01精度評價現狀

三維捕捉行業還沒有建立一個用于估算或驗證移動激光掃描系統精度的統一標準。因此，需要高精度交付成果的專業人士很難相信設備所標注的精度規格，也就很難知道基于SLAM的移動激光掃描系統是否適合當前的項目。

NavVis將通過展示一種嚴格、可靠和基于測量的方法來驗證移動激光掃描系統產生的點云的準確性，從而解決這一問題。

02精度驗證基準點

評價測繪設備的精度時，通常與行業認可的高精度設備進行比較。本次實驗采用激光跟蹤儀作為參考系統，該系統專為亞毫米級精度的工業應用設計，數據平均偏差僅為0.08毫米。驗證過程要求測試儀器的精度是掃描儀本身的三倍，因此激光跟蹤儀的99.7%（3σ）參考測量值精度應高于NavVis VLX3的5毫米（1σ）精度。由于RAITEC的測量結果超出要求，因此這些參考數據可作為無誤的基準點。

03如何驗證移動激光掃描點云的精度

相對方法（無GCPs）

使用處理軟件在沒有地面控制點（GCP）的情況下完成點云的最終處理，從而省去將點云轉換為指定坐標系和優化軌跡的額外步驟。此時生成的點云缺乏參照，軌跡優化也不依賴于GCP提供的數據。

具體流程

在現場隨機分布43個棋盤式目標。

利用激光跟蹤儀對目標中心進行高精度測量。將任意兩目標中心作為一個目標對，計算這兩點之間的距離，一共產生903個距離值，以此作為參考值。

使用NavVis VLX 3掃描現場（不使用地面控制點），計算點云中所有目標對的點對點距離。

使用另外的11臺VLX3重復上一步驟，得到12個點云模型和其目標對中點對點距離測量值。

將每個點云中的點對點距離測量值與參考值進行比較，從而獲得偏差數據，進而說明未參照（相對）點云的精度。

絕對方法（GCPs)

使用GCP完成點云的后處理，將點云模型轉換到基準點坐標系。在此過程中，SLAM算法利用GCP的已知位置優化移動軌跡進而提升點云模型精度。

具體流程

使用與前述相對方法中相同的NavVis VLX 3原始數據，處理點云時采用激光跟蹤儀測量的GCP，確保與目標坐標系一致。

數據的精度驗證可以通過多種方式進行：

提取點云中每個棋盤式目標的中心坐標，并與參考坐標進行比較。

進行相對點云的比較，提取所有可能目標對中的點對點距離，并將結果與參考值進行對比。

確定控制點的影響

在驗證NavVis VLX 3成果點云的精度時，針對同一原始數據，分別進行了使用GCP和不使用GCP的兩種處理方法，這使得生成的最終點云具有可比性，我們可以量化使用GCP對點云精度的積極影響。

04評估NavVis VLX3精度的操作流程

1確定測試地點

測試地點為辦公樓的地下室，該地點墻壁堅固固定、環境溫度穩定、人流量極少、目標不太可能被破壞或磨損，在這里我們可以控制各種變量以獲得可重復的結果，是一個理想的測試環境。

2目標位置和分布

為創建可被激光跟蹤儀和NavVis VLX 3捕捉的參考標記，使用了標準為15厘米x15厘米的棋盤式目標，并在環境中隨機放置43個目標，每個目標用3毫米厚的DIBOND鋁板固定在墻上以防移動。

棋盤目標

用于精度估算的棋盤式目標位置

3掃描

操作員使用NavVis VLX 3掃描場景大約需12分鐘，過程包括捕捉全景圖像和GCP。該采集過程快速高效，4個不同的操作員使用12臺VLX 3,共掃描12次進行測試，以評估VLX3對不同操作員的準確性。

4目標和線條提取

使用三維數據處理軟件從目標中提取中心點。當技術人員選取接近目標中心的點時，軟件會使用可靠的行業標準算法計算出真正的中心點并提供坐標。

一共43個目標，任意兩點連成一條線段，我們可以提取出903條點對點線段。計算得出的目標之間的距離從10厘米到50米不等。

俯視圖 - 點距離線條

三維視圖 - 點距離線條

不同距離的線條數量

5檢查異常值

手動檢查距離測量值，剔除異常值或修改軟件操作誤差。

05驗證結果

相對方法（無GCPs）的結果

直方圖顯示每個點對點測量距離與參考值的偏差，其中紅線表示68%的誤差為3.1毫米，意味著68%的距離測量值與參考值的偏差在3.1毫米或以下；綠線表示NavVis VLX 3的5毫米精度，顯示87%的距離測量值與參考值的偏差在5毫米以內。

絕對方法（GCPs）的結果

在絕對方法中，我們使用NavVis VLX 3的GCP功能處理所有點云數據，值得注意的是，我們并沒有考慮操作員掃描時手動對準 GCP 的準確性和精確度，即便如此，NavVis VLX 3依然呈現了高精度的點云模型。

點對點比較：絕對點與參考點

下圖說明了點云中的目標中心與基準點的偏差程度。所有異常值均已去除。

在478個觀測值中，平均偏差為2.8毫米，中位數為2.5毫米。

各個NavVis VLX 3測得的目標中心的3D偏差

絕對方法中的測量距離與參考值的比較

直方圖顯示每個點對點測量距離與參考值的偏差，其中紅線表示68%的誤差為2.1毫米，意味著68%的距離測量值與參考值的偏差在2.1毫米或以下；綠線表示NavVis VLX 3的5毫米精度，顯示97%的距離測量值與參考值的偏差在5毫米以內。

06結論

經測試，所有12個NavVis VLX3 設備的性能均優于規格表中的說明。

即使不使用GCP，在這種測試環境中，68%（ ~1σ）的可信度下， 精度也可達到 3.2 毫米。下表匯總了上文描述的距離測量結果。

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