Tijd gebaseerde terrestrische 3D laserscanners: onderzoek naar de positienauwkeurigheid van black-and-white targets en naar de invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand Lisa Loux, Niels Van der Elst
Promotor: prof. dr. ing. Greet Deruyter Copromotor: prof. dr. ir. Alain De Wulf
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: landmeten
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014 1
2
Tijd gebaseerde terrestrische 3D laserscanners: onderzoek naar de positienauwkeurigheid van black-and-white targets en naar de invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand Lisa Loux, Niels Van der Elst
Promotoren: prof. dr. ing. Greet Deruyter, prof. dr. ir. Alain De Wulf Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: landmeten
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014
3
VOORWOORD
Als studenten Master of Science in de industriële wetenschappen landmeten aan de Universiteit Gent kregen we de opdracht een masterproef te schrijven ter afsluiting van onze opleiding. We kozen voor het
onderwerp:
“tijd
gebaseerde
terrestrische
3D-laserscanners:
onderzoek
naar
de
positienauwkeurigheid van black-and-white targets en naar de invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand”. Prof. dr. ing. G. Deruyter en prof. dr. ir. A. De Wulf werden respectievelijk aangeduid als promotor en copromotor voor de begeleiding van het onderzoek. Graag willen wij de Universiteit Gent bedanken voor het bieden van de kans, de ruimte en de middelen om dit onderzoek uit te voeren. Wij zien dit als een ideale voorbereiding om onze professionele loopbaan te starten. We trachten met dit onderzoek aan te tonen in staat te zijn tot zelfstandig wetenschappelijk denken en handelen. In het bijzonder willen wij een dankwoord richten aan prof. dr. ing. G. Deruyter voor het vakkundig begeleiden en het geduldige antwoorden op de talloze vragen. Tenslotte richten we graag een dankwoord aan dhr. W. Bossuyt van de firma BOSS Paints voor de nuttige informatie en aan mevr. I. Driesen voor het nazicht van ons schriftelijk verslag.
4
ABSTRACT Het toepassingsgebied van terrestrische 3D-laserscanners breidt zich voortdurend uit. Het gebruik ervan wordt steeds belangrijker binnen de landmeetkunde omwille van de grote hoeveelheid informatie die eenvoudig, snel en met hoge precisie en nauwkeurigheid wordt geregistreerd. De technische specificaties van het toestel geven een aanwijzing van de te verwachten nauwkeurigheden en precisie, maar de toestellen kunnen hierin onderling sterk verschillen. Bovendien worden de resultaten sterk beïnvloed door verschillende invloedsfactoren. Het onderzoek beperkt zich tot het testen van de tijdsgebaseerde terrestrische 3D-laserscanner Leica Scanstation C10. Het doel van dit onderzoek is de invloed van parameters zoals afstand, invalshoek van de laserstraal en reflectiviteit van het object vast te stellen met als oogmerk het bepalen van de ideale scangeometrie en de beperkingen van de specificaties na te gaan. De invloed van de reflectiviteit van een object op de intensiteit van het teruggekaatste signaal werd summier bestudeerd. Aangezien het modelleren van oppervlakken een tijdrovend proces is, werd gebruik gemaakt van een ‘quick-anddirty’-methode. Ook de precisie van black-and-white-targets wordt opgegeven door de fabrikant. Een indicatie van de afstand en/of invalshoek waaronder deze scans dienen te gebeuren werden echter niet voorzien in de fiche. Om in de praktijk voldoende kwalitatieve scanresultaten te bekomen, stijgt de vraag naar een richtlijn met beperkingen en/of mogelijkheden in scangeometrie. De testopstelling bestond uit een bord waarop verschillende vlakken met verschillende graden van reflectiviteit bevestigd werden. Het bord werd gescand vanop verschillende afstanden en onder variërende invalshoeken. Met de toestelhoogte werd tijdens de metingen geen rekening gehouden. Wegens de gelimiteerde praktische omstandigheden werd een beperkt aantal opstellingen uitgevoerd: -
5m: 0°, 30°, 45° en 60°
-
25m: 0°, 30°, 45°, 60°
-
50m: 0°
-
75m: 0°, 30°, 45°, 60°
Het onderzoek naar de precisie op de positie van de black-and-white targets wees uit dat aan de technische specificaties van het toestel voldaan werd bij scans tot 25m. Nauwkeurige targetscans 5
worden bijgevolg tot deze afstand gegarandeerd. Vanaf 50m nam de onzekerheid toe en werd de gespecificeerde precisie overschreden. De invalshoek bleek bij korte afstanden weinig invloed te hebben op de precisie, maar bij grotere invalshoeken werd een grotere spreiding vastgesteld. Vanop grote afstand werden bij elke invalshoek waarden geregistreerd die de opgelegde specificaties overschreden. Een herziening van de technische fiche werd aangeraden voor afstand van 50m. De gegevens over de intensiteitswaarden gaven aan dat de intensiteit steeg naarmate de albedowaarde toenam. Bovendien gold dat de intensiteit afnam in functie van de afstand. De maximale scanafstand is groter bij hoog reflectieve materialen. Laag reflectieve materialen kaatsten een te lage intensiteit terug vanop een afstand van 75m en verder om een voldoende representatief aantal punten te registreren. Laag reflectieve oppervlakken worden bijgevolg best niet gescand vanop afstanden van 75m en groter. Vervolgens bleek dat naarmate de invalshoek toenam, de intensiteit afnam. Een invalshoek volgens de richting van de normaal wordt als ideale scanpositie beschouwd in functie van de intensiteit. Tenslotte werd vastgesteld dat het verval in functie van de afstand en de hoek het grootst is bij de meest reflectieve materialen. Vervolgens werd de invloed van de afstand op de geregistreerde afstandsmeting onderzocht. De hoog reflectieve oppervlakken zijn het nauwkeurigst voor de afstandsbepaling. De gemiddelde nauwkeurigheid voldeed op elke afstand aan de technische specificaties ongeacht de invalshoek waaronder gemeten werd. Scans uitgevoerd vanop 75m en verder garanderen de gespecifieerde nauwkeurigheid niet. De invloed van de afstand op de precisie van de afstandsmeting vertoonde geen duidelijke trend. De invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van de afstandsmeting toonde aan dat de meest nauwkeurige resultaten bekomen werden bij hoge albedowaarden. De gemiddelde nauwkeurigheid voldeed voor de hoogste albedowaarden bij elke invalshoek aan de gespecificeerde nauwkeurigheid. Bij lage albedowaarden traden bij elke invalshoek gemiddelde nauwkeurigheden op die niet voldeden aan de technische specificaties. Bovendien maakten lage reflectiewaarden het onmogelijk om bij schuine invalshoeken op grote afstand betrouwbare vaststellingen te doen door het beperkt aantal geregistreerde punten. De kwaliteit van de meting ligt dus hoger wanneer de reflectiviteit toeneemt. De toenemende invalshoek bleek een positieve invloed op de nauwkeurigheden te hebben. Qua precisie bleken de hoogste albedowaarden het minste beïnvloed te worden door de invalshoeken. Bij lagere albedowaarden waren de verschillen tussen de invalshoeken groter, vooral naarmate de afstand groter werd.
6
Donkere, laag reflectieve vlakken moeten steeds met de nodige zorg gescand worden. Overtallige metingen of de donkerste vlakken bedekken met een lichte verf kunnen betere meetresultaten opleveren. In de praktijk zal dit echter moeilijk te verwezenlijken zijn. Op basis van al de gemaakte vaststellingen omtrent de afstandsnauwkeurigheid werd geconcludeerd dat de gespecificeerde nauwkeurigheid voor een gemoduleerd vlak met het Leica Scanstation C10 een uitbreiding vereist voor de geregistreerde nauwkeurigheden bij lage albedowaarden en bij afstanden vanaf 75m. Ook de onderzochte specificaties van de targetscans hebben uitbreiding nodig. Om tot correcte conclusies te komen is verder onderzoek nodig. Dit onderzoek dient te bepalen wat de maximale afstanden en invalshoek zijn waaronder elke reflectie te sterke gemiddelde afwijkingen Kernwoorden: terrestrische laser scanning, reflectie, nauwkeurigheid, precisie, intensiteit
Terrestrial laser scanning (TLS) is being used more frequently for a variety of applications. The advantage of a 3D-laserscanner, in comparison to traditional surveying methods, is the amount of information that is acquired in a short period of time. The distance to an object surface can be measured with an accuracy in the order of millimetres, which is specified by the technical specifications. Practice shows that these technical specifications are hard to interpret and that each scanner shows dissimilarities. Furthermore, the quality of a scan point is influenced by many factors during the scan process. The aim of this research project is to evaluate the influence of surface reflectivity, distance and incidence angle on the distance measurement of the Leica Scanstation C10, a pulse based laser scanner. The investigations were carried out at the University of Ghent. The main purpose of the research is to determine the ideal scan position and to evaluate the limitations of the technical specifications of the manufacturer. Because data processing is a time-consuming process, the modelling of the surfaces were done using a ‘quick-and-dirty’-method. The precision of black-and-white-targets are also provided by the manufacturer. However, an indication of the influence of distance or incidence angle was not given. A guideline for an ideal scan position could be useful. The test setup includes a board where plane surfaces of different reflectivity were secured. The board was scanned from different distances and under varying incidence angles.
7
The results show that the precision of black-and-white-targets meet the technical specifications up to a distance of 25m. From a distance of 50m the uncertainty increased and there were measurements recorded that exceeded the technical specifications. The incidence angle appeared to have little influence on the precision. However, with larger incidence angles the spread of the results increased. A revision of the technical specifications is recommended for distances of 50m and further. The intensity rose with increasing reflectivity and diminished with distance. The maximum range is higher with highly reflective materials. The darker card could not be scanned from a distance of 75m, because of the low intensity that was reflected whereby no sufficient and representative amount of points was registered. With increasing incidence angles, the intensity decreased. An incidence angle of 0° is considered to be ideal in function of intensity. At last, the decay was strongest for highly reflective surfaces. A second part of the study examined the influence of distance. The surface with high albedo delivered the best accuracies for the distance measurement. The average accuracy met the technical specifications irrespectively to the incidence angle. Scans that were performed from a distance of 75m do not guarantee the specified accuracy. Thirdly, the influence of incidence angle was investigated. Also in this case, the highly reflective surface delivered the best accuracy. With the low reflective surfaces there were results that didn’t met the specifications for every incidence angle. These reflectivities were impossible to deliver reliable results under oblique incidence angles on a very large distance. The scan quality increased with higher reflectivity. Every part of the research showed that extension of the technical specifications in necessary. The accuracy of the modelled surface and the precision of target acquisition should have guidelines for low reflective surfaces and distances of 75m and further. Keywords: terrestrial laser scanning, reflection, accuracy, precision, intensity
8
INHOUDSOPGAVE 1
Inleiding........................................................................................................................................... 1
2
Literatuurstudie .............................................................................................................................. 2 2.1
Inleiding................................................................................................................................... 2
2.2
Het Elektromagnetische spectrum ......................................................................................... 2
2.3
Terrestrische laserscanning: indelingen ................................................................................. 3 Statische en dynamische laser scanning ......................................................................... 4 Indeling volgens het bereik ............................................................................................. 4 Indeling volgens meettechniek ....................................................................................... 4
2.4
Eigenschappen van laserscanners........................................................................................... 8 Meetbereik...................................................................................................................... 8 Resolutie ......................................................................................................................... 9 Spotgrootte ................................................................................................................... 10 Scandichtheid ................................................................................................................ 11 Field of view .................................................................................................................. 11 Meetsnelheid ................................................................................................................ 12 Intensiteit ...................................................................................................................... 12 Nauwkeurigheid van de 3D-metingen .......................................................................... 13 Targets en targetnauwkeurigheid ................................................................................. 14
2.5
Laser ...................................................................................................................................... 15
2.6
Foutenbronnen: algemeen ................................................................................................... 15 Instrumentale fouten .................................................................................................... 16 Objectafhankelijke fouten............................................................................................. 19 Omgevingsfactoren ....................................................................................................... 21 Methodologische fouten............................................................................................... 22 Fouten ten gevolge van de scangeometrie ................................................................... 22 9
2.7
Reflectie en reflectie-eigenschappen ................................................................................... 23 Albedo ........................................................................................................................... 24 Soorten reflectie ........................................................................................................... 26 LIDAR ............................................................................................................................. 27 Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) ............................................... 27 Light Reflectance Value ................................................................................................. 27
2.8
Reeds uitgevoerde onderzoeken .......................................................................................... 28
3
Probleemstelling ........................................................................................................................... 46
4
Doelstelling en afbakening............................................................................................................ 47
5
Onderzoeksmethode .................................................................................................................... 48 5.1
Leica scanstation C10 ............................................................................................................ 48
5.2
Methode ............................................................................................................................... 48
5.3
Verwerking van de scans....................................................................................................... 53 Positienauwkeurigheid van de targetscans .................................................................. 53 Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand ..... 54 Intensiteit ...................................................................................................................... 57
6
Onderzoeksresultaten................................................................................................................... 59 6.1
Onderzoek naar de precisie van black-and-white-targets .................................................... 59 Invloed van de afstand .................................................................................................. 60 Invloed van de invalshoek ............................................................................................. 63
6.2
Onderzoek naar de intensiteit .............................................................................................. 64 Invloed van de afstand .................................................................................................. 65 Invloed van de invalshoek ............................................................................................. 67 Invloed van de reflectiviteit .......................................................................................... 70
6.3
Aantal geregistreerde punten ............................................................................................... 73
6.4
Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand ............. 74 Invloed van de afstand .................................................................................................. 75 10
Invloed van de invalshoek ............................................................................................. 85 Invloed van de reflectiviteit .......................................................................................... 94 7
Besluit.......................................................................................................................................... 108
8
Discussie ...................................................................................................................................... 110
9
Bijlagen........................................................................................................................................ 111
10
Bronnenlijst ............................................................................................................................. 112
10.1
Elektronische artikels .......................................................................................................... 112
10.2
Technische fiches ................................................................................................................ 114
11
Figurenlijst............................................................................................................................... 116
12
Tabellen................................................................................................................................... 122
13
Wetenschappelijk artikel ........................................................................................................ 126
11
1 INLEIDING Terrestrisch 3D-laserscannen vormt één van de voornaamste methodes om snel driedimensionale informatie van een object te verzamelen. Binnen de landmeetkunde valt het gebruik niet meer weg te denken dankzij de vele voordelen van de techniek. Ten gevolge van een grote verscheidenheid aan scanners en het ontbreken van uniforme technische specificaties van de toestellen is het voor de gebruiker ingewikkeld om het geschikte toestel te kiezen en de behaalde nauwkeurigheid te beoordelen. De technische specificaties van het toestel geven slechts een indicatie van de prestaties van een scanner en zijn tussen verschillende toestellen onderling moeilijk vergelijkbaar. Verder bestaan verscheidene factoren die een invloed uitoefenen op de nauwkeurigheid van de metingen. Om de invloed van deze factoren en de kwaliteit van de geleverde scanresultaten te ramen, moeten onderzoeken gebeuren voor elk type scanner afzonderlijk. Voor het Leica Scanstation C10, een puls gebaseerde scanner, die werd aangekocht door de universiteit van Gent gebeurde reeds in het verleden onderzoeken. In deze studie werd nagegaan wat de invloed van de reflectiviteit, de afstand en de invalshoek is op de afstandsmeting van het Leica Scanstation C10. Verder werd de precisie van de black-and-white targets en de intensiteit onderzocht. Daarvoor werd gestart met een literatuurstudie waarin het principe en de belangrijkste kenmerken van terrestrisch 3D-laserscannen verklaard werden. De foutenbronnen, reflectie en reflectieeigenschappen werden hier uitgebreid toegelicht. Vervolgens werden reeds uitgevoerde onderzoeken beschreven. Deze werden bestudeerd om een optimale proefopstelling te realiseren en om de onderzoeksresultaten te toetsen aan eerdere vaststellingen. Tenslotte werd de aanpak van het praktisch onderzoek toegelicht en werd de invloed van de verschillende parameters voorgesteld, geanalyseerd en besproken. De behaalde nauwkeurigheden en precisies in elke omstandigheid en de bruikbaarheid van de scanner werden aan de hand daarvan beoordeeld. De resultaten werden vergeleken met de specificaties uit de technische fiche van de fabrikant en er werd nagegaan of ze correct en voldoende uitgebreid zijn. Alle technische specificaties die in de teksten gegeven worden van de terrestrisch laserscanners zijn afkomstig uit de technische fiches geleverd door de fabrikanten. In de tekst werd niet verwezen naar de afzonderlijke fiches, maar er werd een bronvermelding gemaakt in de bronnenlijst die achteraan terug te vinden is in dit onderzoek.
