Pelagia GAWRONEK, Maria ZYGMUNT, Bartosz MITKA

Transkrypt

1 Pelagia GAWRONEK, Maria ZYGMUNT, Bartosz MITKA EPISTEME 26/215, t. II s.33 4 ISSN PROPOZYCJA TESTOWANIA DOKŁADNOŚCI METROLOGICZNEJ NAZIEMNEGO SKANERA LASEROWEGO Z+F 51 W WARUNKACH LABORATORYJNYCH PROPOSAL OF TESTS THE ACCURACY OF TERRESTRIAL LASER SCANNER Z +F 51 IN LABORATORY CONDITIONS Streszczenie. Naziemny skaning laserowy (Terrestrial Laser Scanning - TLS) coraz częsciej wykorzystywany jest jako jedna z metod pomiarów geodezyjnych. Poza tworzeniem trójwymiarowych modeli przestrzeni, numerycznych map zagospodarowania terenu, geodeci coraz częsciej stosują naziemne skanery laserowe jako urządzenia zdalnie pozyskujące informacje na potrzeby geodezji inżynieryjnej. Zagadnienie zastosowania TLS w pomiarach inżynierskich wymaga jednak określonych dokładności i niezawodności pomiarowych. Autorzy zainspirowani treścią normy VDI/VDE 2634 przeprowadzili testy dokładności metrologicznej naziemnego skanera laserowego Z+F 51, wyznaczając błąd wskazania długości. Abstract. Nowadays, terrestrial laser scanning is increasingly used as a method of surveying. In addition to creating three-dimensional models of space, numerical maps of land, surveyors are increasingly being used terrestrial laser scanners as a remote devices that obtain information for engineering geodesy. The problem of the use TLS in the measurement of engineering geodesy requires a certain accuracy and reliability of measurement. The authors inspired by the content of VDI / VDE 2634, done metrology accuracy tests of terrestrial laser scanner Z + F 51, setting error of the length. 33

2 WSTĘP 34 Pelagia Gawronek, Maria Zygmunt, Bartosz Mitka Dokładność chmury punktów pozyskana w wyniku naziemnego skanowania laserowego zależy od różnorodnych czynników: odległości od obiektu, kąta padania wiązki lasera, właściwości odbijających mierzonego obiektu, warunków środowiska [3], [4], [7]. Dla odpowiednio kalibrowanych urządzeń pomiarowych odległość od obiektu, kąt padania wiązki lasera oraz rodzaj powierzchni mierzonego obiektu determinują przestrzenny rozkład błędów chmury punktów [6], [8]. Błędy rosną wraz ze wzrostem odległości skaner - skanowany obiekt oraz wzrostem kąta padania wiązki lasera. Podczas wykonywania prac geodezyjnych związanych z kontrolą zgodności powierzchni obiektu (mostów, tuneli) pozyskanych w ramach okresowych pomiarów w technologii TLS z powierzchniami teoretycznymi [5], zauważa się tendencję do przyjmowania założeń, że chmury punktów są wolne od błędów lub, że ich błędność odpowiada wartościom nominalnym błędów podawanych przez producenta. To założenie może prowadzić do błędnych wniosków na temat jakości pomiarów TLS. Badania nad dokładnością metrologiczną naziemnego skanera laserowego firmy Z+F stanowią treść cyklu artykułów, których tematyka poświęcona jest zastosowaniu interpretacji normy VDI/VDE 2634 dla naziemnych skanerów laserowych. W dotychczas opublikowanym opracowaniu autorzy zaprezentowali wyniki analizy odchyłki sferyczności. Wyniki badań wykazały zależność pomiędzy wielkością odchyłki sferyczności, a parametrami pomiaru skanera Z+F 51. Wskazano także na duże powiązanie pomiędzy odległością wzorca sferyczności od stanowiska skanera, a wartością odchyłki. Zależność najlepiej ukazała wykładnicza linia trendu [1]. Propozycja testowania dokładności metrologicznej naziemnego skanera laserowego w warunkach laboratoryjnych, wynikająca z treści normy VDI/VDE 2634 wymagała - poza wyznaczeniem odchyłki sferyczności - sprawdzenia stopnia niezawodności odtworzenia długości przyjętego wzorca. Autorzy artykułu dokonali analizy dokładności odtworzenia długości odcinków łączących kolejne kule referencyjne, wyznaczając błąd wskazania długości dla każdej z serii pomiarowych skanera Z+F 51. Analiza korelacji pomiędzy wyznaczonym błędem, a zróżnicowanymi warunkami badań pozwoliła sformułować wnioski dotyczace niezawodności wyznaczenia długości wzorców w warunkach

