Pelagia BIŁKA Magda PLUTA Bartosz MITKA Maria ZYGMUNT

Transkrypt

1 Pelagia BIŁKA Magda PLUTA Bartosz MITKA Maria ZYGMUNT EPISTEME 22/2014, t. II s ISSN WYZNACZENIE BŁĘDU WSKAZANIA DŁUGOŚCI NA- ZIEMNEGO SKANERA LASEROWEGO W WARUNKACH POLOWYCH DETERMINATION OF STANDARD ERROR OF PATTERN LENGTH BY TERRESTRIAL LASER SCANNING IN REAL TERMS Abstrakt. Naziemny skaning laserowy (TLS - Terrestrial Laser Scanning) jest urządzeniem metrologicznym, które zdalnie dokonuje pomiaru obiektu i zapisuje go w postaci uporządkowanej w przestrzeni chmury punktów. W monitorowaniu dużych obiektów inżynierskich, często stanowiących obiekty niedostępne, naziemny skaning laserowy może stanowić dobre rozwiązanie technologiczne. W geodezji przemysłowej najważniejszym parametrem opisującym sprzęt pomiarowy jest dokładność. W celu sprawdzenia dokładności metrologicznej naziemnego skanera laserowego, autorzy dokonali pomiaru tarcz celowniczych zamocowanych nad punktami lokalnej osnowy poziomej. W pomiarze wykorzystano skaner Leica ScanStation P20. Otrzymane wyniki odniesiono do wartości pozyskanych technikami satelitarnymi. Słowa kluczowe: naziemny skaning laserowy, błąd wzorca długości, testowanie dokładności naziemnych skanerów laserowych Summary. Terrestrial laser scanning (TLS ) is a metrology equipment that remotely measures the object and saves it as the form of an ordered point cloud. The monitoring of large engineering structures, which are often inaccessible objects, terrestrial laser scanning can be a good technological solution. In surveying the most important parameter describing the industrial measuring equipment is accurate. To verify the accuracy of metrological terrestrial laser scanner, the authors made a measurement target, which were mounted above local points of horizontal network. The scanner Leica 33

2 34 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka, Maria Zygmunt ScanStation P20 were used to measure. The obtained results were related to the results of satellite techniques. Key words: Terrestrial Laser Scanning, standard error of pattern length, testing of terrestrial laser scanner WSTĘP W ostatnich latach, w literaturze krajowej i zagranicznej coraz częściej podejmowana jest tematyka testowania dokładności wyznaczania odległości na podstawie pomiaru naziemnym skanerem laserowym w odniesieniu do pomiarów geodezyjnych. Naziemny skaning laserowy jest dokładnym systemem pozyskiwania danych, umożliwiającym precyzyjne określenie kształtu i wzajemnych relacji geometrycznych pomiędzy obiektami znajdującymi się w zasięgu skanera [1]. Wyznaczenie współrzędnych punktów odbywa się w oparciu o obserwacje kąta i odległości, a dokładność wyznaczenia tych parametrów warunkuje dokładność wyznaczenia położenia punktu. Dokładność metrologiczną bezdotykowego skanera 3D wg normy VDI/VDE 2634 badali K. Gębarski, D. Jasiński, rozpatrując parametry: błąd układu głowicy, błąd płaskości oraz błąd wskazania długości. Błąd wskazania długości, autorzy definiują jako różnica długości między wartością zmierzoną a wykalibrowaną (rzeczywistą) pomiędzy środkami kul, wykorzystywanymi jako cele pomiarowe. W celu wyznaczenia parametru należy zmierzyć wzorzec pomiarowy (kule), a następnie za pomocą specjalnych algorytmów wpasować sfery w chmurę punktów, wyznaczyć promień sfery i współrzędne jej środka. Posiadając te dane, możliwe jest wyznaczenia wartości długości pomiędzy kulami oraz błąd odległości [2]. Inne badania z zakresu badania dokładności wyznaczenia odległości w odniesieniu do wartości przemieszczeń względnych prowadzili W. Kamiński i in Eksperyment badawczy polegał na wyznaczeniu współrzędnych środka tarczy celowniczej w położeniu wyjściowym (pomiar pierwotny) a współrzędnych po przesunięciu tarczy o określoną wielkość (pomiar wtórny). Wartości teoretyczne, przyjęte jako referencyjne były następnie porównywane z wynikami uzyskanymi w drodze naziemnego skanowania laserowego. W celu wyznaczenia środka tarcz celowniczych wykorzystano algorytmy oprogramowania Badania prowadzono dla dwóch odległości skanera