1
2 LITERATUURSTUDIE 2.1
Inleiding
3D-Laserscannen is een meetmethode om digitale informatie te verzamelen over een object of oppervlak. De laserscanner gebruikt een laserstraal om de schuine afstanden, horizontale en verticale richtingen tussen de scanner en het object op te meten. Met deze gegevens wordt een grote hoeveelheid aan 3D-coördinaten van een object, met andere woorden een puntenwolk, geregistreerd. Hieruit zijn verschillende types output mogelijk waaronder ortho-afbeeldingen, tweedimensionale tekeningen, driedimensionale modellen, doorsneden, enzovoort. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w, 2008) De techniek van het laserscannen is niet meer weg te denken uit de veelvuldige landmeetkundige toepassingen en kan samen met GNSS (‘Global Navigation Satellite System’) en totaalstationmetingen beschouwd worden als één van de voornaamste methoden voor 3D-data acquisitie. De techniek wordt toegepast in verschillende sectoren zoals ingenieursprojecten, architectuur, archeologie en erfgoed, civiele techniek, chemische industrie, etc. en dit dankzij zijn duidelijke voordelen. Laserscannen is immers een contactloze meettechniek waarbij snel, nauwkeurig en met een zeer hoge graad van detail de gevraagde objecten geregistreerd worden. (Vlaams Leonardo Da Vincvi Agentschap v.z.w., 2008)
2.2
Het Elektromagnetische Elektromagnetische spectrum
Elektromagnetische golven worden gevormd door elektrische en magnetische golfverschijnselen. De magnetische en elektrische componenten staan hierbij loodrecht op elkaar. Een elektromagnetische golf beschikt steeds over een bepaalde hoeveelheid energie. De voortplantingssnelheid c van de elektromagnetische golven in het luchtledige komt overeen met de experimenteel bepaalde waarde van de lichtsnelheid. De waarde die hiervoor gevonden werd is 299.792.458 m/s of ongeveer 3,0.108m/s. Op basis van de golflengte of frequentie worden elektromagnetische golven of elektromagnetische straling ingedeeld in zeven frequentiebanden: radiogolven, microgolven, infrarode stralen, zichtbaar licht,
ultraviolette
stralen,
röntgenstralen
en
gammastralen.
Samen
vormen
zij
het
elektromagnetische spectrum. De golflengte is het grootst voor radiogolven en het kleinst voor gammastralen. Dit wordt schematisch voorgesteld in Figuur 1. (Van Alboom & Vanhaelst, 2012/2013)
2
Het verband tussen de golflengte en de frequentie wordt gegeven door de vergelijking: = -
f: de frequentie voor van de golf
-
λ: de golflengte
-
c: de voortplantingssnelheid van licht
Figuur 1: Het elektromagnetische spectrum (Nieuwenhuizen, 2008)
2.3
Terrestrische laserscanning: laserscanning: indelingen
Terrestrische laserscanners worden ingedeeld volgens verschillende criteria. Op basis van het al dan niet bewegen van de scanner tijdens het scanproces wordt het onderscheid gemaakt tussen de statische en dynamische laserscanning. Andere indelingen bestaan op basis van de gebruikte meettechniek, namelijk triangulatiescanners, puls- en fasescanners, elk gekenmerkt door hun typisch meetbereik, positienauwkeurigheid en snelheid. (Fröhlich & Mettenleiter, 2012) Deze masterproef beperkt zich tot het bepalen van de eigenschappen van een statisch opgestelde pulsscanner, meer bepaald het Leica Scanstation C10, in vooraf gedefinieerde omstandigheden. In wat volgt zal daarom slechts beperkt ingegaan worden op de eigenschappen van de andere types.
3
Statische en dynamische laser scanning De voordelen van statische laserscanning zijn de hoge precisie en de hoge graad van detail. Bij dynamische laserscanning wordt de scanner gemonteerd op een mobiel platform waardoor bijkomende positioneringssystemen vereist zijn in de vorm van INS (‘Inertial navigation system’) en GNSS (‘Global navigation satellite system’). Hierdoor is dynamische laserscanning complexer en duurder dan statische scanning. Daartegenover staat wel een tijdwinst ten opzichte van het statisch scannen. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w, 2008)
Indeling volgens het bereik Er wordt een onderscheid gemaakt tussen een close range laserscanner, een medium range laserscanner en een long range laserscanner. De close range laserscanner wordt gebruikt voor afstanden van een halve centimeter tot twee meter en vindt zijn toepassingsgebied in onder andere ‘head- en bodyscanning’ voor het maken van protheses en ‘reverse engineering’. Medium range laserscanners, waaronder het Leica Scanstation C10, worden gebruikt voor landmeetkundige toepassingen. Hun bereik varieert van 1 tot 300 meter. De long range laserscanners hebben een bereik van enkele meters tot meer dan één kilometer. Deze 3D-scanners zijn echter minder nauwkeurig. Ze worden bijvoorbeeld gehanteerd bij het in kaart brengen van landschappen en/of steden of in de mijnbouw. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w, 2008)
Indeling volgens meettechniek 2.3.3.1
Triangulatiescanners
De afstand wordt bepaald op basis van een hoekmeting. Er zijn twee uitvoeringen op de markt, namelijk triangulatiescanners met één enkele CCD (‘charge coupled device’) camera en de uitvoering met twee CCD camera’s. De triangulatiescanners met één enkele camera (Figuur 2) zenden een laserstraal uit onder een gedefinieerde hoek vanaf het ene uiteinde van een mechanische basis. Deze laserstraal valt in op het object, wordt gereflecteerd en vervolgens gedetecteerd door de CCD camera op het andere uiteinde van de mechanische basis. Aan de hand van de plaats waar het gereflecteerde licht wordt opgevangen
4
door de camera, wordt de richting van de gereflecteerde straal bepaald waaruit uiteindelijk ook de driedimensionale positie van het voorwerp vastgelegd wordt. (Boehler & Marbs, 2002)
Figuur 2: Triangulatieprincipe met behulp van één CCD camera (Boehler & Marbs, 2002)
Een variatie van het triangulatieprincipe wordt uitgevoerd met twee CCD camera’s (Figuur 3), elk op een uiteinde van de basislijn. De laserstraal wordt uitgestuurd door een afzonderlijk zendapparaat dat geen enkele meetfunctie uitoefent. Het geometrische principe komt verder overeen met de uitvoering met één enkele camera waardoor ze verder dezelfde nauwkeurigheidskarakteristieken vertonen. (Boehler & Marbs, 2002)
Figuur 3: Triangulatieprincipe met behulp van twee CCD camera’s (Boehler & Marbs, 2002)
Het geprojecteerde laserlicht kan bestaan uit een (bewegende) laserstip, een laserlijn of –patroon. De verschillende projectiewijzen zijn terug te vinden in Figuur 4.
Figuur 4: Verschillende projectietechnieken bij een triangulatielaserscanner (Janos, 2008)
5
Triangulatiescanners zijn zeer geschikt voor het scannen van kleine voorwerpen. Ze hebben een bereik tot enkele meters en een nauwkeurigheid in de orde van een micrometer. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w, 2008) 2.3.3.2
Tijd gebaseerde metingen
Bij tijd gebaseerde scanners wordt de afstand bepaald aan de hand van de tijd tussen het uitzenden en het ontvangen van een signaal. Hier kunnen twee verschillende technieken onderscheiden worden namelijk de puls gebaseerde laserscanners en de fase gebaseerde laserscanners. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) 2.3.3.2.1
Puls gebaseerde scanners
De puls gebaseerde laserscanners zijn ook bekend onder de naam ‘time-of-flight’ scanners. Via een uiterst nauwkeurig klokmechanisme wordt het tijdsverschil Dt gemeten tussen het uitzenden en het ontvangen van de laserpuls. Hieruit wordt de afstand laserscanner-object afgeleid volgens de formule: =
∗ ∆
2
-
c = 299 792 458 m/s : de snelheid van licht in vacuüm
-
n : de brekingsindex van de lucht
-
Dt : het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen van de laserpuls
-
D : de afstand laserscanner-object
Naast de tijdsmeting wordt ook een verticale en horizontale richting van de uitgezonden puls geregistreerd. Met deze gegevens kunnen de x-, y- en z-coördinaten bepaald worden. Het meetprincipe wordt grafisch voorgesteld in Figuur 5. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Figuur 5: Principe van een ‘time-of-flight’-laserscanner (Janos, 2008)
6
2.3.3.2.2
Fase gebaseerde scanners
De fase gebaseerde laserscanners voeren tijdsafhankelijke metingen uit door de laserpuls te gebruiken als drager van een amplitudegemoduleerd signaal. Het uitgezonden signaal reflecteert op het object en wordt teruggekaatst. Hieruit kan het faseverschil tussen het uitgezonden en ontvangen signaal bepaald worden, waaruit het tijdsverschil afgeleid wordt. Het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen, de modulatiefrequentie en het faseverschil worden als volgt met elkaar in verband gebracht: ∆ =
∆
2.
-
Dt : het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen van de laserpuls
-
DΦ : het faseverschil
-
fgemoduleerd : de modulatiefrequentie
In analogie met de ‘time-of-flight’ scanners wordt voor de afstand laserscanner-object volgende vergelijking opgesteld: =
∗ ∆
. ∆Φ = 4. . . 2
-
D : de afstand laserscanner-object
-
c = 299 792 458 m/s : de snelheid van licht in vacuüm
-
Dt : het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen van de laserpuls
-
n : de brekingsindex van de lucht
-
DΦ : het faseverschil
-
fgemoduleerd : de modulatiefrequentie
Aangezien enkel het faseverschil vastgesteld wordt en dus niet het aantal volledig doorlopen golflengten, worden gemoduleerde golven (Figuur 6) toegepast om het probleem van dubbelzinnig bereik op te lossen. Hierbij wordt het voorwerp gelokaliseerd op een lage frequentie en dus een lange golflengte. Met behulp van de hoge frequentie wordt een nauwkeurige meting uitgevoerd. Figuur 7 geeft een grafische voorstelling van de fase gebaseerde meetmethode. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
7
Figuur 6: Schematische voorstelling van twee gemoduleerde golflengten (Vienna University of Technology, z.d.)
De bijkomend geregistreerde horizontale en verticale richting leveren voldoende informatie om de afstand en de 3D-coördinaten te bepalen.
Figuur 7: Principe van een fase gebaseerde scanners (Janos, 2008)
2.4
Eigenschappen van laserscanner laserscanners scanners
Meetbereik Het meetbereik van de laserscanner is afhankelijk van het type scanner. In Tabel 1 kunnen de verschillende methoden vergeleken worden op basis van meetbereik en nauwkeurigheid. Tabel 1: Indeling van laserscanners (op basis van veel verkochte types)
Meetmethode ‘Time-of-flight’ methode Fasemeting Triangulatiescanners
Meetbereik [m] <2500 <100 <1000 <5
Nauwkeurigheid [mm] <10 <5 <10 <1
Voor de laserscanner Leica Scanstation C10, die werkt volgens het ‘time-of-flight’-principe, wordt het meetbereik bepaald op 300m voor albedowaarden van 90%. Met afnemende albedowaarden daalt 8
eveneens het meetbereik. Zo is voor een albedowaarde van 18% een maximaal meetbereik haalbaar van 134m. Ter vergelijking haalt de Leica HDS6000, een fasescanner, 79m voor albedowaarden van 90% en 50m voor albedowaarden van 18%. Deze specificaties kunnen afwijken in de praktijk. Tabel 1 voldoet voor de courante 3D-laserscanners. Ten gevolge van de snelle ontwikkeling bestaan er echter toestellen, voornamelijk pulsscanners, die een groter meetbereik beloven. Volgens de technische specificaties wordt met de 3D-laserscanner Maptec I-Site 8810 een meetbereik van 2000m gehaald, voor de Riegl VZ-6000 wordt dit 6000m. De nauwkeurigheid op deze afstanden ligt dan weer lager. Een voorbeeld van een fasescanner met een groter bereik is dePentax met de S-3180. Deze 3Dlaserscanner haalt een maximaal meetbereik van 187,3m. Specificaties omtrent het meetbereik moeten steeds met een kanttekening geïnterpreteerd worden. De mogelijk haalbare ranges hangen sterk af van de reflectiviteit, ruwheid en kleur van het materiaal, atmosferische omstandigheden en van bijkomende straling veroorzaakt door de zon of een andere bron in de nabijheid van het object. (Boehler & Marbs, 2002; Fröhlich & Mettenleiter, 2012; Pesci & Teza, 2008)
Resolutie Resolutie De term resolutie wordt gebruikt in verschillende contexten wanneer de prestaties van laserscanners worden besproken. Verschillende leveranciers en gebruikers hanteren deze term op verschillende manieren. Een eerste gebruik van de term resolutie duikt op in verband met de dichtheid van de scan. Resolutie slaat hier immers op de afstand tussen twee opeenvolgende punten. Hoe hoger de resolutie, hoe meer punten opgemeten worden. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) Resolutie wordt verder gebruikt om de minimale grootte aan te geven die de scanner kan onderscheiden bij een individuele afstandsmeting en/of hoekmeting. Er zijn twee scannerspecificaties die bijdragen aan dit vermogen, namelijk de kleinst mogelijke toename van de hoek tussen de opeenvolgende punten en de grootte van de laserspot op het object. (Boehler, Marbs, & M. Bordas, 2003) Het is van belang dat resolutie en nauwkeurigheid niet verward worden. Een toename in resolutie betekent niet per se een toename aan nauwkeurigheid, maar duidt op het feit dat er een toename is in de meetbare en onderscheidbare zaken van het object (graad van detail). Vanuit het standpunt van de gebruikers beschrijft resolutie het kleinste object dat waargenomen kan worden in de puntenwolk.