3 PROPOZYCJA TESTOWANIA DOKŁADNOŚCI METROLOGICZNEJ... laboratoryjnych. MATERIAŁY I METODY Błąd wskazania długości ( d ij ) jest parametrem, który służy do sprawdzenia prawidłowego odtwarzania długości przez skaner: d i- j = dt ij ds. Zgodnie z treścią normy VDI/VDE 2634 jest to różnica ij między wartością długości otrzymaną w wyniku pomiaru naziemnym skanerem laserowym (d s), a wartością rzeczywistą ij (dt) (dystansem ij między kulami referencyjnymi) [9]. W celu wyznaczenia błędu wskazania długości dokonano szeregu pomiarów w technologii TLS oraz z zastosowaniem tachimetrii. Testy przeprowadzono w laboratorium sprzętu geodezyjnego budynku Wydziału Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Poddawany testom dokładności metrologicznej naziemny skaner laserowy Z+F 51, pozwolił na wykonanie pomiarów przy założeniu predefiniowanych przez producenta wartości: jakości pomiaru oraz jego rozdzielczości. Jakość pomiaru to algorytmy redukcji szumów pomiarowych podczas trwania pomiaru [2]. Rozdzielczość to zdolność urządzenia do wykrywania, rozróżniania, pomiaru i rejestracji informacji o szczegółach obiektu przy uwzględnieniu odpowiedniego zasięgu i w polu widzenia skanera. [2]. Oferowane przez skaner tryby rozdzielczości oraz jakości pomiarów przedstawia Tab.1. Do wyznaczenia błędu wskazania długości wykorzystano kule referencyjne (o dużej wartości współczynnika albedo), które umieszczono na słupach z urządzeniem do wymuszonego centrowania w laboratorium geodezyjnym. Pomiary kul referencyjnych wykonano w 7 seriach (Tab.1) w celu sprawdzenia wpływu odpowiednich, predefiniowanych parametrów skanowania na wartość charakteryzowanego błędu wskazania długości. Po uzyskaniu serii chmur punktów, w programie Cyclone 9. przeprowadzono modelowanie kul referencyjnych korzystając z funkcji Fit to Cloud - Sphere, opartej na metodzie najmniejszych kwadratów. Podczas modelowania otrzymano współrzędne środków ciężkości referencyjnych obiektów, które jednoznacznie definiowały końce odcinków podlegających pomiarowi. Środki ciężkości posłużyły do wyznaczenia długości odcinków pomiędzy odpowiednimi kulami. Długość teoretyczną badanych odcinków obliczono z wyznaczonych 35

