Novinky zeměměřické knihovny č. 5/2006

Klíčová slova: kalibrace dálkoměru, laserový skener

Abstrakt: Článek popisuje metodu kalibrace dálkoměrů pozemních laserových skenerů, využívající kalibrační základnu pro elektrooptické dálkoměry. Metodika popisuje observační schéma, design cílů, observační techniku, redukce měření a model opravy z kalibrace. Jsou předloženy výsledky testování pěti různých skenerů.

Úvod

Pozemní laserové skenery (TLS) jsou v současné době významným zdrojem dat v informačním průmyslu, především v oblasti mapování kulturního dědictví, měření dolů a zaměřování skutečného provedení stavby. Jejich nasazení se rozvíjí ruku v ruce s vývojem jejich technologie. Současný rozvoj Výzkumného centra pro prostorové informace (CRC-SI), společná iniciativa australské vlády, průmyslových podniků a akademické obce, otvírá prostor pro aplikace TLS v projektu Zobrazování metrických informací. Spolupráce mezi průmyslovými a akademickými partnery na tomto projektu odkryla okamžitou potřebu zjistit, zda jsou používané systémy TLS kalibrovány před nasazením v terénu. Tak či onak, v oblasti přesné kalibrace TLS bylo publikováno velmi málo výzkumných zpráv a technologie provedení této úlohy nebyla dosud zpřesněna.

Tento článek popisuje metodiku kalibrace dálkoměrů pozemních laserových skenerů. Tento proces byl vylepšen pro komerční účely a je demonstrován na pěti skenerech: Leica HDS2500 (Leica Geosystems, 2005), dva exempláře Riedl LMS-Z210 (Riedl, 2005), Leica HDS3000 (Leica Geosystems, 2005b) a Mensi GS200 (Mensi, 2005). Následující odstavec stručně vysvětlí metodiku kalibrace a předloží analýzu výsledků.

Metodika

Mezi kalibrací totální stanice a metodou, vyvinutou pro laserový skener je několik drobných rozdílů. Hlavní odlišnosti leží v podobě observačního schématu (1), podobě cílů (2), observační techniky (3), redukci měření (4) a modelu korekcí (5). Všechny testy byly prováděny na základně pro kalibraci elektronických dálkoměrů na Curtin University. Základna se skládá z dvanácti pilířů rozestavěných v přímce o délce 583 m. Více o základně je na stránkách Western Australian Department of Land Information (www.dli.wa.gov.au).

Metodika kalibrace zahrnuje umístění skeneru na pilíř na konci základny. Cíl je umístěn na sousedním pilíři a je naskenován. Dále je měřena teplota a tlak vzduchu a výška přístroje a cíle. Po sběru dat se cíl přesune na další pilíř podle observačního schématu a proces se opakuje.

Observační  schéma

Během procesu kalibrace je cíl přesouván po pilířích podél celé základny. Většinou je více než 10 cílů skenováno ze vzdálenosti od několika metrů po maximální zobrazovací vzdálenost. Zpravidla více než deset měření bylo provedeno v pravidelných intervalech od 2,5 m až po 260 m.

Podoba cílů

Tvar cílů je důležitý faktor kalibrace laserových skenerů. Není doporučeno používat klasické koutové odražeče, používané v geodezii, jelikož jejich vysoká odrazivost způsobuje chyby při měření vzdálenosti, jako „záření“ (flaring) a „rozkvetení“ (blooming). Záření způsobuje chyby v délce, pozorované předměty se jeví příliš blízko (Lichti a Gordon, 2004). Rozkvetení způsobuje, že se cíl zdá mnohem větší, než je jeho skutečná velikost (Lichti et al., 2000).  Je tedy radno používat cíl s difúzním povrchem. Takto byl také zkonstruován cíl pro měření na základně. Jedná se o hliníkový plát o rozměrech 500 mm x 500 mm, natřený bílou matnou barvou. Deska je připevněna ke standardní trojnožce a jeho odsazení bylo změřeno posuvným měřítkem. Někteří výrobci skenerů, vyrábějící i cíle pro laserové skenery (např. Leica), používají pro své cíle odrazivý materiál, který lze automaticky identifikovat v dodávaném softwaru. Proto je doporučeno používat pro kalibraci originální cíle od výrobce.