9
Spotgrootte Een laserstraal divergeert in functie van de afstand (Figuur 8). Hierdoor heeft de laserstraal een conische vorm met een grotere ‘footprint’ op verdere afstanden van de laserscanner. De spotgrootte neemt lineair toe met de afstand. (Pesci & Teza, 2008) In sommige uitvoeringen zal de laserstraal eerst convergeren waardoor op een bepaalde afstand van de laserscanner een minimale spotgrootte bekomen wordt. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Figuur 8: Divergentie van een laserstraal (Reshetyuk, 2008)
De bundeldivergentie wordt met volgende vergelijking weergegeven: = 1 -
w : de straal van de laserspot
-
w0 : de minimale spotgrootte
-
ρw : de afstand tot de minimale spotgrootte
! "#
"
Divergentie wordt gespecificeerd in termen van de begindiameter vermeerderd met een lineaire vergrotingsfactor, uitgedrukt in mradialen, of enkel als de vergrotingsfactor zelf (D. D. Lichti & Gordon, 2004). Zo wordt de spotgrootte voor de Leica HDS6000 uitgedrukt als 3mm bij het verlaten van de scanner vermeerderd met een vergrotingsfactor van 0,22mrad. Het Leica Scanstation C10 heeft een spotgrootte van 4,5mm op 50m. Voor de Riegl LMS-Z420i is dit 13mm op 50m en voor de Riegl LMS-Z210i is dit ongeveer 150mm op 50m. Het gevolg van de divergentie van de laserstraal is een onzekerheid op de positie. De schijnbare locatie van het punt ligt langs de centrale as van de uitgezonden straal, terwijl de eigenlijke locatie van het punt niet voorspeld kan worden aangezien dit ergens in de uitgezonden footprint van de laser ligt. (D. D. Lichti & Gordon, 2004)
10
Scandichtheid Scandensiteit verwijst naar de afstand tussen naburige punten in een puntenwolk. Sommige scanners zijn voorzien van onafhankelijke instelbare verticale en horizontale ‘point-to-point’ afstand. De scandichtheid is één van de grootste variabele tijdens het uitvoeren van een scan. Soms worden de termen scandichtheid en scanresolutie door elkaar gebruikt. Naast het verkleinen van de ‘point-topoint’ afstand kan de scandichtheid ook verhoogd worden door het uitvoeren van meerdere scans van dezelfde locatie. (Jacobs, 2005)
Field of view Het gezichtsveld, ook wel ‘field of view’ of ‘FOV’ genoemd, wordt gekenmerkt door zowel een horizontaal als een verticaal bereik. De grootte ervan is verschillend van toestel tot toestel. 3D-scanners zonder gemotoriseerde rotatieassen hebben een gelimiteerd ‘field of view’. Een typisch gebied dat deze scanners kunnen aftasten is 40° op 40°. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de Leica HDS 2500. Scanners met een enkele as kunnen een gebied scannen van bijvoorbeeld 45° op 320°. De Riegl LMS-Z620 heeft bijvoorbeeld een bereik van 80° op de verticale as en 360° op de horizontale as. Instrumenten met twee roterende assen, ook wel panoramische scanners, kunnen bijna overal scannen. Het maximale ‘field of view’ voor het Leica Scanstation C10 is 360° op de horizontale as en 270° op de verticale as (Figuur 9). (Boehler & Marbs, 2002)
Figuur 9: Field of View van het Leica Scanstation C10 (Leica Geosystems AG, 2011)
Binnen de limieten van hun maximale ‘field of view’ kan bij 3D scanners de actuele ‘field of view’ ingesteld worden in zowel de horizontale als verticale richting.
11
Meetsnelheid Het Leica Scanstation C10, een puls gebaseerde scanner, haalt een meetsnelheid van 50 000 punten per seconde. De huidige generatie toestellen scannen, zowel in de puls gebaseerde als in de fase gebaseerde scanners, tot 1 000 000 punten per seconde. Bijvoorbeeld het Leica P20 Scanstation, de Leica HDS6200, de Leica HDS7000 en de Trimble TX5 beschikken over deze scansnelheid.
Intensiteit In eerste instantie wordt terrestrische laser scanning (TLS) gebruikt om de coördinaten van opgemeten punten te bepalen. Daarnaast kunnen ze het optisch vermogen ofwel de intensiteit van het teruggekaatste signaal meten. De intensiteit van de verkregen data geeft een indicatie van de reflectiviteit van het materiaal. (Kurazume, Nishino, Zhang, & Ikeuchi, 2002; Pesci & Teza, 2008) Na een opmetingssessie met de terrestrische laser wordt een puntenwolk bekomen met volgende gegevens: $%& , (& , )& , *%& , (& , )& , + = 1,2, … , - . Hierin staan xk, yk en zk voor de coördinaten van het k-de punt. Naast deze gegevens wordt verder informatie verworven over de intensiteit van het k-de punt. De intensiteit I wordt weergegeven door een waarde evenredig met het uitgezonden vermogen ten opzichte van de ontvangen puls. N stelt het aantal verworven punten in de puntenwolk voor. (Pesci & Teza, 2008) De relatie tussen het vermogen van het uitgezonden signaal en dat van het teruggekaatste signaal wordt uitgedrukt aan de hand van de ‘laser range equation’. Hiermee wordt een theoretische waarde bekomen voor het teruggekaatste vermogen van de laserbundel. Deze waarde wordt bepaald in functie van het uitgezonden vermogen, de reflectiviteit van het materiaal, de invalshoek, de afstand en de invloed van het systeem en de atmosfeer.
P
. 01. . cos5 89: . 8;<; 47 "
−
Pr: vermogen van het ontvangen signaal
−
Pe: vermogen van het uitgezonden signaal
−
ρ: reflectiviteit van het materiaal van het op te meten object
−
α: invalshoek van het signaal op het oppervlak van het op te meten object
−
r: afstand tussen scanner en object
12
−
η: factor die de invloed op het signaal uitdrukt, respectievelijk veroorzaakt door de doorgang in de atmosfeer en in het systeem
Deze vergelijking kan omgevormd worden naar volgende vorm om de intensiteit van het signaal te berekenen. (Pfeifer, Dorninger, Haring, & Fan, 2007a)
=
ρ. cos5
89: 8;<; 7²
Nauwkeurigheid van de 3D3D-metingen De fabrikant van een 3D-laserscanner geeft steeds gedetailleerde technische informatie over de scanner. Daarentegen is het vaak moeilijk om, uniform tussen de fabrikanten onderling, de kwaliteit van de metingen of de nauwkeurigheid van de 3D-coördinaten te achterhalen. Verder zijn de specificaties meestal gedefinieerd op basis van verschillende scancondities. (Fröhlich & Mettenleiter, 2012; Iavarone, 2002) De nauwkeurigheid van de verworven punten hangt voornamelijk af van de geobserveerde afstand, de invalshoek tussen laserstraal en oppervlakte en van de kwaliteit van de inwendige telemeter (Pesci & Teza, 2008). Volgens Fröhlich en Mettenleiter (2012) hangt de nauwkeurigheid van de afstandsmeting af van de intensiteit van het gereflecteerde laserlicht en daardoor rechtsreeks van de graad van reflectiviteit van een oppervlak. Metingen van een 3D-laserscanner worden echter niet beoordeeld op basis van één meting of punt. De nauwkeurigheid van één enkel punt kan bijvoorbeeld te wensen overlaten maar dankzij de grote hoeveelheid aan opgemeten punten in een scan wordt de uiteindelijke nauwkeurigheid van het gemodelleerde object sterk opgedreven. (Fröhlich & Mettenleiter, 2012; Jacobs, 2005; Pesci & Teza, 2008) Er moet op gelet worden dat een nauwkeurige meting en een precieze meting niet dezelfde betekenis hebben. Nauwkeurigheid is de graad van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen en de werkelijke waarde van de grootheid. Hoe dichter ze bij elkaar liggen, hoe nauwkeuriger de meting. Het geeft de beste indicatie van de datakwaliteit. Precisie is de mate van herhaaldelijkheid voor een bepaalde meting en duidt op de spreiding van de gemeten waarden. Een meting is precies wanneer bij een meting, uitgevoerd in vergelijkbare omstandigheden, hetzelfde resultaat bekomen wordt. Een meting kan bijgevolg precies zijn en niet nauwkeurig of net heel nauwkeurig maar niet precies. Dit effect wordt grafisch weergegeven in Figuur 10.
13
Figuur 10 (v.l.n.r. a, b, c, d): Verschil nauwkeurigheid en precisie (Sick, z.d.)
In Figuur 10a is de nauwkeurigheid klein maar de precisie groot. In Figuur 10b is de nauwkeurigheid goed doordat alle meetwaarden in het groene vlak beland zijn maar de precisie is klein. Figuur 10c toont een nauwkeurige en precieze meting, terwijl de meting in Figuur 10d noch nauwkeurig noch precies is. (Sick, z.d.)
Targets en targetnauwkeurigheid Een target is voor laserscanners het equivalent van een prisma of reflector voor een totaalstation. Er is een wijd assortiment aan targettypes beschikbaar. Er kan een onderscheid gemaakt worden tussen vlakke targets (Figuur 11) en bolle targets (Figuur 12). Elk target kan gescand worden en in de meeste gevallen ook individueel opgemeten worden met behulp van een totaalstation. De artificiële targets worden vaak aangeboden door de fabrikanten van de 3D-laserscanners. Deze targets reflecteren het grootste deel van de laserstraal. (Jacobs, 2005) 3D-scanners kunnen geprogrammeerd worden om automatisch een target te scannen met de gepaste scandichtheid. Het geometrische centrum van het target wordt daarbij door de scanner vastgesteld. (Jacobs, 2005) Naast de artificiële targets kunnen natuurlijke targets onderscheiden worden. Dit zijn specifieke punten die deel uitmaken van het te scannen object, zoals een hoekpunt van een gebouw. Natuurlijke targets worden als minder nauwkeurig beschouwd doordat, ten gevolge van de resolutie, het niet mogelijk is om één enkel punt exact te scannen. Verder is het onzeker of het bepaalde punt weldegelijk gescand werd. (Vlaams Leondardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) Targetnauwkeurigheid weerspiegelt het vermogen van een systeem om een bepaalde positionele nauwkeurigheid van het centrum van een target te realiseren voor een scansysteem en gebruikte software. Er kunnen targetnauwkeurigheden van 1,5mm gehaald worden. Hoe hoger de targetnauwkeurigheid, hoe hoger de nauwkeurigheid van het totale project zal zijn. (Jacobs, 2005) De targets kunnen door het Leica Scanstation C10 verworven worden met 2mm standaarddeviatie.
14
Figuur 11: Vlakke target met zwartwit patroon van Leica (Leica Geosystems, 2014)
2.5
Figuur 12: Bolle target Seco (GO3D, 2014)
Laser
De term ‘laser’ is het acroniem van ‘light amplification by stimulated emission of radiation’. Laserscanners maken gebruik van laserlicht omdat dit licht over specifieke eigenschappen beschikt die andere lichtbronnen niet bezitten. Laserlicht wordt namelijk gekenmerkt door een specifieke golflengte, ook wel monochromatisch licht genoemd. Verder wordt het in één specifieke richting uitgezonden als een nauwe lichtbundel met een lage divergentie. Dankzij deze eigenschappen blijft de stralingsintensiteit in de bundel zelfs op grote afstand hoog. (Baur, 1997) Het Leica Scanstation C10 beschikt over een laser met een golflengte van 532nm, wat overeenkomt met een groene laserstraal.
2.6
Foutenbronnen: algemeen
Elke laserscan resulteert in een puntenwolk met een enorm aantal 3D-coördinaten. In deze puntenwolk bevinden zich vaak punten die niet tot het op te meten object behoren of die grote afwijkingen vertonen. In tegenstelling tot de klassieke opmetingstechnieken kan de kwaliteit van de meting met een 3D-laserscanner niet gegarandeerd worden wanneer louter de puntenwolk als resultaat afgeleverd wordt. (Boehler et al., 2003) De nauwkeurigheden van het toestel, die opgegeven worden door de fabrikanten, werden bepaald onder laboratoriumomstandigheden. In praktijk bestaat de op te meten constructie vaak uit verschillende materialen en worden gedeelten gescand met een variërende scangeometrie. Verder worden wisselende atmosferische omstandigheden meestal niet opgevolgd. Alle fouten, afkomstig uit verschillende foutenbronnen, planten zich voort waardoor ze afwijkingen veroorzaken in het eindproduct. (Soudarissanane et al., 2011)
15
Een beschrijving van de foutenbronnen en de fouten die ze veroorzaken zijn van belang om te begrijpen aan welke beperkingen een 3D-laserscanner onderworpen is. De foutenbronnen bij laserscanners worden in vier groepen onderverdeeld: toestel gerelateerde fouten, object gerelateerde fouten, methodologische fouten en fouten te wijten aan de omgeving. (Nguyen & Lui, z.d.)
