三维激光扫描作业中测量精度影响因素及控制措施.pdf
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1、*国家自然科学基金项目(编号:52074010,51904008)。朱尚军(1995),男,助理工程师,230000 安徽省合肥市。三维激光扫描作业中测量精度影响因素及控制措施*朱尚军1岳迅1李世保2(1.安徽省地质测绘技术院;2.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院)摘要分析三维激光扫描作业中测量精度影响因素及控制措施,有助于提升测量质量,对测量结果合理化与规范化有重要意义。以检校场为例,采用中海达HS-650扫描仪进行了实地测量,讨论了其内外符合精度,并从扫描目标不等高、扫描距离、点云密度等方面分析了扫描仪对测量结果精度的影响。结果表明:扫描目标不等高不影响测量结果精度;目标物的扫描距离与点
2、云密度和测量精度成正相关。在此基础上,联系实际应用案例进一步讨论了三维激光扫描精度控制措施,验证了三维激光扫描技术在煤矿区变形监测的实用性与可行性。关键词开采沉陷三维激光扫描技术形变提取安全评价DOI:10.3969/j.issn.1674-6082.2023.08.010The Influencing Factors and Control Measures of Measurement Accuracyin 3D Laser Scanning OperationZHU Shangjun1YUE Xun1LI Shibao2(1.Anhui Institute of Geological S
3、urveying and Mapping Technology;2.School of Spatial Information andSurveying and Mapping Engineering,Anhui University of Science and Technology)AbstractAnalyzing the influencing factors and control measures of measurement accuracy in three-dimensional laser scanning operation is helpful to improve t
4、he measurement quality and is of great significance to the rationalization and standardization of measurement results.Taking the calibration field as an example,the Zhonghaida HS-650 scanner was used for field measurement,and its internal and external coincidence accuracy was discussed.The influence
5、 of the scanner on the accuracy of the measurement resultswas analyzed from the aspects of unequal height of the scanning target,scanning distance and point clouddensity.The results show that the unequal height of the scanning target does not affect the accuracy of themeasurement results,the scannin
6、g distance of the target is positively correlated with the point cloud densityand measurement accuracy.On this basis,the accuracy control measures of 3D laser scanning are further discussed in combination with practical application cases,and the practicability and feasibility of 3D laserscanning tec
7、hnology in deformation monitoring of coal mine areas are verified.Keywordsmining subsidence,3D laser scanning technology,deformation extract,evaluation ofsafety总第 652 期2023 年 8 月第 8 期现代矿业MODERN MININGSerial No.652August.2023三维激光扫描技术在古建筑修复、虚拟现实、古文物的修复与保护等领域有着广泛的应用1。因为其高密度、自动化、无接触式等优势迅速成为开采沉陷与变形监测领域研究
8、的热点之一;其克服了传统工程测量中工作量大,观测站易丢失,观测周期长等缺陷,成为我国开采沉陷与防治体系和技术领域不可或缺的一项技术1-2。三维激光扫描技术实现了开采沉陷领域从点状与线状数据跨越到面状三维数据的实质性进步;在煤矿沉降区实时监测过程中该技术可以无接触实时监测整个煤矿区沉陷盆地的三维43现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期数据,实现了高速有效地收集测量数据资料,为煤矿区安全生产与地表建筑物的采动损害评估与防治提供保障。传统的水准测量技术最早起源于19世纪,随着测量仪器的成熟与发展后续成功将全站仪与GPS技术、无人机技术、InSAR技术与三维激光扫描技术引入到我国开采
9、沉陷与变形监测体系中1-3。王磊等2提出了一种基于概率积分法辅助的开采沉陷三维激光扫描监测方法,构建了基于QPSO的3DLS-PIM模型参数求解方法,实现了概率积分法与三维激光扫描技术的相结合。吴侃等3提出了利用三维激光扫描技术获取房屋的特征线,从而判断房屋是否存在变形。戴华阳等4利用三维激光扫描技术提取了煤矿区地表建筑物形变量,并分析了该技术满足工程应用精度。李强等5通过两期三维激光扫描测量结果做差求出煤矿区下沉值。朱尚军等6-7结合量子粒子群算法构建了基于三维激光扫描技术的煤矿区地表建筑物采动损害评估方法。三维激光扫描技术已经成为我国开采沉陷与变形监测领域不可或缺的技术之一1-5。本文系统
10、讨论了三维激光扫描仪技术在测量应用中的精度影响因素,通过中海达HS-650扫描仪在检校场进行了检校试验,讨论了其内外符合精度,并从扫描目标不等高、扫描距离、点云密度等方面分析了扫描仪对测量结果精度的影响。1三维激光扫描技术的基本原理三维激光扫描仪通过点云信息识别物体并赋予其空间三维坐标信息;物体的三维信息是相对于三维激光扫描仪的相对坐标,后续经过点云的处理与坐标转换可得到物体的绝对坐标。三维激光扫描仪的坐标系统如图1所示。物体点云三维坐标信息中P(x,y,z)点的坐标计算公式为x=Scoscosy=Scossinz=Ssin,(1)式中,x,y,z为点P的三维坐标;S为P点至坐标原点O点的距离
11、;为纵向扫描角度;为横向扫描角度。2三维激光扫描技术的测量结果精度影响因素分析三维激光扫描技术在测量应用中主要的误差来自于数据采集、点云数据处理与仪器本身的误差1。目前的点云数据处理技术已经较为成熟8-12,但针对于仪器本身的误差及点云数据采集过程存在的误差讨论较少,故此本文主要从扫描目标不等高、扫描距离、点云密度等方面分析了扫描仪对测量结果精度的影响。2.1检校场概况由于检校试验包括点云密度以及目标物的扫描距离对测量结果的影响等实验,故此要求检校场地足够空旷,不会对试验结果造成干扰。针对上述问题,本研究将检校场设立在安徽理工大学北门广场,该场地人流量少,对检校试验影响较小。采用了直径为72.
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