Observační technika

Každý cíl je skenován při středním až nízkém rozlišení a skenované body jsou redukovány na těžiště. Například, pro test uvedeného cíle je třeba změřit 20 x 20 bodů po jeho ploše. Je důležité brát v úvahu fakt, že není nutné pořizovat skeny všech cílů v nejvyšším rozlišením, což je časově náročné. Jednotlivé skeny při vysokém rozlišení mohou trvat až 10 min. Metodika, popsaná v tomto článku, dovoluje technikovi zvládnout polní práce během dvou hodin, v závislosti na typu přístroje i během hodiny, a to bez omezení přesnosti kalibrace. Pří zpracování několika stovek měřených bodů lze ukázat, že drobné chyby v těžišti cíle nezpůsobí významné chyby ve vodorovné vzdálenosti,  a to díky tomu, že poměr vzdáleností a chyb v těžišti je velmi vysoký.

Redukce měření

Totální stanice se při měření orientuje na střed cíle, zatímco laserový skener skenuje objekty v zadaném úhlovém intervalu a střed cíle musí být odvozen z mračna bodů. Střed mračna je vypočítán jako průměr souřadnic všech skenovaných  bodů. Šikmá délka je pak zjištěna jako vzdálenost mezi nulovým počátkem skeneru a vypočítanými souřadnicemi středu cíle. Převýšení, použité pro redukci šikmé vzdálenosti na vodorovnou, je vypočítáno jako rozdíl výšek pilířů.

Model korekcí

Současnou metodou kalibrace dálkoměrů jsou odhadovány dvě systematické chyby. A to měřítkový faktor (1) a odsazení počátku (e). Druhá chyba je též známá jako nulová chyba. Následující rovnice vyjadřuje vztah měřené délky (d₀), měřítka (l), odsazení počátku (e) a opravené délky (d_c) a představuje model pro korekci naměřených hodnot použitím odhadnutých parametrů. Parametry jsou určovány pomocí metody nejmenších čtverců.    (1).

Pro přístroj, který nemůže být umístěn na pilíř (jako např. HDS2500), je vynecháno odsazení počátku. Dále je nutné zjistit chybu měřítka srovnáním dvou cílů pro tyto přístroje.

Výsledky

Bylo testováno pět pozemních laserových skenerů, výsledky jsou uvedeny v tabulce. Pokud to bylo možné, bylo zjišťováno měřítko a odsazení počátku. Z dříve uvedených důvodů nebylo odsazení počátku zjištěno u HDS2500 a MensiGS200. Přesnost výsledků je charakterizována střední kvadratickou chybou a počtem měření. Všechna surová měření byla z důvodu porovnání redukována na stejnou teplotu a atmosférický tlak. Měřičům v praxi se doporučuje používat příslušný software k obsluze skeneru a pokud je to možné, generovat atmosférické korekce již při vlastním měření. Ve výsledcích výrazně vystupuje měřítkový faktor 156 ppm skeneru HDS2500. Tomu odpovídá 7,8 mm na vzdálenost 50 m (maximální měřitelná vzdálenost tohoto skeneru). Není známo, zda jiný přístroj stejného typu vykazuje stejnou chybu. Každopádně je to výrazný signál pro uživatele laserových skenerů, že je vhodné kontrolovat jejich přesnost pomocí přesné kalibrace.

Výrobcem uváděný měřítkový faktor skeneru Riedl činí 20 ppm, což je velmi podobné skutečným hodnotám pro oba testované přístroje LMS-Z210. Oba tyto přístroje však vykazují rozdílné odsazení počátku.

Závěr

Autoři zamýšlejí zlepšit přesnou kalibraci vyvinutím metody kalibrace úhlového měření. Curtinova univerzita provedla několik testů za použití vnitřní a vnější fotogrammetrické kalibrace, ale je třeba provést další pozorování. Více detailních popisů testování a metodiky, zde popisované, lze získat po dotazu na autory článku. Kalibrace je prováděna též na jiných základnách v Austrálii, usiluje se o vytvoření průvodce pro operátory skenerů.

Tabulka 1.   Výsledky vyrovnání systematických chyb pomocí MNČ;