Instrumentale fouten Dit zijn fouten die te wijten zijn aan het ontwerp van de laserscanner. Men onderscheidt willekeurige fouten en systematische fouten. Willekeurige fouten zijn fouten die los van elkaar staan en die op onregelmatige basis voorkomen. Ze treden voornamelijk op door onnauwkeurigheden te wijten aan de waarnemer. Daarnaast treden systematische fouten op. Deze fouten worden gedurende de volledige meting meegenomen en zorgen voor een continue afwijking op de meetresultaten. Ze worden meestal veroorzaak door een afwijking op de tijdsregistratie of door temperatuurvariaties in het toestel. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) 2.6.1.1
Onnauwkeurigheid op de hoekmeting
De laserstraal wordt afgebogen met behulp van een afbuigmechanisme, zoals bijvoorbeeld een roterende spiegel of prisma, om de horizontale en verticale hoek te meten. Met onder meer deze twee hoekmetingen worden de 3D-coördinaten van de punten berekend. Elke fout veroorzaakt door de assen of de hoekaflezing resulteert in een fout loodrecht op de meetrichting. De kwaliteit van de hoekmeting wordt dus in grote mate bepaald door de nauwkeurigheid van het meetmechanisme. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008; Boehler et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.) Voor punten gelegen op grote afstand van de scanner geven kleine afwijkingen op de hoekaflezing aanleiding tot aanzienlijke fouten. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) Aangezien de posities van afzonderlijke punten moeilijk verifieerbaar zijn, bestaan amper onderzoeken naar dit probleem. Volgens Boehler en Marbs (2003) kunnen afwijkingen in de hoekmeting opgespoord worden door korte horizontale en verticale afstanden tussen objecten (bijvoorbeeld bollen) te bepalen. De objecten worden daarbij op eenzelfde afstand van de scanner geplaatst. 2.6.1.2
Onnauwkeurigheid op de afstand
Bij deze foutenbron wordt een onderscheid gemaakt tussen de ‘time-of-flight’ laserscanners en de fase gebaseerde laserscanners. Bij de ‘time-of-flight’ laserscanners is de nauwkeurigheid op de afstand
16
afhankelijk van de nauwkeurigheid van het mechanisme waarmee de looptijd van het uitgezonden signaal gemeten wordt. Bij de fase gebaseerde laserscanners is dit afhankelijk van de nauwkeurigheid waarmee het faseverschil tussen uitgezonden en ontvangen signaal gemeten wordt. Bij beide systemen geeft het aanleiding tot een gelijkaardige storing, namelijk een afwijking op de gemeten afstand. (Boehler et al., 2003) Volgens Boehler en Marbs (2003) worden onnauwkeurigheden op de afstand gedetecteerd wanneer gekende afstanden bepaald worden vanuit een gekende positie. Wanneer de 3D- laserscanner niet boven een gekend punt opgesteld kan worden, kunnen enkel verschillen in afstanden gemeten worden. Hiervoor worden best afstandsverschillen tussen vlakke, cilindrische of sferische targets gemeten nadat hun positie bepaald werd met (nauwkeurigere) landmeetkundige methoden. 2.6.1.3
Divergentie van de laserbundel
Ondanks de hoge graad aan ruimtelijke cohesie binnen de laserstraal, treedt divergentie op. Divergeren is het verwijden van de bundel bij toenemende afstand. Hierdoor stijgt de oppervlakte van de ‘footprint’ bij grotere afstanden. Een grotere golflengte stimuleert het effect van divergentie en hoe breder de bundel bij het uitzenden is, hoe kleiner het effect is. De verhouding wordt beschreven aan de hand van volgende formule: (z.n., z.d.) @ A. −
γ: de divergentiehoek
−
β: een constante
−
λ: de golflengte
−
D: de initiële bundeldiameter
λ
Enerzijds heeft het effect op de resolutie van de puntenwolk waardoor op bepaalde plaatsen de vereiste nauwkeurigheid niet behaalt wordt. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) Anderzijds zorgt het verschijnsel voor een onzekerheid op de positie van het gemeten punt. De schijnbare locatie van het punt ligt langs de centrale as van de uitgezonden straal. Echter, de eigenlijke locatie van het punt bevindt zich ergens in de uitgezonden footprint van de laser. (D. D. Lichti & Gordon, 2004)
17
In sommige uitvoeringen zal de laserstraal eerst convergeren waardoor op een bepaalde afstand van de laserscanner een minimale spotgrootte bekomen wordt. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) 2.6.1.4
Randeffect
Het ‘mixed edge’-probleem of het randeffect (Figuur 13) treedt op ten gevolge van de bundeldivergentie van het uitgezonden lasersignaal. Wanneer de bundel een rand van een object raakt, is het mogelijk dat, ten gevolge van de afmetingen van de laserspot, het signaal slechts gedeeltelijk het object raakt en bijgevolg slechts gedeeltelijk gereflecteerd wordt naar de scanner. Het andere deel van het signaal gaat zich naast de rand voortplanten en reflecteren op een verder gelegen oppervlak of wordt helemaal niet teruggekaatst. Wanneer dit deel van het signaal toch teruggekaatst en ontvangen wordt in de scanner geeft het aanleiding tot twee verschillende afstandswaarden voor eenzelfde punt. De scanner berekent het gemiddelde van deze waarden waardoor de positie van het punt niet overeenstemt met de realiteit. De grootteorde van deze fouten bedraagt fracties van millimeters tot enkele decimeters. Dit probleem kan niet helemaal uitgeschakeld worden tijdens het scanproces, maar het kan gereduceerd worden door kleinere bundelbreedtes te hanteren. (Boehler et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 13: Het randeffect (Nguyen & Lui, z.d.)
2.6.1.5
Asfouten Asfouten in de scanner
De asfouten binnen de scanner zijn te wijten aan mechanische imperfecties van de terrestrische laser scanner. Binnen de scanner bevinden zich drie belangrijke assen, namelijk de verticale, de horizontale en de collimatie as. De verticale as is de as die het mogelijk maakt om een laserbundel horizontaal te roteren. De horizontale as is de rotatie-as van de afbuigeenheid. De collimatie as loopt van het centrum van de afbuigeenheid (spiegel) tot het midden van de laserspot op het te meten oppervlak. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
18
Ten gevolge van fabricagefouten zijn de assen niet perfect uitgelijnd. Hierdoor ontstaat de collimatiefout (Figuur 14) en een fout op de horizontale as, wat afwijkingen op de aflezing van de verticale en horizontale hoek veroorzaakt. (Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 14: Collimatiefout (Nguyen & Lui, z.d.)
Objectafhankelijke fouten 2.6.2.1
Reflectie van het object
Laserscanners ontvangen het gereflecteerde signaal van het object. De sterkte van dit signaal wordt beïnvloed door de fysische wetten van de reflectie en de optische eigenschappen van materialen. Monochromatisch licht vertoont reflecties in verschillende richtingen, ook gekend als diffuse reflectie (Figuur 15). (Boehler et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 15: Diffuse (isotrope) reflectie (Nguyen & Lui, z.d.)
De wet van Lambert berekent de invloed van de verschillende variabelen op de gereflecteerde lichtintensiteit. De formule houdt rekening met de absorptie van het signaal door de lucht, de reflectie van het materiaal en de invalshoek waarmee het signaal invalt op het oppervlak. (Nguyen & Lui, z.d.; Vaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) *CD: *E . + . FGH
-
Ii(λ) : de invallende lichtintensiteit in functie van de golflengte
-
kd(λ) : de diffuse reflectiecoëfficiënt in functie van de golflengte
-
θ : de hoek tussen de invallende lichtstraal en de normaalvector op het vlak 19
De reflectie-eigenschappen, de kleur en de afwerkingslaag van het materiaal oefenen bijgevolg een invloed uit op de intensiteit van het teruggekaatste signaal. Donkere oppervlakken absorberen meer licht en kaatsen hierdoor een zwakker signaal terug in vergelijking met lichtere kleuren. Door de hogere intensiteit die terug ontvangen wordt, leveren de lichte kleuren een meer betrouwbaar en nauwkeuriger resultaat voor de afstandsmeting op. Hoog reflectieve materialen, zoals bijvoorbeeld metalen, retro reflectieve tape etc. kaatsen de laserbundel volledig terug naar de 3D-laserscanner. Hierdoor worden verkeerde punten geregistreerd aangezien de bundel een ander vlak raakt voor het signaal de scanner bereikt. Een andere mogelijkheid bestaat erin dat de scanner de bundel niet meer ontvangt. (Nguyen & Lui, z.d.; Vaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) Oppervlakten bestaande uit variërende materialen en/of wisselende graad van reflectiviteit geven aanleiding tot systematische fouten op de afstandsmeting. Voor sommige materialen zijn deze fouten verschillende keren groter dan de standaardafwijking van een enkele meting. Deze fouten kunnen vermeden worden door het gehele oppervlak te bedekken met eenzelfde materiaal maar dit is praktisch moeilijk te verwezenlijken. (Boehler et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.) 2.6.2.2
‘Multipath’reflectie
‘Multipath’ is het fenomeen waarbij de laserstraal vanop een oppervlak gereflecteerd wordt naar een ander oppervlak vanwaar het uiteindelijk terug gereflecteerd wordt naar de scanner. Het signaal is langer onderweg waardoor te grote afstanden gemeten worden. (Nguyen & Lui, z.d.) Ook materialen afgewerkt met een semi-transparante laag geven aanleiding tot foutief gemeten afstanden. Door deze laag wordt het signaal in het materiaal afgebogen en gereflecteerd (Figuur 16), waardoor de looptijd van het signaal verlengd wordt. (Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 16: Refractie bij semi-transparante materialen (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
20
Omgevingsfactoren 2.6.3.1
Temperatuur
Een 3D-laserscanner levert enkel correcte resultaten binnen een bepaald temperatuursinterval. Binnen dit interval kunnen evenwel verstoringen optreden. Door interne opwarming of door de straling van een externe warmtebron, zoals de zon, kan de temperatuur in de scanner oplopen. Deze opwarming in de scanner geeft aanleiding tot vervormingen die zorgen voor systematische verstoringen van de gescande gegevens. Ze hebben voornamelijk een invloed op de afstandsmeting. (Boehler et al., 2003) De temperatuur van het op te meten object beïnvloedt eveneens de meting. In warme omgevingen neemt de achtergrondstraling toe die door warme vlakken veroorzaakt wordt. De signaal/ruisverhouding neemt daardoor af en bijgevolg ook de nauwkeurigheid op de afstandsmeting. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) 2.6.3.2
Atmosfeer
De resultaten van optische afstandsmetingen worden beïnvloed door de atmosferische omstandigheden zoals luchtdruk, temperatuur, luchtvochtigheid, etc… Deze beïnvloeden de brekingsindex, de golflengte en de voortplantingssnelheid van het signaal. Voor korte afstanden of metingen die een beperkte nauwkeurigheid vereisen, wordt het effect vaak verwaarloosd. Bij grote afstanden of hoge precisie scans is het van belang om de gepaste atmosferische parameters toe te passen. Aan de hand van software kan een correctiefactor aangebracht worden. In het algemeen gebruiken de scanners de ISO standaard voor atmosferische condities (15°C; 1013,25 hPa). (Boehler et al., 2003; Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008; Nguyen & Lui, z.d.) 2.6.3.3
Straling interferentie
3D-laserscanners werken in een erg nauwe frequentieband van het elektromagnetisch spectrum. Sterke externe lichtbronnen, zoals lampen en de zon, die in de ontvanger intreden beïnvloeden de meetresultaten. Om dit te verhelpen worden in de ontvanger interferentiefilters geplaatst die enkel de correcte frequenties doorlaten. (Boehler et al., 2003; Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) 2.6.3.4
Distorsie door beweging
Een laserscanner scant de punten van het op te meten object aan een hoge snelheid. Elk punt wordt op een ander ogenblik opgemeten waardoor kleine bewegingen voor verschuivingen in de
21
puntenwolk zorgen. Zowel bewegingen van de scanner, als bewegingen van het object geven hiertoe aanleiding. Trillingen veroorzaken grote fouten in de hoekmetingen. Dit probleem wordt gereduceerd door de laserscanner te monteren op een vast en stabiel platform. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008; Nguyen & Lui, z.d.) De scanner beweegt verder ten gevolge van temperatuurschommelingen. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer de zon een opwarming langs een zijde van de scanner veroorzaakt waardoor één been van het statief uitzet. (Vaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Methodologische fouten Methodologische fouten zijn fouten afhankelijk van de gekozen opmetingstechniek of fouten te wijten aan de ervaring van de gebruiker van de laserscanner. Er kunnen menselijke fouten optreden waarbij een verkeerde scanner, resolutie of verwerkingstechniek gekozen wordt. (Vaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Fouten ten gevolge van de scangeometrie De plaatsing van de laserscanner ten opzichte van het te scannen oppervlak bepaalt de invalshoek, de afstand en de puntendichtheid van de scan (Soudarissanane et al., 2011). De invalshoek heeft de grootste invloed op de datakwaliteit. De beste datakwaliteit wordt bekomen wanneer de laserstraal loodrecht invalt op het oppervlak. Grotere afstanden of grotere invalshoeken bemoeilijken de detectie van het teruggekaatste signaal. Wanneer de invalshoek te groot wordt, worden minder punten verworven en daalt de nauwkeurigheid van de scan. (Nguyen & Lui, z.d.; Pesci & Teza, 2008) Ten gevolge van de divergentie van de laserstraal heeft de laserstraal die loodrecht invalt op het oppervlak een cirkelvormige ‘footprint’. Grotere afstanden resulteren in een grotere cirkelvormige laserspot. Wanneer de invalshoek vergroot en de laserstraal niet meer loodrecht invalt, krijgt de ‘footprint’ een langwerpige vorm (Figuur 17). Door deze langwerpige vorm wordt de energie van de laserstraal verspreid over een grotere oppervlakte. Het teruggekaatste signaal vertoont hierdoor een lagere intensiteit. (Soudarissanane et al., 2011)
Figuur 17: 'Footprint' van een loodrecht invallende straal (links) en van onder een invalshoek (rechts) (Soudarissanane, Lindenbergh, Menenti, & Teunissen, 2011)
22
2.7
Reflectie en reflectiereflectie-eigenschappen
3D -laserscanners bestaan uit een reeks meetsystemen die de laserbundel afbuigen in de te meten richting. Het afbuigingssysteem wijst de laserstraal in de richting van het te meten punt en de laserstraal interageert op die plaats met het object. Bij de interactie van licht met het materiaal treden transmissie, absorptie en reflectie op. Figuur 18 toont een ideale situatie waarbij de transmissie- en reflectiecomponenten spectraal of perfect diffuus zijn. Figuur 19 toont de transmissie en reflectie voor reëel oppervlakken. (Palmer, 2010)
Figuur 18: Ideale reflectie en transmissie (Palmer, 2010)
Figuur 19: Reële reflectie en transmissie (Palmer, 2010)
In de meeste gevallen doen de drie types zich voor maar de verhoudingen verschillen door de karakteristieke kenmerken van de materie (Wynn, 2000). Transmissie is het doorlaten van licht en doet zich vooral voor bij doorzichtige materialen. Bij absorptie wordt het licht opgenomen en omgezet in een andere energievorm, meestal warmte. Reflectie, tenslotte, is het (gedeeltelijk) terugkaatsten van de invallende lichtbundel. (Palmer, 2010) Reflectiviteit wordt beschouwd als de verhouding van de hoeveelheid teruggekaatste straling ten opzichte van de hoeveelheid uitgezonden straling (Pfeifer et al., 2007a).