3 Wyznaczenie błędu wskazania długości naziemnego skanera laserowego... względem tarcz celowniczych: 20 i 80m. Wyniki pokazały, iż przy rozdzielczości skanowania na poziomie 1mm, dla odległości 20 metrów różnice pomiędzy wartościami teoretycznymi i praktycznymi nie przekroczyły 1 mm, a dla odległości 80 metrów - 2mm [3]. Prezentowana praca przedstawia wyniki wyznaczenie błędu wskazania długości naziemnego skanera laserowego w warunkach polowych, w odniesieniu do pomiarów tych samych punktów osnowy, pomierzonych technikami satelitarnymi, metodą statyczną. MATERIAŁ I METODY Badania dokładności metrologicznej naziemnego skanera laserowego przeprowadzono na terenie kampusu Wydziału Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Dokładność metrologiczna naziemnych skanerów laserowych zależy od czynników zewnętrznych (warunki atmosferyczne), czynników wewnętrznych (rodzaj i parametry skanera) oraz od sposobu i parametrów przeprowadzania pomiarów i opracowania obserwacji pomiarowych. W celu analizy wpływu tych ostatnich, pomiary przeprowadzono uznając punkty osnowy lokalnej jako obiekt niedostępny. Na dachu budynku dydaktycznego przy ul. Balickiej umieszczono testowane urządzenie pomiarowe (Rys. 1). Z tak zlokalizowanego stanowiska skanera dokonano pomiaru tarcz celowniczych, zamocowanych do statywów, scentrowanych i spoziomowanych nad punktami osnowy pomiarowej (Rys.1). Jakość pomiaru wykonanego naziemnym skanerem laserowym zależy od jakości wiązki odbitej od powierzchni obiektu w kierunku odbiornika, a ona zależna jest (między innymi) od kąta padania wiązki lasera na powierzchnie obiektu. Stanowisko zlokalizowane na budynku dydaktycznym umożliwiło analizę wpływu odległości skanera od obiektu na dokładność metrologiczną pomiaru. Pomiary wykonano z jednego stanowiska, co pozwoliło wykluczyć wpływ błędu orientacji chmur punktów na wyniki pomiarów. 35

4 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka, Maria Zygmunt 36 Ryc. 1. Szkic lokalizacji stanowiska skanera oraz mierzonej osnowy Wykorzystany w testach skaner laserowy Leica ScanStation P20 stanowi połączenie impulsowego pomiaru odległości z technologia WFD (Waveform Digitising). Dokonuje on rejestracji chmury punktów w zakresie 360 w poziomie oraz 270 w pionie, przy maksymalnym zasięgu wynoszącym 120 m (odbicie wiązki 18%). Dokładność pojedynczego pomiaru położenia na 50 m wynosi ±3 mm; na 100 m wynosi ±6 mm; dokładność pojedynczego pomiaru odległości na dystansie 50 m wynosi ±2 mm [4]. W celu sprawdzenia dokładności pomiaru metrologicznego naziemnego skanera laserowego przeprowadzono test określający błąd wskazania długości. Błąd wskazania długości jest parametrem, który służy do sprawdzenia prawidłowego odtwarzania długości przez skaner. Według zaleceń [5] jest to różnica między wartością otrzymaną w wyniku pomiaru, a wartością rzeczywistą (dystansem między punktami osnowy). d ij = d ijs - d ijp Gdzie: d ij - wartość bezwzględna błędu wskazania długości pomiędzy punktami i, j d ij s - odległość pomiędzy punktami i, j pozyskana z pomiarów statycznych d ij p - odległość pomiędzy punktami i, j pozyskana z pomiarów TLS Podczas pomiaru odcinków pomiędzy obiektami w technologii naziemnego skaningu laserowego, mogą zostać wyznaczane

5 Wyznaczenie błędu wskazania długości naziemnego skanera laserowego... błędy pomiaru kąta i odległości. W naziemnym skaningu laserowym określenie dokładności kątowej dla skanera jest bardzo skomplikowane, bowiem w TLS nie ma możliwości pomiaru konkretnego punktu, ponieważ system skanujący pozyskuje dane o określonej gęstości. W związku z tym, do wyznaczenia błędu wskazania długości wykorzystano tarcze celownicze, które umieszczono na statywach, scentrowanych i spoziomowanych nad punktami osnowy. Środki tarcz celowniczych jednoznacznie definiowały końce odcinków podlegających pomiarowi. Długość teoretyczną odcinka pomiędzy kolejnymi punktami osnowy obliczono ze współrzędnych pozyskanych satelitarną techniką statyczną przez Koło Naukowe Geodetów UR i udostępnionych w ramach referatu. Podczas opracowania chmury punktów, w programie Cyclone 8.11 sczytano współrzędne środków tarcz celowniczych, które posłużyły do wyznaczenia praktycznej długości odcinków pomiędzy odpowiednimi punktami osnowy. Na podstawie teoretycznych oraz praktycznych długości odcinków obliczono błąd wskazania długości. Analizie poddano także wpływ odległości stanowiska skanera od skanowanego obiektu na dokładność długości pomierzonego odcinka. WYNIKI I DYSKUSJA Wartości teoretyczne d_ij^s oraz praktyczne d_ij^p pomiędzy punktami osnowy prezentuje Tab. 1. Rzut poziomy lokalizacji punktów osnowy względem stanowiska skanera prezentuje Ryc. 2. Oznaczenie końców odcinka Tab. 1. Błędy wskazania długości Długość odcinka [m] Błąd wskazania długości [m] Odległość od skanera do środka odcinka [m] i j d ij s d ij p d ij D ij ,984 29,999 0,015 61, ,995 30,041 0,046 85, ,031 29,990 0,041 98, ,976 29,953 0,023 98, ,958 30,017 0,060 83, ,065 30,003 0,062 58,04 37

