Z, т. к. они получаются путем измерения расстояния до точки лазерным дальномером.

Установлено, что для качественных коэффициентов преобразования для осей X и Z достаточно полинома 2-го порядка (9,10).

?Xi = Xi'-Xi~ = a0 + a11X + a12 Z + a21X2 + a22XZ + a23 Z2 (10)

?Zi = Zi'-Zi~ = b0 + b11Z + b12 X + b21Z2 + b22XZ + b23 X2 (11)

Для калибровки дальномерных измерений по оси Y необходим полином более высокой, 3-ей степени. Для его нахождения достаточно 4-х координат.

?Yi = Yi'-Yi~ = c0 + c1Y + c2Y2 +c3Y3 (12)

При решении систем уравнений получаются коэффициенты, позволяющие вводить поправку в координаты точек, получаемые непосредственно с НЛС. Сравнение откорректированных значений координат с исходными в проводимом эксперименте показало разницу до 2 мм, что позволяет рекомендовать применение данного математического механизма на практике при необходимости высокоточных измерений.

Для автоматизации анализа использовалась созданная программа ”L_tochnost” (рис.5). В ней определяются параметры связи двух пространственных систем координат - сканера и тахеометра - по файлам, содержащим измерения координат марок. Программа определяет уклонения координат сканера от рассчитанных по найденным параметрам, считает корректировочные коэффициенты для данных НЛС и пересчитывает исходные данные.

При вводе данных в программу, помимо файлов с координатами мишеней, необходимо указывать следующие параметры:

Разделитель точек (Point Separator) - символ, разделяющий координаты точек;

Десятичный разделитель (Decimal Separator) - символ, разделяющий целую и дробную часть;

Так же в программе есть дополнительные настройки, созданные для облегчения восприятия получаемой информации:

Единицы измерений - в каких единицах будет показываться получаемое расстояние между точками;

Ошибка - в каких единицах будет показывать разность расстояний.

Рис.5 Окно программы ” L_tochnost”

Вышеописанная технология определения ошибок и корректировки измерений позволяет узнавать истинную точность измерений каждого отдельно взятого НЛС и определяет возможность использования того или иного сканера для получения данных для создания планов требуемого масштаба. Период времени между требуемыми проверками НЛС зависит от многих факторов (интенсивности использования НЛС, видов транспортировки, ее дальности и т.п.).

После нахождения корректирующих коэффициентов можно приступать непосредственно к съемке объекта. До начала съемки необходимо продумать такое расположение точек стояния лазерного сканера, чтобы соседние сканы перекрывались на площади не менее нескольких метров, и расположить в местах перекрытия специальные марки, которые позволят сшить сканы с максимальной точностью. Если результаты работы необходимо представить в единой геодезической системе координат, то желательно определить геодезические координаты этих марок с помощью GPS или других приборов.

Основные условия размещения марок:

* количество марок для каждой пары соседних сканов должно быть не менее трёх;

* марки не должны лежать в одной плоскости;

Также существует особенность установки лазерного локатора, связанная с его устройством.Т. к. дальномерный узел по своим характеристикам точнее угломерного, то и располагать сканер следует под как можно большим углом к поверхности сканируемого объекта. Этим будет снижено влияние угломерной части.

С целью обеспечения наиболее высокой точности сканирования необходимо выполнить прогрев лазерного сканера в течение времени, установленного производителем, который позволит вывести сканер на максимально стабильный режим работы, и ввести параметры атмосферы (температуру и давление).

Процесс сканирования никаких сложностей не представляет и зависит только от используемого программного обеспечения. Но в любом случае на экране портативного компьютера нужно выделить тем или иным способом область сканирования на предварительно получаемом с помощью фото - или видеокамеры, входящей в состав НЛС, изображении, указать параметры сканирования и запустить процесс съемки.

Плотность точек на поверхности снимаемого объекта определяется следующими параметрами сканирования: задаваемым количеством измеряемых точек и расстоянием до объекта.

В результате съемки лазерным сканером получается несколько облаков точек. Для того чтобы измерить сложный инженерный объект полностью, его нужно отсканировать со всех сторон. После уравнивания (объединения) всех облаков точек в единое геометрическое пространство получается единое описание объекта съемки.

Регистрация (или сшивка) представляет собой уравнивание данных сканирования с разных станций, в единую систему координат. Существует несколько методов сшивки:

* сшивка по специальным плоским маркам-отражателям (расклеиваются на объекте и сканируются отдельно во время полевого этапа);

* сшивка по маркам-сферам (аналогично плоским маркам);

* сшивка по характерным точкам (не требует на полевом этапе использования марок вообще);

* автоматическая подгонка (программный способ сшивки, когда итерационный алгоритм смещает один скан относительно другого и находит оптимальное положение по минимальному расстоянию между точками этих сканов);

* геопривязка (позволяет привязать каждый скан или все измерения в заданную систему координат).