23
Albedo De term albedo wordt vooral gebruikt om de gemiddelde reflectiecoëfficiënt uit te drukken. Albedo is het gedeelte van de invallende straling dat gereflecteerd wordt op een oppervlak. Reflectie is het proces dat resulteert in de gereflecteerde straling. Albedowaarden zijn dimensieloos en variëren tussen 0 en 1 of tussen 0% en 100%. Hierbij stelt 0% een zwart lichaam voor, dit is een lichaam dat 100% van de invallende straling absorbeert. De waarde 1 of 100% stelt een ideaal reflecterend oppervlak voor, hier wordt alle invallende straling gereflecteerd. Albedowaarden kunnen toegekend worden aan alle materialen en bodemsoorten, zoals te zien is in Tabel 2. (Dobos, z.d.) Tabel 2: Albedowaarden van enkele natuurlijke materialen (Dobos, z.d.)
2.7.1.1
Meten van albedowaarden albedowaarden
Albedowaarden worden gemeten met een stralingssensor of pyranometer. De pyranometer meet eerst de invallende straling en daarna de gereflecteerde straling. Vanuit deze waarden wordt de albedowaarde afgeleid door de waarde van de gereflecteerde straling te delen door deze van de invallende straling. Het is bijzonder ingewikkeld om de werkelijke albedowaarde te bepalen onder natuurlijke omstandigheden. Hiervoor zijn drie redenen op te merken. Een eerste reden is dat de meting niet enkel beïnvloed wordt door de straling van de bron, maar dat eveneens diffuus licht van andere bronnen aanwezig is. Vervolgens reflecteert het oppervlak niet in elke richting evenveel licht of straling. Ten derde wordt gesteld dat de meter slechts een lichtmeting uitvoert onder een klein bereik van hoeken ten gevolge van de beperkte afmetingen van de sensor. Hierdoor zijn de reflectiemetingen enkel monsters van de bidirectionele reflectie distributiefunctie (BRDF). Dit wordt verder uitgelegd in 2.7.4 op pagina 27 van deze studie. (Dobos, z.d.) Door de hoge kostprijs van deze pyranometers zijn deze toestellen vaak niet voorhanden in een schoolomgeving. Glen Gilchrist (2011) ontwikkelde een goedkoop alternatief dat gebruik maakt van 24
digitale fotografie en een freeware verwerkingsprogramma. Het programma bepaalt met behulp van een algoritme een relatieve albedowaarde ten opzichte van een referentieobject met een gekende albedowaarde. De methode stelt een albedowaarde vast met een nauwkeurigheid van ongeveer 3% ten opzichte van de gekalibreerde toestellen. De werkwijze die gehanteerd dient te worden, is de volgende: −
Fotografeer het referentiemateriaal samen met het materiaal waarvan de albedowaarde bepaald dient te worden en laadt deze foto in in het gratis te downloaden programma ‘Image J’
−
Bepaal van het referentiemateriaal en het gevraagde materiaal de gemiddelde waarde aan de hand van bijhorende histograms (Figuur 20)
−
Vervolgens kan de relatieve albedowaarde berekend worden: IJK1LF9:EC
MN99 MCO:E
Hierin is Bgevraagd de gemiddelde helderheid van het gevraagde materiaal en Breferentie de gemiddelde helderheid van het referentiemateriaal. −
De absolute albedowaarde van het materiaal is dan:
IJK1LF9P;: IJK1LFCO:E . IJK1LF9:EC
Hierin in de albedowaarde van de referentie een waarde tussen 0 en 1.
Figuur 20: Gebruik van ImageJ om de histogrammen te bepalen (Gilchrist, 2011)
25
Soorten reflectie 2.7.2.1
Speculai Speculaire reflectie
Speculaire, gerichte of spiegelende reflectie treedt op wanneer het uitgezonden signaal weerkaatst op een effen en glad oppervlak (Figuur 21). Bij deze vorm van reflectie zijn de invalshoek en terugkaatsingshoek even groot. Dit zijn respectievelijk de hoek gevormd tussen de invalsrichting en de normaal en de hoek tussen de normaal en de terugkaatsingsrichting (Figuur 22). (Van Alboom & Vanhaelst, 2012/2013; z.n., z.d.)
Figuur 22: Spiegelende reflectie (Waikato, 2012)
2.7.2.2
Figuur 21: Speculaire reflectie (Waikato, 2012)
Diffuse reflectie
Diffuse reflectie treedt op wanneer het signaal wordt teruggekaatst vanaf een ruw oppervlak. In de praktijk komt deze vorm van reflectie het vaakst voor. Bij diffuse reflectie wordt de invallende straling teruggekaatst in verschillende richtingen door het verschil in oriëntatie van het oppervlak op microniveau (Figuur 23), daardoor is het moeilijk om de exacte richting van het teruggekaatste signaal te voorspellen. Verder ligt de intensiteit van het gereflecteerde signaal lager dan bij vlakke oppervlakken omdat het signaal zich niet meer als bundel voortplant. (Van Alboom & Vanhaelst, 2012/2013; z.n., z.d.)
Figuur 23: Diffuse reflectie (Waikato, 2012)
26
LIDAR Het LIDAR (‘Light Detection And Ranging’) principe laat toe om met een laserscanner, naast coördinaten, extra informatie te verschaffen over de punten uit de puntenwolk. Deze informatie heeft veelal betrekking op de intensiteitswaarde van de punten die gerelateerd zijn aan het vermogen van het teruggekaatste signaal. De waarde wordt bepaald door de meetafstand, de reflectieeigenschappen van het object, zoals het diffuse en speculaire reflectiegedrag, en de absorptie- en transmissie-eigenschappen van het materiaal. (Pfeifer et al., 2007a)
Bidirectional Reflectance Distribution Distribution Function (BRDF) BRDF is een vierdimensionale functie die de hoeveelheid licht beschrijft dat weerkaatst wordt bij reflectie op een ondoorzichtig oppervlak vervaardigd uit een specifiek materiaal. De interactie van het licht is afhankelijk van de specifieke karakteristieke kenmerken van het materiaal en het licht, de positie van de waarnemer en de invalshoek van het licht. (Baribeau, Rioux, & Godin, 1992; Wynn, 2000)
Light Reflectance Value De ‘Light Reflectance Value’ of LRV staat voor de totale hoeveelheid zichtbaar en bruikbaar licht gereflecteerd door een oppervlak in alle richtingen en op elke golflengte wanneer het verlicht wordt door een lichtbron. LRV is een waarde die aangeeft hoeveel licht een bepaalde kleur reflecteert en hoeveel het bijgevolg absorbeert. De waarden kunnen gaan van 0% tot 100%. Hierbij wordt 0% (zwart) als absoluut absorberend en 100% (wit) als perfect reflecterend beschouwd, waarbij opgemerkt moet worden dat deze kleuren in de praktijk moeilijk te verwezenlijken zijn. Het donkerste zwart bevindt zich voor praktische doeleinden rond een LRV van 5%, terwijl het helderste wit zich rond de 90% bevindt. In onderstaande Figuur 24 wordt een LRV schaal voorgesteld. (Sawaya & Sawaya, 2005)
Figuur 24: LRV schaal van de grijswaarden (Sawaya & Sawaya, 2005)
27
2.8
Reeds uitgevoerde onderzoeken
In een onderzoek van Pfeifer (2007) werd de invloed van de intensiteit van teruggekaatst laserlicht onderzocht aan de hand van targets met gekende reflectie- en verstrooiingseigenschappen die vanop verschillende afstanden en onder variërende hoeken gescand werden met een TLS. Met de proef werd getracht om de juistheid van de intensiteitswaarden te bepalen en de mogelijke invloed van reflectie op de afstandsmeting vast te leggen. Daarvoor werd gebruik gemaakt van targets van het merk ‘Spectralon’ (Figuur 25). Deze hebben gekende reflectiviteitswaarden tussen de 5% en 99% en reflecteren het signaal diffuus vanop de toplaag.
Figuur 25: Illustratie van de gebruikte ‘Spectralon’ targets (Pfeifer, Dorninger, Haring, & Fan, 2007b)
In (T Voegtle & Wakaluk, 2009) werden dezelfde targets gebruikt om de invloed van de afstand en de invalshoek te bestuderen. Met een Leica HDS6000 werden de targets vanop 5m, 10m, 15m, 20m en 25m gescand onder verschillende invalshoeken, variërend van 0 tot 90 gon. Figuur 26 geeft de relatie tussen standaarddeviatie en invalshoek weer. Daaruit blijkt dat de invalshoek effect heeft op de precisie van de resultaten. Bij een toenemende invalshoek zakt de standaarddeviatie en bij toenemende afstand nemen de standaarddeviaties van de invalshoeken toe.
Figuur 26: Standaarddeviatie voor verschillende afstanden in functie van de invalshoek (T Voegtle & Wakaluk, 2009)
28
Het onderzoek van Kaasalainen, Jaakkola, Krooks en Kukko (2011) vergelijkt de scanresultaten van de Faro LS 880, de Leica HDS6100 en de Sick LM151 om een algemene correctiemethode te bepalen voor de intensiteit van de data. Figuur 27 geeft het effect van de invalshoek op de intensiteit weer. De resultaten werden vergeleken met theoretische waarden bepaald aan de hand van de Cosinuswet van Lambert (2.6.2.1). Deze wet bepaalt dat de intensiteit bij een perfect diffuus oppervlak evenredig is met de hoek tussen de normaal en de richting van de laserstraal.
Figuur 27: Invloed van de invalshoek op de intensiteit voor de FARO TLS (Kaasalainen, Jaakkola, Kaasalainen, Krooks, & Kukko, 2011)
De resultaten tonen aan dat de intensiteit niet enkel beïnvloed wordt door de invalshoek maar eveneens door de albedowaarde en de ruwheid van het oppervlak, waardoor de correctiefactor ook deze variabelen moet omvatten. Om die reden werd gebruik gemaakt van een empirisch model waarbij de Lommel-Seeliger wet en de wet van Lambert gecombineerd worden. De Lommel-Seeliger wet geeft een goede benadering van de intensiteit voor donkere oppervlakken, terwijl de wet van Lambert een benadering is voor heldere oppervlakken. De vergelijking tussen de geregistreerde intensiteitswaarden en de theoretisch bepaalde waarden aan de hand van deze gecombineerde wet worden weergegeven in Figuur 28.
Figuur 28:Experimenteel bepaalde intensiteitswaarden van de FARO TLS en de theoretisch bepaalde waarden van het empirisch model.
29
Algemeen wordt gesteld dat naarmate de invalshoek toeneemt, de intensiteit en bijgevolg de datakwaliteit afneemt. Een verklaring hiervoor is de toename in de grootte van de laserspot bij stijgende invalshoeken (2.6.5). Het verval is het grootst bij de meest reflectieve materialen. Een invalshoek volgens de richting van de normaal van het vlak wordt als ideaal beschouwd. Aan de Universiteit van Delft (Soudarissanane, Lindenbergh, Menenti, & Teunissen, 2009) is eveneens onderzoek gedaan naar de invloed van de invalshoek op de kwaliteit van de scanresultaten. Een testvlak werd opgesteld op 20m van de TLS en werd geroteerd van 0° tot 80° in stappen van 10° (Figuur 29). Het onderzoek werd uitgevoerd met een FARO LS880-HE80.
Figuur 29: Bovenaanzicht proefopstelling 1 (Soudarissanane et al., 2009)
Op Figuur 30 geeft de rode lijn de totale afwijking weer, de groene is een theoretisch bepaalde waarde voor de invloed van de invalshoek en de blauwe lijn geeft de afwijking weer ten gevolge van andere factoren dan de invalshoek. De resultaten benaderen de theoretische waarden bepaald aan de hand van een model waarbij de invloed van de invalshoek bepaald is op basis van de horizontale hoek, de verticale hoek en de lokale normaalvector van het gemeten oppervlak.
Figuur 30: Resultaten van experiment 1 (Soudarissanane et al., 2009)
30
Het groter wordende verschil tussen de rode en blauwe lijn bij grotere invalshoeken duidt op een toenemende invloed veroorzaakt door de invalshoek. De fout veroorzaakt door andere parameters blijft voor elke meting nagenoeg stabiel. Uit het onderzoek wordt geconcludeerd dat 65° de maximale invalshoek is om betrouwbare resultaten te bekomen. Bij grote hoeken neemt de sterkte van het teruggekaatste signaal af, vanaf circa 65° wordt dit verval te groot om betrouwbare resultaten te bekomen. Ook hier wordt de langwerpige laserspot (2.6.5) als oorzaak aangehaald. De bevindingen omtrent de invloed van de vervormde laserspot worden nogmaals bevestigd in (Nguyen & Lui, z.d.). Uit het onderzoek wordt verder geconcludeerd dat de invalshoek circa 20% aandeel heeft in de totale afwijking op de afstandsmeting. De invloed van de invalshoek wordt mede bepaald door de oppervlaktekarakteristieken van het gescande object. Bij onregelmatige oppervlakken is het effect van de invalshoek op de intensiteit beperkter door de variërende oriëntatie van de microscopische elementen van het oppervlak. Deze bevinding wordt bevestigd door een andere studie (Pesci & Teza, 2008) waarin het effect van oppervlakteoneffenheden op de intensiteitsdata onderzocht werd. Om de invloed te onderzoeken werden de scanresultaten van een vlak en een onregelmatig oppervlak met elkaar vergeleken. Beide panelen werden bevestigd op een vlak wit frame dat om zijn as kan draaien (Figuur 31).
Figuur 31: Proefopstelling met vlak en onregelmatig paneel (Pesci & Teza, 2008)
In totaal werd de opstelling 24 keer gescand voor verschillende afstanden (25m, 50m, 100m en 225m) en onder variërende invalshoeken (van 0° tot 75°, met stappen van 15°). Het witte frame bleef steeds loodrecht staan ten opzichte van de scanner en trad op als referentie voor de panelen die gescand werden.
