NavVis是如何评估数据精度的？

2024-06-21 16:45:07 106阅读次数

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NavVis VLX作为移动扫描领域的标杆产品，其数据精度一直是客户关注的重点，今天我们就一起来看看NavVis是如何评估VLX的数据精度的。

评价一款测绘设备的精度时，我们总是将其与业内公认的更高精度的设备的测量值做比较，在传统测绘领域，全站仪是业内公认精度最高的设备；在三维激光扫描领域，架站式扫描仪（TLS）的数据被认为是高于移动式扫描仪的。那么我们就将全站仪和TLS的测量数据作为精度的参考基准，通过对比来评价VLX的扫描数据。

需要说明的是，移动扫描仪的数据精度与测量环境有关，所以声称某移动扫描设备达到了一个通用的精度是不负责任的。NavVis则通过不同的场景进行精度分析。

与全站仪的对比分析

早在2020年VLX 1发布之后，NavVis就对VLX 1在室内的扫描精度做了全面的分析，针对一个小型办公室场景，我们使用高精度全站仪测量并制作了CAD模型，然后在CAD模型中进行手动测量（在下方图中用黑色数字表示测量值），然后在点云模型中测量同一位置（在下方图中用蓝色数字表示测量值）；并标注两组数据的偏差（在下方图中用红色数字表示）。

考虑局部（一个房间内）精度时，如图1所示，在24个测量值中，22个测量值的偏差小于5mm；2个测量值的偏差在6-10mm之间。

图1 局部精度对比

考虑全局（多个房间或整体模型）精度时，如图2所示，7个测量值中，3个偏差小于5mm，2个偏差在6-10mm之间，2个在11-15mm之间。

图2 全局精度对比

表1统计了所有的测量值对比结果，这样的对比方式非常直观，在既有建筑的平面图制作或者模型创建时可以提供准确的尺寸参考。例如，如果建模人员根据点云建立了一个5米乘5米的房间模型，他们可以很有把握的说，这个模型的误差在5mm以内。

	相对精度局部点到点	绝对精度全局点到点
偏差小于5mm 的测量值数	22	3
偏差在6mm到 10mm的测量值数	2	2
偏差在11mm到 15mm的测量值数	0	2

表1 局部和全局测量分析表

然而，在点云和CAD模型中

手动测量的方式未能充分利用到所有的点

其测量值的数量较少

也就是说采样率较低

要知道，一个点云模型可是由

几千万到几亿甚至几十亿个点组成

我们能不能利用更多的数据

做更全面的分析呢？

当然可以！我们可以利用

与TLS的点云数据做云对云的对比

↓↓↓

与TLS的对比分析

室内场景

对比之前，我们有必要介绍一下TLS是如何表述精度的，当我们提到TLS的精度时，我们指的是单个位置离散测量值的精度。对于一个站点的扫描，TLS的规格表通常会提到与标准偏差相关的置信度，通常是1西格玛，即置信度为68%，有时是2西格玛，即置信度为95%。

我们可以举个例子来帮助大家理解，如果说标准偏差为5毫米，置信度为1西格玛或68%，这意味着在所有的测量结果中，68%的测量必须在5毫米的精度范围内。

在对VLX 1和VLX 2的精度分析中，均使用了业内领先的TLS对同一室内场景进行了扫描，本文中我们着重讲解VLX 2的精度分析方法。针对VLX 2扫描的同一个数据集，我们采取了两种不同的处理方式：

一种是使用控制点(CP)将点云注册到指定坐标系但是不做精度优化；

另一种使用控制点将点云注册到指定坐标系的同时优化了点云精度；

然后将TLS扫描的点云模型作为精度基准来进行全面的计算对比，对比结果代表了VLX 2的绝对精度。

在分别使用TLS和VLX 2对图3的办公室进行扫描获取点云模型后，我们使用一个内部工具对比点云模型。

图3. 办公室点云模型

图5表示了TLS点云与NavVis VLX 2点云之间偏差的累积分布情况。可以看到，在不使用控制点优化精度的情况下，68%的测量值是低于5.1mm的， 95%的测量值是低于12.9mm的；在使用了控制点优化精度后，68%的测量值低于4.5mm, 95%的测量值低于12.7mm。

图5

相比与手动的测量对比，点云与点云的对比更加全面，从图5的对比结果来看，以TLS的数据作为精度基准时，我们可以说：

在不使用控制点优化精度的情况下，VLX 2的绝对精度在68%的可信度下是小于5.1mm的；在95%的可信度下是小于12.9mm的。

在使用控制点优化精度后，VLX 2的绝对精度在68%的可信度下是小于4.5mm的；在95%的可信度下是小于12.7mm的。

绝对精度	不使用控制点优化点云	使用控制点优化点云
68%的测量偏差小于	5.1mm	4.5mm
95%的测量偏差小于	12.9mm	12.7mm

表 2

值得注意的是，在这样一个室内办公室场景中，即使不使用控制点优化，VLX 2的绝对精度与使用了控制点优化的精度也相差无几，所以我们有理由相信，在类似的环境中，NavVis VLX 2完全可以在无控制点的情况下为客户提高精度的数据。

室外场景

尽管VLX 2的设计初衷是数字化室内空间，随着技术发展和客户需求增加，VLX 2也针对室外环境优化了扫描算法，我们一起来看看其在室外扫描的精度表现，选择一个建筑的外立面，长31.3m,高20.3m。同样以高精度TLS扫描点云作为精度基准，与VLX 2扫描的点云做全局对比。结果如图7所示：

	绝对精度
68%的测量偏差小于	5.6mm
95%的测量偏差小于	12.2mm

图7 外立面全局点云对比

在扫描外立面时，越高的地方离扫描仪越远，获取的点数量越少，精度也随之下降。所以我们可以更深入地分析不同高度区间内VLX 2的精度表现。为了排除地面移动物体的干扰，我们将外立面分为三个高度区间，1.55m-7.8m，7.8m-14.05m, 14.05m-20.3m, 结果如下：

从分区的对比结果来看，VLX 2在外立面低区的精度与室内的扫描精度相当，在中区和高区略为衰减，这样的精度表现在移动扫描领域无疑是领先的，为既有建筑BIM建模提供坚实的基础。

本文介绍了NavVis在分析自身产品（VLX 1, VLX 2）精度时采用的分析方法和在不同场景下达到的精度。更多的分析细节，大家可以查阅NavVis官网提供的精度白皮书，今后，我们将继续对其他建筑环境进行研究测量，并从长远来看，我们将把这种精度评估的范围扩展到具有挑战性的户外场景，如森林、公园和人工结构较少的开放区域。

资料参考：

VLX 1 精度白皮书：NavVis VLX 1精度白皮书

VLX 2 精度白皮书：NavVis VLX 2精度白皮书

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