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系統識別號 U0026-2707202015121300
論文名稱(中文) 地面雷射掃描儀混合模式校正系統及系統性誤差分析
論文名稱(英文) Hybrid Calibration System and Systematic Error Analysis for Terrestrial Laser Scanners
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 測量及空間資訊學系
系所名稱(英) Department of Geomatics
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生(中文) 林烜生
研究生(英文) Hsuan-Sheng Lin
學號 P66084120
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 124頁
口試委員 指導教授-曾義星
口試委員-史天元
口試委員-徐百輝
口試委員-張智安
中文關鍵字 地面雷射掃描儀  地面光達  校正  系統性誤差 
英文關鍵字 Terrestrial Laser Scanner  Ground-based LiDAR  Calibration  Systematic Error 
學科別分類
中文摘要 三維雷射掃描儀可快速獲得高精度高密度地物表面點雲,建立三維空間資訊,近年來,廣泛地被應用於空間測繪領域,是一種創新的量測工具。雖然現今多數地面雷射掃描儀的觀測精度都遠優於使用者的需求,然而由於其全自動化的掃描觀測,實際上會影響地面雷射掃描儀精度的因子十分眾多,而各精度影響因子會透過誤差傳播而影響點雲坐標精度。若在儀器出廠前未經過嚴謹率定、儀器出廠後長時間未送回原廠檢修或儀器受外力碰撞等等其他因素下,日積月累造成儀器內部產生問題,將導致儀器掃描結果含有系統性誤差存在,進而影響儀器之觀測成果。
本研究參考了有關地面雷射掃描儀校正理論及方法之研究文獻,深入探討地面雷射掃描儀可能的誤差來源和相關改正參數,進而提出自率定法結合個別組件校正的混合模式校正理論。以混合模式為基準,先於室外標準基線場校正雷射測距,進而引入雷射測距改正參數於室內校正場的自率定校正方法。實驗設計針對7種不同的改正參數組合進行測試,共採用FARO S350、Trimble SX10與RIEGL VZ-400三款地面雷射掃描儀於國土測繪中心之校正場進行實地量測作業。
混合模式校正於室外標準基線場校正雷射測距時,FARO S350計算成果為加常數C = -0.0030 m,乘常數S = 137 ppm,校正前的觀測距離與標準距離之差異平均值為-3.1 mm,校正後的觀測距離與標準距離之差異平均值為0 mm;Trimble SX10計算成果為加常數C = -0.0028 m,乘常數S = 15 ppm,校正前的觀測距離與標準距離之差異平均值為1.7 mm,校正後的觀測距離與標準距離之差異平均值為0 mm;RIEGL VZ-400計算成果為加常數C = -0.0009 m,乘常數S = -2 ppm,校正前的觀測距離與標準距離之差異平均值為1.1 mm,校正後的觀測距離與標準距離之差異平均值為0 mm。以整體趨勢而言,測距校正成果均顯示使用加常數C與乘常數S來校正觀測距離能有效改善觀測距離精度。
混合模式校正於引入雷射測距改正參數於室內校正場的自率定校正方法時,根據實驗結果,加入系統性誤差改正參數的確能有效吸收觀測量中含有的誤差,對計算成果的標準偏差與均方根誤差有正面影響。7種不同的改正參數組合中以「簡易參數」測試組合改善最為顯著,而儀器針對同一測試組合之自率定模式、混合模式的改正參數計算成果不同,由於混合模式引入的雷射測距改正參數是以較嚴謹的個別組件校正計算得到,因此未來混合模式校正計算應採用「簡易參數混合模式」的形式。FARO S350於採用「簡易參數混合模式」校正之計算成果為STD Rho = ±0.0006 m,STD Theta = ±0.000455 rad,STD Alpha = ±0.000416 rad,RMSE X = ±0.0013 m,RMSE Y = ±0.0011 m,RMSE Z = ±0.0017 m;Trimble SX10於採用「簡易參數混合模式」校正之計算成果為STD Rho = ±0.0009 m,STD Theta = ±0.000707 rad,STD Alpha = ±0.000646 rad,RMSE X = ±0.0013 m,RMSE Y = ±0.0012 m,RMSE Z = ±0.0012 m;RIEGL VZ-400於採用「簡易參數混合模式」校正之計算成果為STD Rho = ±0.0009 m,STD Theta = ±0.000785 rad,STD Alpha = ±0.001179 rad,RMSE X = ±0.0042 m,RMSE Y = ±0.0035 m,RMSE Z = ±0.0087 m。從計算成果可發現,三款儀器之STD Rho值均符合儀器規格精度,但STD Theta和STD Alpha值均遠大於儀器規格精度,可能原因為室內距離太短,其中FARO S350及Trimble SX10 在XYZ軸向的RMSE值接近1 mm,符合其儀器規格精度,而RIEGL VZ-400 在XYZ軸向的RMSE值,遠大於其儀器規格精度,因此評估本研究使用之RIEGL VZ-400須送回原廠進行檢校。
三款儀器校正計算結果顯示應用本研究提出之方法來對地面雷射掃描儀進行校正與系統性誤差分析,的確可以為地面雷射掃描儀校正帶來正面的影響。使用者通過混合模式校正計算結果可以更謹慎地了解儀器目前量測品質,並可依計算結果評估是否該儀器需回原廠檢校以及是否符合實際掃描作業需求。
英文摘要 Terrestrial Laser Scanners (TLS) can quickly obtain high-density surface point clouds. In recent years, it has been widely used in the field of surveying. Although the accuracy of most TLS is far better than the needs, there are many factors that affect the accuracy of TLS, and they will affect the accuracy of point cloud data through error propagation. In order to ensure the quality of the TLS data, systematic errors should be properly calibrated before using it.