31
Tussen de verschillende afstanden werden geen opmerkelijke verschillen vastgesteld waardoor enkel de resultaten van de meting op 25m (Figuur 32) met variërende invalshoeken behandeld werd in het onderzoek.
Figuur 32: Scanresultaten op een afstand van 25m bij verschillende invalshoeken (Pesci & Teza, 2008)
In overeenstemming met Kaasalainen et al. (2011) wordt geconcludeerd dat de intensiteit van de teruggekaatste laserstaal daalt met toenemende invalshoek. Bij het onregelmatig oppervlak is de waargenomen intensiteit vrij constant en het intensiteitsverval bij grotere invalshoeken zeer beperkt. De gemiddelde intensiteit van de verschillende vlakken bij de meting op 25m afstand en onder variërende invalshoeken wordt weergegeven in Tabel 3. Tabel 3: Resultaten van de gemiddelde intensiteiten op een afstand van 25m (Pesci & Teza, 2008)
Guihua
et
al.
(2013)
voerden
eveneens
een
onderzoek
uit
naar
de
invloed
van
oppervlaktekarakteristieken op de intensiteit van de TLS scan. Er werden targets met gekende reflectiewaarden (35% en 55%), acht gekleurde platen en zes constructiematerialen gescand vanop verschillende afstanden en onder verschillende invalshoeken met het Leica Scanstation C10. Het testvlak werd op 10m en 30m van de TLS opgesteld en geroteerd in stappen van 10° gaande van 0° tot 80°. Op basis van de scans werd voor elk gemeten vlak drie statische grootheden bepaald. De 32
nauwkeurigheid waarmee het vlak benaderd werd (σp), de gemiddelde intensiteit (I) en de standaarddeviatie op de intensiteit (σ). Figuur 33 geeft de geregistreerde intensiteit weer van de scans van de gestandaardiseerde reflectieplaten op 10m (experiment 1) en 30m (experiment 2) bij variërende invalshoek. Het is duidelijk dat de intensiteit zakt naarmate de invalshoek toeneemt en de afstand groter is. Een hogere reflectie zorgt voor grotere intensiteitswaarden.
Figuur 33: Invloed van de invalshoek op de intensiteit op scanafstand van 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013)
Verder werd de invloed van de invalshoek op de afstandsnauwkeurigheid (Figuur 34) bepaald, evenals de standaarddeviatie op de intensiteit (Figuur 35). Voor de afstandsnauwkeurigheid valt uit de resultaten af te leiden dat een hogere reflectiewaarde en kortere afstand de meest nauwkeurige afstandsmeting oplevert. Opmerkelijk is dat deze afstandsnauwkeurigheid ook toeneemt bij grotere invalshoeken, dit geldt bij beide experimenten. De invloed van de afstand is kleiner bij een hogere reflectie. De standaarddeviatie levert gelijkaardige resultaten op. De kwaliteit van de resultaten ligt hoger naarmate de reflectiviteit en de invalshoek toeneemt. De invloed van de afstand is beperkt.
Figuur 34: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de invalshoek op scanafstand van 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013)
Figuur 35: Standaarddeviatie van de intensiteit in functie van de invalshoek bij 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013)
33
Hetzelfde experiment werd herhaald met kleurvlakken. Qua intensiteit sluiten de bevindingen aan bij deze van de gestandaardiseerde reflectieplaten. De intensiteit stijgt naarmate de kleur lichter wordt en neemt af bij grotere invalshoeken. Zo wordt duidelijk dat de kwaliteit van de puntenwolk in sterke mate afhankelijk is van de reflectiviteit en de invalshoek. Figuur 36 geeft de intensiteit weer die geregistreerd werd voor de verschillende kleurvlakken bij variërende invalshoeken.
Figuur 36: Intensiteit in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et al., 2013)
Voor de afstandsnauwkeurigheid liggen de resultaten in dezelfde lijn. De kleuren die de hoogste intensiteit opleveren zijn ook het nauwkeurigst voor de afstandsbepaling. In functie van de hoek blijft de afstandsnauwkeurigheid stabiel of is er een lichte verbetering naarmate de hoek groter wordt. De enige uitzondering is het rode vlak (Figuur 37).
Figuur 37: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et al., 2013)
34
In (Clark & Robson, 2011) werd de invloed van oppervlaktereflectiviteit op de kwaliteit van de puntenwolk onderzocht. Daarvoor zijn verschillende oppervlakten met gekende kleur- en reflectieeigenschappen geregistreerd vanop verschillende afstanden en onder verschillende invalshoeken met de Leica HDS2500, een puls gebaseerde scanner. De grafieken van de normaalverdeling (Figuur 38) tonen dat bij toename van de invalshoek de oppervlakte onder de curve afneemt en dat de normaalverdeling verbetert. Deze bevindingen worden het meest benadrukt bij vlakken met een grotere reflectiviteit. Bij 60° neemt de dichtheid van de puntenwolk echter sterk af waardoor hoeken van circa 20° à 40° in de praktijk de voorkeur genieten. Deze hoeken leveren een optimale puntenwolk met een beperkte ruis op.
Figuur 38: Vergelijking normaalverdeling bij verschillende invalshoeken voor een wit (links) en zwart (rechts) vlakje (Clark & Robson, 2011)
(Soudarissanane et al., 2011) voerde onderzoek naar de invloed van de scangeometrie op de nauwkeurigheid van de individuele punten van de puntenwolk. Uit het onderzoek wordt de invloed van de invalshoek en de afstand afzonderlijk gefilterd. De afstand heeft effect op de omvang van de ruis die de meting bevat. De ruis en de onzekerheid op de afstandsmeting nemen toe wanneer de afstand tussen scanner en object groter. Figuur 39 geeft met de blauwe lijnen de standaarddeviatie aan nadat de invloed van de invalshoek gecorrigeerd werd. De groene lijnen geven de overgebleven standaarddeviatie nadat ook de invloed van de afstand gecorrigeerd werd.
35
Figuur 39: Standaarddeviatie na correctie van de invalshoek en de afstand (Soudarissanane et al., 2011)
Een tweede opstelling in (Pfeifer et al., 2007b) werd gebruikt om de invloed van de afstand te onderzoeken. In Figuur 40 worden de geregistreerde intensiteitswaarden uitgezet in functie van de afstand. De intensiteit neemt toe naarmate de reflectie toeneemt. De curves van de verschillende targets kennen in functie van de afstand een gelijkaardig verloop. De intensiteit kent een maximum bij korte afstanden waarna de intensiteit daalt tot op een afstand van 15m à 20m. Nadien loopt de geregistreerde intensiteit opnieuw op.
Figuur 40: Geregistreerd intensiteit in functie van de afstand (Pfeifer et al., 2007b)
De gemeten intensiteitswaarden worden vergeleken met theoretische waarden die bepaald zijn aan de hand van een afgeleide van de ‘laser range equation’ (2.4.7). Deze theoretische waarden blijken slechts in heel specifieke omstandigheden betrouwbare waarden op te leveren. Het onderzoek maakt duidelijk dat een empirisch model, waarbij de relatie gelegd wordt tussen de invalshoek, de reflectiviteit en de afstand, gebruikt moet worden om meer betrouwbare voorspellingen te maken betreffende de intensiteit. 36
In de zoektocht naar een algemene correctiemethode deed Kaasalainen et al. (2011) onderzoek naar de invloed van de afstand op de intensiteit. De invloed van de afstand op de intensiteit werd onderzocht aan de hand van vier ‘Spectralon’-platen met gekalibreerde reflectiewaarden van 12%, 25%, 50% en 99% die vanop verschillende afstanden werden gescand. Uitgaande van de Lidarvergelijking werden alle variabelen, behalve deze afhankelijk van de afstand, beschouwd als een constante K. Deze constante dient empirisch bepaald te worden, op die manier kan de vergelijking herschreven worden als volgt.
0Q
R S²
Figuur 41 geeft de invloed van de afstand en reflectie op de geregistreerde intensiteit weer voor de drie 3D-laserscanners. Het afstandseffect is voor elke scanner gelijkaardig. De intensiteit neemt duidelijk af bij toenemende afstand. Voor korte afstanden lijkt de verhouding K/R² minder betrouwbaar te zijn voor het benaderen van de intensiteit. Dit geldt voor elke geteste scanner. De intensiteit neemt af voor afstanden kleiner dan 5m, vermoedelijk kan dit verklaard worden door voorzieningen, aangebracht in de scanner, die ervoor zorgen dat de helderheid wordt afgezwakt bij korte afstanden. Voor afstanden vanaf 10m is de verhouding K/R² wel een goede benadering voor de intensiteitswaarden. De resultaten dienen daarvoor eerst verschaald te worden of een offset moet aangebracht worden om nauwkeurigere resultaten te bekomen. Dit wijst erop dat de intensiteit niet enkel door de afstand bepaald wordt maar ook door de eigenschappen van de scanner. Wetende dat het effect van de afstand deels bepaald wordt door het instrument, is het aan te raden om correcties toe te passen aan de hand van een tabel, gebaseerd op referentiemetingen. De ‘Lidar’-vergelijking vormt een degelijk alternatief.
Figuur 41: Intensiteit in functie van de afstand voor de FARO LD880 en Leica HDS6100 en vergeleken met de verhouding K/R² (Kaasalainen et al., 2011)
Soudarissanane et al. (2009) beschrijft een tweede proefopstelling waarbij getracht wordt om het effect van de afstand te bepalen. Het testvlak werd gepositioneerd op 5m, 10m, 20m, 30m, 40m en 37
50m. De resultaten (Figuur 42) tonen aan dat de afwijking toeneemt bij toenemende reflectiviteit en afstand. De invloed onafhankelijk van de invalshoek, verloopt gelijklopend met de toename van de afstand. Een grotere afstand leidt tot een grotere afstandsfout. (Soudarissanane et al., 2009)
Figuur 42: Resultaten van experiment 2 (Soudarissanane et al., 2009)
Lichti en Harvey (2008) scanden verschillende gesteenten vanop korte (3m) en middellange (53m) afstand om de invloed van de reflectiviteit op de intensiteit en afstandsnauwkeurigheid te onderzoeken. De lichtere stenen, zoals kalksteen en witte graniet,
leverden grotere
intensiteitswaarden op dan donkere gesteenten, zoals steenkool. Voor elk gesteente neemt deze waarde af wanneer de afstand tussen TLS en object groter is. Verder blijkt dat door de sterkere terugkaatsing van de laserstraal, de maximale scanafstand groter is bij hoog reflectieve materialen. Tabel 4 geeft een overzicht van de geregistreerde intensiteit voor de verschillende steensoorten. Tabel 4: Overzicht van de geregistreerde intensiteit (Lichti & Harvey, 2008)
38
De studie van Clark en Robson (2011) spreekt van een systematisch, niet-lineair verband tussen het verschil in afstandsmeting en de reflectiewaarde van elk kleurvlak. Een soortgelijk verband geldt tussen de afwijking op de afstand en de meetkwaliteit waaruit het verband tussen de meetkwaliteit en de reflectiewaarde volgt. In vergelijking met een nauwkeurig bepaalde referentieafstand wordt duidelijk dat een lage spectrale reflectiewaarde (donkere kleur) aanleiding geeft tot grotere afwijkingen en een afname van de kwaliteit van de meting. Bij een hogere reflectiewaarde (lichtere kleur) wordt een hogere dichtheid van de puntenwolk bereikt en is de ruis beperkt.
Figuur 43: Afwijkingen in functie van de reflectiewaarde (Clark & Robson, 2011)
Uit de data blijkt dat bij orthogonale metingen de ruis eerder willekeurig optreedt (Figuur 43). Eveneens vertoont de dichtheid en verdeling van de data in de puntenwolk amper verschil voor oppervlakten met een verschillende reflectiviteit, wanneer deze vanop eenzelfde afstand gemeten worden (Figuur 44).
Figuur 44: Vergelijking van de normaalverdelingen bij een orthogonale meting (Clark & Robson, 2011)
39
Vanop twee verschillende afstanden leverden de metingen van eenzelfde kleurvlakje geen significant verschil op. Hierbij vertoont de standaarddeviatie wel grotere variaties bij lichte kleuren, in vergelijking met degene van de donkere kleuren. Voegtle en Wakaluk (2009) bevestigen dat de afstandsfout toeneemt bij grotere afstand tussen TLS en object (Figuur 45). Bovendien neemt de standaardafwijking toe in functie van de afstand, maar daalt ze bij hogere reflectiviteit (Figuur 46).
Figuur 45: Afstandsafwijking en zijn onzekerheid in functie van de afstand voor het target met 50% reflectiviteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)
Figuur 46: Standaarddeviatie [mm] van da afstandmetingen in functie van de reflectiviteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)
Er werden ook vaststelling gedaan met betrekking tot de relatie tussen de reflectiviteit van het object en de intensiteit van het teruggekaatste signaal. Figuur 47 geeft duidelijk weer dat de intensiteit toeneemt naarmate de reflectiviteit hoger is. 40
Figuur 47: Relatie tussen reflectiewaarden en geregistreerde intensiteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)
In een gelijkaardig onderzoek (T. Voegtle, Schwab, & Landes, 2008) werden intensiteitswaarden van verschillende grijswaarden onderzocht. De intensiteitswaarden en de standaarddeviatie nemen systematisch toe naarmate de tint helderder wordt (Figuur 48) . Deze vaststellingen werden verder onderzocht en bevestigd aan de hand van kleurvlakken.
Figuur 48: Gemiddelde intensiteit in functie van de grijswaarde (T. Voegtle et al., 2008)
Voegtle et al (2008) deden gelijkaardig onderzoek met de trimble GX, een pulsscanner. Elke vlak werd orthogonaal gemeten en de invloed van de helderheid op de nauwkeurigheid werd onderzocht. Om de afstandsnauwkeurigheid te onderzoeken werd een best passend vlak gecreëerd op basis van alle geregistreerde punten van eenzelfde vlakje en werd dit vergeleken met een referentieafstand.
41
Metingen van de grijskaarten geven een significant verband aan tussen de helderheid van vlakken en de gerealiseerde nauwkeurigheid. Opvallend is dat de afwijking voor wit groter is dan bij de lichtste grijswaarden. Figuur 49 geeft de resultaten weergegeven. De gekleurde bladen leveren gelijkaardige resultaten op. De afstandsfout neemt toe naarmate de kleur donkerder is.