4 Pelagia Gawronek, Maria Zygmunt, Bartosz Mitka Tab. 1 Programy skanowania oferowane przez skaner Z+F 51; (* - serie pomiarowe wykonane w ramach badań) [1] Jakość low normal high premium Pixel/36 pion & poziom Dostępne parametry skanowania preview 1, :26 min low 2,5 :26 min :52 min * 1:44 min --- middle 5, :52 min * 1:44 min 3:22 min * 6:44 min * high 1, 1:44 min 3:22 min * 6:44 min 13:28 min super high 2, 3:28 min 6:44 min * 13:28 min* 26:56 min ultra high 4, :28min 26:56 min 53:2 min extremely high 1, : min 162: min --- Rozdzielczość tachimetrycznie współrzędnych centrów słupów, nad którymi zostały zamocowane kule referencyjne. Na podstawie teoretycznych oraz praktycznych długości odcinków obliczono błąd wskazania długości. W celu standaryzacji wyników błędu wskazania długości, pozyskanych dla zróżnicowanych warunków pomiaru oraz różnorodnych wzorców pomiaru długości przeprowadzono dwie analizy statystyczne. Pierwsza z nich polegała na badaniu zależności pomiędzy: sumaryczną odległością skanera do każdego z końców wzorca długości D, a wielkościami błędów wskazania długości d ij. Analiza statystyczna polegała na obliczeniu współczynnika korelacji r-pearsona pomiędzy dwoma zbiorami zmiennych. Zbiór niezależny - przyczyn, stanowiły odległości sumaryczne: stanowisko skanera - końce wzorca długości; zbiór zależny - skutków stanowiły natomiast wyniki błędów wzorców długości. Analizy dokonano dla każdej, z siedniu serii pomiarowych. Druga statystyka polegała na badaniu zależności pomiędzy parametrami: jakości i rozdzielczości serii pomiarowych (zbiór niezależny - przyczyn), a wielkością błędu wskazania długości (zbiór zależny - skutków). Dla wyznaczenia zależności korelacyjnych pomiędzy zmiennymi jakościowymi i ilościowymi obliczono współczynnik korelacji rang rho Spearmana. 36

5 PROPOZYCJA TESTOWANIA DOKŁADNOŚCI METROLOGICZNEJ... WYNIKI I DYSKUSJA Wartości błędu wskazania długości, obliczone dla czternastu wzorców długości osiągnęły w przeważającym stopniu wartości milimetrowe lub submilimetrowe (Tab. 2). Błędy wskazania długości dla wzorców 8., 9. przekraczały znacznie wartości średnie błędów, nie uwzględniono ich więc w analizach statystycznych. Z analiz statystycznych wynika (Tab. 3), że współczynniki korelacji pomiędzy sumaryczną odległością skanera od skanowanych końców wzorca długości D, a parametrami błędów wskanaznia długości stanowiły wartości dodatniej korelacji z przedziału od.2 do.33. Po przeprowadzeniu testu t na istotność statystyczną współczynnika korelacji dla każdej z siedmiu serii pomiarowych wykazano z prawdopodobieństwem 95%, że hipoteza zerowa, zakładająca, iż zależność badanych cech jest nieistotna statystycznie jest prawdziwa. Oznacza to, że odległość skanera od skanowanego wzorca długości D nie miała wpływu na wartość błędu wzorca długości. Prawdopodobnie było to konsekwencją bliskich odległości: stanowisko skanera - skanowany obiekt, sięgających maksymalnie 3 m. Producent testowanego skanera Z+F 51 gwarantuje zasięg skanowania sięgający blisko 18 m [1]. Korelacja rho-spearmana również nie wykazała silnej zależności pomiędzy parametrami skanowania, a wielkością błędu wskazania długości (Tab. 3). Wzrost rozdzielczości skanowania kul referencyjnych w bliskim zasięgu (3 m) nie wpływa na wzrost dokładności wyznaczenia środków ciężkości. Rodzaj powierzchni mierzonego obiektu zapewnia zadawajającą dokładność wyznaczania parametrów kul już na poziomie rozdzielczości - Middle. Podobnie - wzrost poziomu jakości skanowania w bliskim zasięgu (3 m) nie ma wpływu na dokładność wyznaczania parametrów sfer, wręcz przeciwnie, skanowanie kul referencyjnych wysoką jakością skanowania może doprowadzić do nieuzasadnionego wzmocnienia powracającego sygnału wiązki lasera, czego efektem może stać wzrost zaszumienia chmury punktów. Wykres rozrzutu zmiennych jakościowych i ilościowych (Tab. 4) świdczy o braku wpływu parametrów skanowania na niezawodność odwzorowania wzorca długości, oznaczonego w przestrzeni skanowania kulami referencyjnymi. 37