Based on the self-calibration method, a hybrid calibration method combining standard baseline field and indoor calibration field is proposed. In this study, the TLS of RIEGL, FARO, and TRIMBLE were used to test at the National Land Surveying Center (NLSC), and 7 systematic error models were tested to evaluate the systematic errors contained in TLS.
When using standard baseline field to calibrate rangefinder, the results show that using the addition constant C and the multiplication constant S to correct the observation can improve its accuracy. When using hybrid calibration method to evaluate the systematic errors contained in TLS, C and S are used in the self-calibration method, the results show that adding the calibration parameters can effectively absorb the errors contained in the observation.
By hybrid calibration method, users can more clearly understand the quality of the TLS, and can evaluate whether the instrument needs to be returned to the factory for inspection and whether it meets the scanning requirements.
論文目次 第一章 前言 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究方法與流程 4
1.4 論文架構 7
第二章 地面雷射掃描儀 9
2.1 地面雷射掃描儀種類及規格 9
2.2 地面雷射掃描儀觀測原理 13
2.2.1 掃描原理 13
2.2.2 掃描方式 14
2.2.3 坐標系統 18
2.3 地面雷射掃描儀誤差模式分析 21
2.3.1 隨機性誤差(Random Errors) 22
2.3.2 雜訊(Noise) 23
2.3.3 系統性誤差(Systematic Errors) 23
第三章 地面雷射掃描儀混合模式校正方法 25
3.1 校正概念 25
3.1.1 校正方法回顧 25
3.1.2 地面雷射掃描儀系統性誤差探討 26
3.2 校正方法 30
3.2.1 測距校正 31
3.2.2 自率定法 32
3.2.3 混合模式 33
3.3 數學模型 33
3.3.1 測距校正數學模型 33
3.3.2 自率定法數學模型 35
3.3.3 混合模式數學模型 37
第四章 校正程序與校正場設計 38
4.1 校正模式研提 38
4.2 校正程序 38
4.3 校正標設計 39
4.3.1 室外標準基線場校正標 40
4.3.2 室內校正場校正標 41
4.4 校正場設置與量測 43
4.4.1 室外標準基線場設置與量測 43
4.4.2 室內校正場設置與量測 46
4.5 系統性誤差數學模型測試組合 55
4.5.1 無附加參數 56
4.5.2 簡易參數自率定模式 56
4.5.3 簡易參數混合模式 57
4.5.4 物理參數自率定模式 58
4.5.5 物理參數混合模式 59
4.5.6 Lichti自率定模式 60
4.5.7 Lichti混合模式 61
4.6 校正計算程式 62
4.6.1 點雲萃取轉檔 63
4.6.2 點雲萃取轉檔管理 69
4.6.3 平差計算功能 70
4.6.4 平差計算管理 71
第五章 實驗成果與分析 73
5.1 進行測試之地面雷射掃描儀 73
5.2 測距校正測試成果 74
5.2.1 掃描成果 74
5.2.2 測距校正計算成果 79
5.3 混合模式校正測試成果 86
5.3.1 掃描成果 86
5.3.2 混合模式校正計算成果 90
第六章 結論與建議 119
參考文獻 122
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論文全文使用權限
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