Figuur 49: Afstandsnauwkeurigheid voor de verschillende grijswaarden (T. Voegtle et al., 2008)
In (Kersten, Sternberg, & Mechelke, 2005) werd onderzoek gedaan naar de nauwkeurigheid van de terrestrische laserscanner Trimble Mensi GS100. In een deel van het onderzoek werd onderzocht wat de invloed is van de oppervlakte-eigenschappen op de afstandsmeting. Voor het onderzoek naar de invloed van kleuren en helderheidswaarden werden gekleurde bladen (20cm x 20cm) van RAL-kleuren met gekende reflectiewaarden gemeten vanop 8m met een resolutie van 3,2 millimeter. Ook hier tonen de tests aan dat vlakken met een lage LRV aanleiding geven tot een lagere intensiteit van het gereflecteerde lasersignaal dan heldere oppervlakken met een hoge LRV. Toch kan aan de hand van de resultaten geen duidelijk verband tussen de LRV en de geregistreerde intensiteitswaarden aangetoond worden, maar wel een direct verband tussen de intensiteit en de standaarddeviatie van een benaderend vlak. Bij een toename van intensiteit neemt de standaarddeviatie af en vice versa. De reflectiviteit heeft dus effect op de kwaliteit van de resultaten (Figuur 50).
42
Figuur 50: Verhouding van de intensiteit en standaarddeviatie (Kersten et al., 2005)
(Bucksch, Lindenbergh, & Van Ree, 2009) onderzochten de invloed van verzwakte intensiteit van het teruggekaatste signaal op de scankwaliteit. Deze verzwakking wordt bepaald door de hoeveelheid licht dat geabsorbeerd wordt door het gescande oppervlak. Voor de metingen is de opstelling Esser Test Chart TE 109 gebruikt (Figuur 51). Het is een opstelling bestaande uit verschillende grijsvlakken met gekende reflectiewaarden, gaande van een hoog reflectief wit tot sterk absorberend zwart vlak. Het vlak werd loodrecht voor de scanner opgesteld op 4m afstand en de metingen zijn uitgevoerd met een TLS Z&F Imager 5003 en de FARO HS880. De scanresolutie van de FARO HS880 is ongeveer dubbel zo groot als deze van de Imager 5003.
Figuur 51: Esser Test chart TE 109 (Bucksch et al., 2009)
Figuur 52 en Figuur 53 geven een beeld van de geregistreerde intensiteit van de teruggekaatste straling voor elk individueel gescand punt van de verschillende patches met respectievelijk de Imager 5003 en FARO LS 880. De kleur van de stippen geeft de intensiteit weer en verschilt duidelijk voor de verschillende grijswaarden.
43
Figuur 52: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009)
Figuur 53: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009)
Tabel 5 geeft een overzicht van de geregistreerde resultaten voor beide onderzochte TLS. Uit het percentage geregistreerde punten blijkt dat voor vlakken met lage reflectie (6 velvet) de meeste punten verloren gaan, hoewel dit voor alle vlakken beperkt blijft. De intensiteit ligt duidelijk het hoogst voor vlakken met de hoogste reflectie. Door de sterkere terugkaatsing wordt meer van de uitgezonden energie gereflecteerd. De intensiteit neemt dan ook af bij afnemende reflectiviteit.
44
De laatste kolom geeft een indicatie van de afstand tussen het referentievlak en de patches. Uit die resultaten is moeilijk een algemene trend te halen. De middelste grijswaarden leveren voor beide scanners de nauwkeurigste resultaten op. De standaarddeviatie σ duidt op de spreiding van de punten per patch. Algemeen geldt dat de onzekerheid op de afstand toeneemt bij een lagere reflectie en bijgevolg ook een bij lagere intensiteit. Tabel 5: Resultaten van de scans met de Imager 5003 en FARO LS880 (Bucksch et al., 2009)
In (Nguyen & Lui, z.d.) werden de verschillende foutenbronnen van een laserscan geanalyseerd. Eén aspect daarvan had betrekking op de reflectiviteit. Het onderzoek bevestigt de meeste resultaten die in andere praktische onderzoeken bekomen werden, namelijk dat reflectie duidelijk invloed heeft op de kwaliteit, intensiteit en nauwkeurigheid van de afstandsmeting en dat hogere reflectiewaarden betere resultaten opleveren.
45
3 PROBLEEMSTELLING ROBLEEMSTELLING De techniek van het terrestrisch 3D-laserscannen is niet meer weg te denken uit de landmeetkunde. Bij terrestrische 3D-laserscanners bestaat echter een onzekerheid over de nauwkeurigheid en de precisie van de geregistreerde individuele punten. Tijdens de meting wordt niet specifiek gericht op een afzonderlijk punt maar wordt de nauwkeurigheid bepaald door een groot aantal geregistreerde punten. Afwijkingen op de ware ligging van een individueel punt kunnen hierdoor moeilijk of zelfs onmogelijk bepaald worden. (Boehler et al., 2003) In praktijk bestaat de op te meten constructie vaak uit verschillende materialen en worden gedeelten gescand met een variërende scangeometrie (Soudarissanane et al., 2011). Verder wordt gesteld dat elke meting onderhevig is aan een groot aantal invloedsfactoren eigen aan de 3D-scanner, het te scannen object, de meetomstandigheden en de omgeving (Nguyen & Lui, z.d.). Bestaande testen op de verschillende types van terrestrische 3D-laserscanners tonen aan dat de positie- en afstandsnauwkeurigheid en de precisie van de verkregen punten afhankelijk zijn van een groot aantal factoren waaronder de afstand, de invalshoek van de laserstraal, de kleur en de reflectiviteit van het te meten object. (Clark & Robson, 2011; Guihua et al., 2013; Pesci & Teza, 2008; Pfeifer et al., 2007b; Soudarissanane et al., 2011; T. Voegtle et al., 2008) Een directe vergelijking tussen de verschillende toestellen is moeilijk aangezien de technische specificaties niet op een uniforme wijze aangeleverd worden door de fabrikanten en zelfs toestellen van hetzelfde type van één fabrikant onderling afwijkingen kunnen vertonen. Aan deze problematiek werden reeds verscheidene onderzoeken gewijd. (Fröhlich & Mettenleiter, 2012; Iavarone, 2002) Een nadeel van het terrestrisch laserscannen is de tijdrovende dataverwerking. (Deruyter, Van Quickelberghe, Nuttens, Stal, & De Wulf, 2013) gebruikten reeds een ‘quick-and-dirty’-methode. Bij dergelijke methode wordt de puntenwolk zelf niet opgekuist maar gebeurd enkel een primitieve modellering van het vlak. Met de 3D-laserscanner die aangekocht werd door de Universiteit Gent, het Leica Scanstation C10, werden reeds diverse tests uitgevoerd om de invloed van verscheidene paramaters op de scandata te onderzoeken. De invloed van de afstand en invalshoek in functie van de reflectiviteit van materialen op de scanresultaten van dit toestel werd nog niet onderzocht. Hierdoor kunnen de mogelijkheden en de beperkingen van de 3D-laserscanner moeilijk ingeschat worden wanneer deze ingezet wordt in specifieke praktische omstandigheden.
46
4 DOELSTELLING EN AFBAKENING Het onderzoek beperkt zich tot het testen van de tijdsgebaseerde terrestrische 3D-laserscanner Leica Scanstation C10. Ten gevolge van het ontbreken van uniforme specificaties bestaat een onzekerheid op de datakwaliteit die geleverd wordt door een terrestrische 3D-laserscanner. De technische fiche van het gebruikte Leica Scanstation C10 spreekt over een gemoduleerde nauwkeurigheid van 2mm. De positie van een gemodelleerd vlakje is echter afhankelijk van verschillende invloedsfactoren. Het doel van dit onderzoek is de invloed van parameters zoals afstand, invalshoek van de laserstraal en reflectiviteit van het object vast te stellen met als oogmerk het bepalen van de ideale scangeometrie en de beperkingen van de specificaties na te gaan. De invloed van de reflectiviteit van een object op de intensiteit van het teruggekaatste signaal wordt summier bestudeerd. Aangezien het modelleren van oppervlakken een tijdrovend proces is, wordt gebruik gemaakt van een ‘quick-and-dirty’-methode. Enkel ruis afkomstig van voorbijgangers en wagens zullen uit de scans gefilterd worden aangezien deze een vertekend beeld van de puntenwolk veroorzaken. Ook de precisie van black-and-white-targets wordt opgegeven door de fabrikant. Deze graad van precisie wordt gegeven als 2mm standaarddeviatie. Een indicatie van de afstand en/of invalshoek waaronder deze scans dienen te gebeuren werden niet voorzien in de fiche. Om in de praktijk voldoende kwalitatieve scanresultaten te bekomen, is een richtlijn met beperkingen en/of mogelijkheden in scangeometrie aan te raden. Wegens de gelimiteerde praktische omstandigheden werd een beperkt aantal opstellingen uitgevoerd. De opstellingen werden gekozen in functie van afstand en invalshoek. Met de toestelhoogte werd tijdens de metingen geen rekening gehouden. Het onderzoek beperkt zich tot volgende opstellingen: -
5m: 0°, 30°, 45° en 60°
-
25m: 0°, 30°, 45°, 60°
-
50m: 0°
-
75m: 0°, 30°, 45°, 60°
Elke opstelling bevatte vlakjes met vier verschillende graden van reflectiviteiten.
47
5 ONDERZOEKSMETHODE 5.1
Leica scanstation C10 Tabel 6: Technische specificaties
Instrumenttype Positienauwkeurigheid Afstandsnauwkeurigheid Hoeknauwkeurigheid Nauwkeurigheid gemoduleerd oppervlak Golflengte laserstraal Bereik Spotgrootte Scansnelheid Field-of-view
Pulsscanner 6 mm 4 mm 60 µrad/60 µrad (12”/ 12”) 2 mm 532 nm (zichtbaar licht), groen 300m bij 90% albedo, 134m bij 18% albedo Bij 0 – 50 m: 4.5 mm 7mm Tot 50 000 punten/seconde Horizontaal: 360° Verticaal: 270°
Figuur 54: Leica Scanstation C10
5.2
Methode
Om de invloed van de afstand, de invalshoek en de reflectiviteit op de afstandsnauwkeurigheid te onderzoeken werd een proefopstelling opgebouwd in een stabiele omgeving waar de intensiteit van het omgevingslicht, de luchtvochtigheid en de temperatuur minimale schommelingen vertonen. Hierdoor werden alle scans in gelijkaardige omstandigheden uitgevoerd. Dit was noodzakelijk om onderling vergelijkbare resultaten te bekomen aangezien de metingen over verschillende dagen gespreid werden.
48
De proefopstelling dient de invloed van de verschillende parameters afzonderlijk te kunnen bestuderen. Om die reden werd geopteerd voor een verplaatsbaar bord dat vanop verschillende afstanden en onder variërende hoeken opgesteld en gescand werd. Drie ‘black-and-white’-targets (Figuur 55) werden met een laserprinter afgedrukt op zelfklevend papier en werden rechtstreeks op het bord bevestigd. Rond elk ‘black-and-white’-target werden verfstalen met verschillende ‘Light Reflectance Value (LRV)’ uit de ‘We Are Colour’-waaier van het merk Boss Paints bevestigd. Deze stalen werden geselecteerd uit een enkele verfwaaier zodat de oppervlaktekarakteristieken van elk staaltje dezelfde zijn en de LRV de enige variabele is. Twee gelijke vlakjes werden schrijdelings bevestigd rondom de ‘black-and-white’-targets, zodat in totaal vier verfstalen rond elk target hingen (Figuur 56). Voor elke verfstaal werd de albedowaarde bepaald met behulp van de methode beschreven in 2.7.1.1 van dit werk.
Figuur 55: Black-and-white target (Leica Geosystems AG, 2014)
Figuur 56: Bord met targets en vlakjes
De toegekende nummering van de vlakjes werd verduidelijkt in Figuur 57 en Tabel 7. De rood omkaderde vlakjes werden in de loop van het onderzoek toegevoegd om de oorspronkelijke vlakjes 1 en 2 te vervangen omwille van beschadigingen die hieraan werden aangebracht door onbekenden. De vlakjes met nummer 5 en 6 werden buiten beschouwing gelaten, aangezien deze gebruikt zouden worden om het effect van kleuren te onderzoeken. De bedoeling hiervan was om verder onderzoek 49
mogelijk te maken zonder dat hiervoor opnieuw het tijdrovend proces van de data acquisitie moet doorlopen worden.
Figuur 57: Geplaatste targets met de verschillende vlakjes Tabel 7: Eigenschappen van de kaartjes
Vlakje 1 2 3 4
Waaiernummer1 WE M07 WE Y43 WE Y44 WE M60
Verfnaam Black night Greyish brown Silver white White Cluster
LRV [%] 5,4 33,1 70,6 85,0
Albedo [%] 5,0 26,8 66,3 83,8
Het bord werd opgesteld op 5m, 25m, 50m en 75m van de scanner en met behulp van driehoeksmeetkunde werd het bord gepositioneerd onder een hoek van 0°, 30°, 45° en 60° ten opzichte van de scanner. Wanneer de richting van de scanner loodrecht invalt op het bord werd gesproken van 0°. De invloed van de invalshoek werd niet onderzocht op 50m. Er werden in totaal 13 verschillende opstellingen gescand (Tabel 8). Tabel 8: Uitgevoerde opstellingen
Invalshoek [°]
Afstanden [m]
1
0 30 45 60
5
25
50
75
/ / /
WE staat voor de ‘We Are Colour’- kleurenwaaier van Boss Paints
50
Figuur 58: Invalshoeken ten opzichte van de scanner
Voor het scannen van de kaartjes werd eerst een lage resolutiescan van de volledige omgeving uitgevoerd waarin het scangebied, namelijk het bord met de kaartjes, afgebakend werd (Figuur 59). Op de laptop die in verbinding stond met de scanner werd op basis van gegevens uit de ruwe scan een ‘script’ (Figuur 60) opgesteld om de data acquisitie te automatiseren.
Figuur 59: Afbakenen van het te scannen gebied
51
Figuur 60: Voorbeeld van een script
De scans werden uitgevoerd met een resolutie van 1mm (Figuur 61). Op die manier werd om de millimeter, zowel in horizontale als in verticale richting, een punt geregistreerd waardoor een puntenwolk met hoge dichtheid verkregen werd. Hoewel de resolutie ingesteld werd op 1x1 mm, wordt die niet overal gehaald. De gehaalde resolutie kan berekend worden aan de hand van de ptxen pts-bestanden die geëxporteerd worden uit Cyclone.
Figuur 61: Bepalen van de resolutie
Vervolgens werden van elk ‘black-and-white’-target tien afzonderlijke targetscans uitgevoerd. Voor het scannen van de ‘black-and-white’-targets diende de scanner handmatig ingesteld te worden. Bij grotere afstanden, vanaf 50m, en grotere invalshoeken bleek het scannen van de ‘black-and-white’targets niet meer mogelijk en werd de methode aangepast. De drie kleinere ‘black-and-white’-targets tussen de vlakjes werden vervangen door vier grotere, aangebracht in de hoeken van het bord (Figuur 62). Van elk van deze targets werden per opstelling eveneens tien targetscans uitgevoerd.