6 38 Rozdzielczość / Jakość Oznaczenie wzorca długości Nr D* Tab. 2. Błędy wskazania długości (Źródło: opracowania własne) Middle / Low High / Low Superhigh / Low High / Normal Superhigh / Normal Błąd wskazania długości [mm] High / High Superhigh / High Pelagia Gawronek, Maria Zygmunt, Bartosz Mitka

7 PROPOZYCJA TESTOWANIA DOKŁADNOŚCI METROLOGICZNEJ... Tab. 4. Wyniki korelacji rho-spearmana (Źródło: opracowania własne) Zmienna Korlacja rho-spearmana Błąd wskazania długości Rozdzielczość Jakość WNIOSKI Badania laboratoryjne dokładności metrologicznej skanera Z+F 51, polegające na określeniu błędu wskazania długości dla czternastu wzorców, pomierzonych z różnych odległości oraz w różnych trybach pracy skanera, wykazały milimetrowe lub submilimetrowe dokładności. Uzyskane wartości błędów wskazania długości nie są uzależnione ani od odległości skaner - mierzony wzorzec, ani od parametrów pomiaru. Statystyczna standaryzacja wyników pomiarów pozwala stwierdzić, iż pomiary skanerem laserom Z+F 51 w bliskim zasięgu (do 3 m), przy zastosowaniu jakiegokolwiek z predefiniowanych parametrów pomiaru zapewniają milimetrową lub submilimetrową dokładność odwzorowania długości wzorca. W przypadku pomiaru kul referencyjnych o sferycznej geometrii i wysokim współczynniku albedo, posadowionych w zasięgu rekomendowanym przez producenta, niczym uzasadnione jest stosowanie wysokich parametrów pomiaru, które wpływają jedynie na wydłużenie czasu pomiaru, nie mają jednak wpływu na dokładność geometrii wyznaczanego wzorca. BIBLIOGRAFIA [1] Gawronek P., Mitka B., Zygmunt M., Klapa P., 214. Testowanie dokładności metrologicznej naziemnego skanera laserowego w warunkach laboratoryjnych; Wyd. EPISTEME Czasopismo Naukowo 39

8 Pelagia Gawronek, Maria Zygmunt, Bartosz Mitka Kulturalne, s , t. II, No. 22/214. [2] Hiremagalur J., Yen K., Akin K., Bui T., Lasky T., Ravani B., 27. Creating standards and specifications for the use of laser scanning in caltrans projects. California. [3] Kaasalainen S., Jaakkola A., Kaasalainen M., Krools A, Kukko A., Analysis of incidence angle and distance effects on terrestrial laser scanner intensity: search for correction method. Remote Sens., 3 (211), s [4] Lee S., Lee J.O., Park H.J., Bae K.H. 21. Investigations into the influence of object characteristics on the quality of terrestrial laser scanner data. KSCE J. Civil Eng., 14 (21), s [5] Monserrat O., Crosetto M. 28. Deformation measurement using terrestrial laser scanning data and least squares 3D surface matching. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens., 63 (28), s [6] Pejić M Design and optimization of laser scanning for tunnels geometry inspection. Tunn. Underground Space Technol., 37 (213), s [7] Pesci A., G. Teza G., Bonali E Terrestrial laser scanner resolution: numerical simulations and experiments on spatial sampling optimization. Remote Sens., 3 (211), s [8] Soudarissanane S., Lindenbergh R., Menenti M., Teunissen P Scanning geometry: influencing factor on the quality of terrestrial laser scanning points. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens., 66 (211), s [9] VDI/ VDE Systeme mit flaechenhafteer Antastung, 28. [1] Zoller + Fröflich, 212. How we build reality. Z+F IMAGER 51, Germany. 4 1 Mgr inż. Pelagia Gawronek Katedra Geodezji, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, 2 Mgr inż. Maria Zygmunt Katedra Geodezji, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, 3 Dr inż. Bartosz Mitka Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, bartosz.mitka@ar.krakow.pl