6 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka, Maria Zygmunt ,420 55,408 0,011 44, ,453 72,437 0,016 59, ,460 72,440 0,020 84, ,976 29,953 0,023 98,12 Ryc. 2. Szkic pomiarowy Wartości błędów wskazania długości wyznaczono dla odcinków reprezentujących boki poziomej osnowy lokalnej oraz dla odcinków zorientowanych poprzecznie w stosunku do stanowiska skanera. Z wartości błędów wskazań długości jasno wynika, że wielkość błędu rośnie logarytmicznie wraz ze wzrostem odległości urządzenia pomiarowego od skanowanego obiektu. Relację prezentuje Rys Rys. 3. Wartość błędu wskazania długości, a długość celowej skanera

7 Wyznaczenie błędu wskazania długości naziemnego skanera laserowego... Zależność pomiędzy wartością błędu wskazania długości, a odległością pomiędzy stanowiskiem skanera i skanowanym odcinkiem statystycznie prezentuje logarytmiczna linia trendu. Dla odcinka łączącego punkty znajdujące się najbliżej skanera (ok. 45 m), błąd wskazania długości wynosi ±1,1cm; dla punktów najbardziej oddalonych (ok. 98 m) od stanowiska pomiarowego błąd ten wacha się w granicy ± 2,3 cm. Analiza błędów wskazania długości dla boków osnowy usytuowanych równolegle do wiązki lasera oraz boków najbardziej oddalonych od stanowiska pomiaru wykazała przekroczenie wartości błędu długości zagwarantowanego przez producenta skanera. Jest to konsekwencją zastosowanych, papierowych tarcz celowniczych. WNIOSKI Dokładność metrologiczna naziemnych skanerów laserowych zapewniana przez producentów urządzeń pomiarowych w wielu przypadkach zapewnia dokładność pomiarową rzędu kilku milimetrów. Testowanie skanerów, poprzedzające formułowanie specyfikacji technicznych, odbywa się często w warunkach laboratoryjnych. Taka dokładność jest wymagana w przypadku pomiarów obiektów inżynierskich. W rzeczywistości jednak, dokładność metrologiczna sprzętu wymaga weryfikacji w terenie. W wyniku przeprowadzonego testu wykazano, że błąd wskazania długości rośnie logarytmicznie w miarę wzrostu odległości obiektu skanowanego od stanowiska pomiarowego. Otrzymane wartości błędów wskazania długości nie stanowią zadawalającej dokładności w aspekcie geodezji przemysłowej. Jest to bezpośrednio konsekwencją zastosowanego w testach modelu skanera laserowego, którego maksymalny zakres pomiaru (120 m) zbliżony jest do odległości najbardziej oddalonych od skanera punktów (100 m). Dla skanerów laserowych typu: Leica ScanStation C10, bądź Z+F 5100, charakteryzujących się zasięgiem rzędu 200 m spodziewać się można lepszych dokładności, co zostanie sprawdzone w kolejnych pracach. 39

8 BIBLIOGRAFIA Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka, Maria Zygmunt Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych, Michał Kędzierski, Anna Fryśkowska, Michalina Wilińska, biuletyn WAT vol. LIX, Nr 2,2010 Dokładność metrologiczna bezdotykowego skanera 3D wg Normy VDI/ VDE przykłady pomiarów, certyfikowanym, polskim skanerem 3D firmy Smartech, Krzysztof Gębarski, Dariusz Jasiński, XII Forum Inżynierskie ProCAx, cz.ii, 2013 Ocena możliwości wykorzystania skanera laserowego scanstation firmy leica w badaniu deformacji obiektów budowlanych, Waldemar Kamiński, Krzysztof Bojarowski, Andrzej Dumalski, Krzysztof Mroczkowski, Jerzy Trystuła, Czasopismo Techniczne z.2-ś/2008 Leica Geosystems Sp. z o.o., Leica ScanStation P20 Specyfikacje techniczne, Szwajcaria VDI/ VDE Systeme mit flaechenhafteer Antastung Adres do korespondencji: mgr inż. Pelagia Biłka Uniersytet Rolniczy w Krakowie WIŚiG, KG pelagia.bilka@gmail.com mgr inż. Magda Pluta Uniwersytet Rolniczy w Krakowie WIŚiG, KGRKiF studia@magdapluta.pl dr inż. Bartosz Mitka Uniwersytet Rolniczy w Krakowie WIŚiG, KGRKiF bartosz.mizzka@ar.krakow.pl 40