Для построения крупномасштабных планов оптимальным является первый способ. Хотя, в отличие от сшивки по характерным точкам, он требует дополнительной работы в поле (развешивания и последующего собирания марок), сшивка по специальным плоским маркам-отражателям дает большую точность сшивки, а также уменьшает время камеральных работ. Сшивка методом автоматической подгонки или по характерным точкам мало подходят для высокоточных измерений из-за влияния вероятностного расположения исходных точек сканирования, не позволяющая точно проконтролировать результаты сшивки, но это единственные методы сшивки, которым можно воспользоваться в случаях съемки объектов, размещение светоотражающих марок на которых не представляется возможным или связано с большими трудностями. Например, при съемке воздушного газопровода, свода крыши и т.д.

Для оптимизации количества точек в облаке следует провести фильтрацию облаков точек. Наиболее часто используются 2 метода фильтрации:

* Фильтрация вылетевших точек. Метод основан на нахождении одиноких или групп точек, находящихся на большом расстоянии от оставшегося облака точек. Выполняется в автоматическом режиме. Для запуска процедуры необходимо указать максимальное количество точек в группе, которая может быть признана вылетевшей, а также минимальное расстояния от вылетевшей группы до ближайшей точки оставшегося облака точек.

* Прореживание облака точек. Метод основан на нахождении точек, находящихся на расстоянии меньше определенного от соседних точек. Выполняется в автоматическом режиме. Для выполнения этой задачи необходимо указать минимальное расстояние между соседними точками (Рис.6).

Рис.6. Фильтрация облака точек.

Перед передачей в CAD-программы сшитые откалиброванные облака точек необходимо обработать. Эти работы можно производить в программном обеспечении Cyclone, которое позволяет оперативно обрабатывать сотни миллионов точек, благодаря системе управления Уровнем Детализации (Level of Detail) отображаемой графической информации.

Существует программный инструментарий, позволяющий выделить слой точек, лежащих в определенном сечении облака точек и на заданном расстоянии от него. По результатам отфильтрованного облака точек, лежащего в таком слое, можно получить векторные изображения объектов, спроецировав оставшиеся точки в плоскость сечения и соединив соседние точки отрезками прямых.

Полученное векторное изображение объектов дорабатывается до получения планов с отображением конструкций, расстановкой размеров и нанесением иной технической информации в условных обозначениях, принятых в технической инвентаризации в CAD-программах (рис.7).

Рис.7 План специального назначения вестибюля радиальной станции “Проспект Мира”, построенный по измерениям НЛС.

Выводы и основные результаты

Предложена полная технология проведения работ по получению высокоточных планов сложных инженерных сооружений с применением НЛС. Практическое применение разработанной технологии лабораторией ГИС-технологий кафедры ВТиАОИ МИИГАиК, продемонстрировало ее высокую эффективность. В процессе работы разработаны и исследованы следующие методики и технологии:

методика исследования точности НЛС;

методика калибровки данных НЛС, основанная на получении корректировочных полиномов для координат точек, измеренных лазерным сканером. На основе предложенной методики выполняется корректировка данных при полевых высокоточных работах;

методика проведения высокоточной съемки сложных инженерных сооружений с применением наземного лазерного сканера;

технология получения высокоточных крупномасштабных планов специального назначения по данным наземной лазерной локации.

Разработана программа, позволяющая автоматизировать процесс определения метрических характеристик данных, получаемых наземными лазерными сканерами и их корректировки.

Публикации по теме диссертации

Журкин И.Г., Волкович Е.В., Жигалов К.Ю. Обновление картографического материала с помощью данных, полученных методом лазерной локации // Журнал геодезия и картография - Москва, 2007, №5 - с.35-37.

Журкин И.Г., Волкович Е.В., Жигалов К.Ю. Технология обработки данных лазерной локации для получения крупномасштабных планов сложных инженерных сооружений // Материалы международного промышленного форума GEOFORM+ Москва, 2007 - с. 20.

Журкин И.Г., Волкович Е.В. Факторы, влияющие на точность измерений лазерного локатора // Материалы X международной научно-практической конференции "Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологий для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости - Китай, 2006 - с.21-26.

Журкин И.Г., доцент Кавешников М.Б., аспирант Волкович Е.В. Исследование и разработка методов лазерного сканирования и ГИС-технологий для координатной привязки объектов съемки городских и урбанизированных территорий // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава "МИИГАиК - 227" - Москва, 2006 - с.27.

Журкин И.Г., Жигалов К.Ю., Волкович Е.В. Применение лазерных технологий для создания 3d-модели архитектурной композиции "Золотые комнаты МИИГАиК // Материалы всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи - Москва, 2005 - с.34.

Страницы: 1, 2