52
Figuur 62: Bord met vlakjes en 4 extra targets
5.3
Verwerking van de scans
De verwerking van de verkregen puntenwolken gebeurde in Leica Cyclone 8.0. De statistische verwerkingen gebeurden in Microsoft Office Excel en in SPSS Statistics 20 van IBM.
Positienauwkeurigheid van de de targetscans Van elk ‘black-and-white’-target werden 10 targetscans uitgevoerd. Deze scans worden volgens de specificaties van het Leica scanstation nauwkeuriger uitgevoerd dan gewone scans. Met behulp van het verwerkingsprogramma Cyclone 8.0 werden de geregistreerde coördinaten geëxporteerd waaruit de gemiddelde coördinaten berekend werden met Excel. Deze gemiddelde waarden werden beschouwd als de ‘juiste’ coördinaten van de targets binnen het lokale XYZ-coördinatenstelsel voor de bepaling van de nauwkeurigheid van de positiebepaling van de gemodelleerde oppervlakken. Voor elk target werd de standaardafwijking op de positie en op de X-, Y- en Z-coördinaat berekend. Om na te gaan of de standaardafwijking op de positie met de standaardformule in Excel correct berekend werd, werd dit gecontroleerd met behulp van de wet op foutenvoortplanting. De formule in Excel is immers een vereenvoudiging waar geen rekening gehouden wordt met verticale en horizontale hoeken. Hieruit bleek dat amper verschil, grootteorde 10-6mm, in de resultaten op te merken was. De standaardafwijkingen in Excel konden hierdoor allemaal met de standaardformule ‘STDEV’ berekend worden. De controleberekening bevindt zich in bijlage 3. De gegevens van de targetscans werden op een statistische wijze geanalyseerd met de software SPSS Statistics 20 om de betrouwbaarheid van de data te controleren. De belangrijkste statistische grootheden en de normaalverdeling van de gegevens werden bestudeerd.
53
Voor elk target werd de normaalverdeling aan de hand van de Kolmogorov-Smirnovtest (KS-test) onderzocht voor de X-, de Y- en de Z-coördinaat. Bijlage 4 bevat de resultaten die bekomen werden voor één target. Naast de verdeling zijn de belangrijkste statistische grootheden berekend en weergegeven in tabellen. De onderzochte grootheden worden hier toegelicht op basis van de helpfunctie van SPSS en één volledig resultaat is terug te vinden in bijlage 5. -
Gemiddelde (‘mean’): het rekenkundig gemiddelde van de waarden bekomen door de sommatie van al de resultaten en dit te delen door het aantal waarden
-
95% betrouwbaarheidsinterval (‘95% confidence interval’): geeft de boven- en ondergrens van het gebied waarin het gemiddelde met 95% zekerheid ligt
-
Mediaan (‘median’): de middelste waarde of het gemiddelde van de twee middelste waarnemingen van de geordende resultaten
-
Standaarddeviatie (‘std. deviation’): de vierkantswortel uit de variantie (= Is de som van het kwadratisch verschil van elke waarde ten opzichte van het gemiddelde, gedeeld door het aantal waarnemingen.) en is een maat voor de spreiding
-
Minimum: de laagste vastgestelde waarde
-
Maximum: de hoogste vastgestelde waarde
-
Bereik (‘range’): het verschil tussen de kleinste en de grootste waarde en een maat voor de spreiding van de resultaten
-
Scheefheid (‘skewness’): drukt de (a)symmetrie van de verdeling uit. Een waarde tussen 1 en -1 duidt op symmetrie, 0 is het ideale. Een waarde kleiner dan -1 duidt op scheefheid met de hoogste waarde verschoven naar rechts, een waarde groter dan 1 duidt op een verschuiving naar links
-
Steilheid (‘kurtosis’): een maat voor de steilheid van de verdeling. Een hoge waarde leidt tot een sterke piek van de grafiek en betekent dat de grafiek sterkt bepaald wordt door extreme waarden. Een lagere waarde duidt op een grafiek die meer afgevlakt is en sterker bepaald wordt door een grotere hoeveelheid minder extreme waarden
Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand De 30 scans van de kaartjes werden door middel van één ‘script’ uitgevoerd waardoor de puntenwolken in één ‘scanworld’ samengevoegd werden. Elke puntenwolk werd op één afzonderlijke laag geplaatst en deze kregen de naam ‘PWxx’ waarbij xx gaat van ‘01’ tot en met ‘30’.
54
Vervolgens werden alle lagen gelijktijdig zichtbaar gemaakt en werden uit alle puntenwolken gelijke stukken uit de vlakjes gesneden. Hierbij werd niet het volledige vlakje uitgeknipt. De randen werden buiten beschouwing gelaten omdat deze vatbaarder zijn voor fouten. De randen van de kaartjes kunnen loskomen of het ‘mixed-edge’-effect kan optreden (Figuur 63).
Figuur 63: Knippen van de vakjes met aantonen van het ‘mixed edge’-probleem
Voor elke puntenwolk werden vier nieuwe lagen aangemaakt, namelijk ‘PWxxV1’, ‘PWxxV2’, ‘PWxxV3’ en ‘PWxxV4’. De nummering van de vakjes loopt gelijk met de toegekende nummers uit Figuur 57. De uitgesneden vlakjes werden per koppel vervolgens op een aparte laag geplaatst. Elke laag werd afzonderlijk zichtbaar gemaakt en uit de punten van de twee zichtbare puntenwolken werd een best passend vlak, ofwel ‘patch’, gecreëerd (Figuur 64). Dit gecreëerde vlak werd gebruikt als basis voor de onderzoeken naar de afstandsnauwkeurigheid.
Figuur 64: Creëren van een 'patch'
55
Om dit te onderzoeken werden twee methodes toegepast. De resultaten werden daardoor niet beïnvloed waardoor de waarden onderling vergelijkbaar bleven. Bij de eerste methode werd rechtstreeks gewerkt met de gemiddelde coördinaten van de targets. Dit was het geval voor de metingen waarbij de ‘black-and-white’-targets tussen de vlakjes bruikbaar waren. De gemiddelde coördinaten van de targets werden ingevoerd in de ‘scanworld’ van de vlakjes. Op basis van de coördinaat werd de afstand berekend tot het best passende vlakje van de puntenwolken (Figuur 65). Van deze afstanden werd het gemiddelde, het minimum, het maximum, het verschil tussen de extrema, de mediaan en de standaardafwijking bepaald in Excel. Verder werd visueel gecontroleerd of de ‘patch’ voor of achter het target lag om na te gaan in welke richting de geregistreerde afstand beïnvloed werd.
Figuur 65: Meten van het afstandsverschil tussen patch en target
De tweede methode werd toegepast voor de metingen waarbij vier targets op de hoeken van het bord gebruikt werden. Het principe bleef hetzelfde. Er werd nog steeds een afstandsmeting uitgevoerd tussen de ‘patches’ en een nauwkeurig bepaald referentiepunt. Om dit referentiepunt te creëren werd ook hier uitgegaan van de gemiddelde coördinaten van de targets. De diagonaal tegenover elkaar liggende targets werden met elkaar verbonden door middel van een polylijn. De plaats waar deze twee
56
verbindingslijnen elkaar snijden werd gebruikt om een referentiepunt in te voegen (Figuur 66).
Figuur 66: Meten van de afstand bij 4 targets
Tenslotte werd de ligging van de verschillende ‘patches’ ten opzichte van het bord gecontroleerd door een vlak te creëren met de vier targets als hoekpunten (Figuur 66) waaruit vervolgens een ‘patch’ gecreëerd werd als referentievlak. De ligging van de ‘patches’ ten opzichte van het referentievlak werd visueel gecontroleerd (Figuur 67). De verdere verwerking van de resultaten verliep gelijkaardig aan deze van de eerste methode.
Figuur 67: Positie van de patches ten opzichte van het referentievlak
Intensiteit De intensiteit van de verkregen data uit de puntenwolk geeft een indicatie van de graad van reflectiviteit van het materiaal. De intensiteit werd rechtstreeks uit de data van de puntenwolken 57
gehaald. Nadat de correcte vlakken uitgeknipt werden in Cyclone werd per opstelling een duo puntenwolken van elke reflectiviteit geëxporteerd. De export kon gebeuren op basis van een ptxbestand of een pts-bestand. De bestanden kunnen meerdere puntenwolken bevatten en indien een registratie van de gegevens gebeurde bevat het bestand ook de transformatiematrix. Cyclone exporteert een ptx-bestand in zeven kolommen: x, y, z, intensiteit, rood, groen en blauw. Aangezien met het Leica Scanstation C10 geen RGB-waarden geregistreerd worden, bestond het uitgelezen ptxbestand uit slechts vier kolommen. Intensiteiten werden weergegeven in het interval [0,1]. In een ptxbestand worden tevens de punten weergegeven waar geen signaal werd van ontvangen, deze worden weergegeven als een lijn met (0,0,0) als coördinaten. Deze lijnen worden bij een pts-bestand niet opgenomen, waardoor dit bestand enkel de geregistreerde punten bevat. In een pts-bestand wordt de intensiteit niet decimaal weergegeven, maar de gegeven waarde kan omgezet worden door te sommeren met 2048 en dit getal te delen door 4096. Verder onderzoek zou aan de hand van deze gegevens de resolutie van het te scannen oppervlak kunnen vastleggen.
58
6 ONDERZOEKSRESULTATEN 6.1
Onderzoek naar de precisie van blackblack-andand-whitewhite-targets
De standaarddeviatie op een targetscan is volgens de technische specificaties van 2mm (Figuur 68).
Figuur 68: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10
Aangezien de bekomen waarde voor de targetpositie niet kon vergeleken worden met een referentiewaarde van hogere orde, werd de gemiddelde target positie gebruikt als ‘juiste’ referentiepositie voor het bepalen van de nauwkeurigheid van de positie van de gemodelleerde vlakken. Ten gevolge van de wijziging in de methode, namelijk de vier grote targets in plaats van de drie kleintjes, waren niet alle scans onderling compatibel om elke invloed van afstand en invalshoek te analyseren. Wanneer de eerste methode (drie kleine targets) gebruikt werd, werd dit aangegeven met behulp van ‘(a)’. Het bijvoegsel ‘(b)’ duidt op de tweede methode met behulp van de vier grote targets. Uit de resultaten bleek dat de standaardafwijking op de Z-coördinaat de grootste invloed uitoefent op de standaardafwijking van de positie. De Z-coördinaat werd bijgevolg als het ‘zwakke’ punt van de 3Dlaserscanner beschouwd. Dit heeft naar alle waarschijnlijkheid met de mechanische beweging voor de verticale hoekmeting te maken. Deze invloed werd voor elke target bekeken, maar is verder niet van belang voor het verdere onderzoek. De grafieken die dit effect verduidelijken werden in bijlage 6 van dit onderzoek bijgevoegd ter illustratie.
59
Invloed van de afstand 6.1.1.1
Invalshoek Invalshoek 0° Tabel 9: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0°
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm]
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm]
Target 1(a) Target 2(a) Target 3(a)
5m 0,43 0,45 0,42
25m 1,14 1,25 0,91
50m 1,69 2,25 3,68
75m 3,16 3,64 /
Invloed van de afstand op de precisie van de posities van targets bij invalshoek 0° 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 5
25
50
75
Afstand [m] Target 1 (a)
Target 2 (a)
Target 3 (a)
Figuur 69: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0°
Bij de drie targets werd een gelijkaardig verloop van de precisie in functie van de afstand vastgesteld waarbij de standaardafwijkingen toenamen naarmate de afstand groter werd. Bij 5m en 25m lagen de afwijkingen voor elk target lager dan 2mm. Vanaf 50m werd de gespecificeerde standaardafwijking niet meer gegarandeerd en werden dus afwijkingen groter dan 2mm vastgesteld. Er deed zich tevens een grotere spreiding in de resultaten voor. Bij 75m voldeed geen enkel target aan de technische specificaties van het toestel. In praktische omstandigheden worden de targetscans best uitgevoerd op een korte tot middellange afstand. Verder onderzoek dient te bepalen tot welke afstand een voldoende precisie van de targetscans gegarandeerd kan worden. Afstanden van 75m en meer dienen vermeden te worden.
60
6.1.1.2
Invalshoek 45° Tabel 10: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45°
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm] 5m 0,46 0,40 0,86 0,49
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm]
Target 1(b) Target 2(b) Target 3(b) Target 4(b)
25m 0,61 0,78 0,60 0,58
75m 1,89 1,52 2,22 1,18
Invloed van de afstand op de precisie van de posities van targets bij invalshoek 45° 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 5
25
75
Afstand [m] Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (b)
Figuur 70: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45°
Bij 5m lag de precisie van de positiebepaling het hoogst en bij 25m werd bij de meeste targets een kleine afname van de precisie vastgesteld, enkel voor target 3 was dit niet het geval. Zowel bij 5m als bij 25m voldeed de standaarafwijking bij elk target aan de voorschriften van het Leica Scanstation C10. Onder een invalshoek van 45° kunnen bijgevolg voldoende nauwkeurige targetscans uitgevoerd worden op deze afstanden. Bij 75m kon de voorgeschreven precisie niet meer verzekerd worden. Bij de drie targets werd een standaardafwijking bekomen die beneden 2mm lag, maar target 3 voldeed met een standaardafwijking van 2,22mm niet aan de technische voorschriften. Praktisch werd tot de richtlijn gekomen dat onder een invalshoek van 45° een korte tot middellange, tot zeker 25m, afstand de beste precisie opleverd.
61
6.1.1.3
Invalshoek 60° Tabel 11: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60°
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm] 5m 0,56 0,53 0,63 0,46
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm]
Target 1(b) Target 2(b) Target 3(b) Target 4(b)
25m 0,71 0,75 0,72 0,47
75m 2,00 1,59 0,99 1,92
Invloed van de afstand op de precisie van de posities van targets bij invalshoek 60° 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 5
25
75
Afstand [m] Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (b)
Figuur 71: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60°
De trends bij een invalshoek van 45° en 60° zijn vergelijkbaar. De kleinste standaardafwijkingen werden bekomen bij 5m en deze namen toe bij 25m. Naarmate de afstand opliep tot 75m nam de precisie af maar de gespecificeerde nauwkeurigheid werd bij geen enkel target overschreden.
62
Invloed van de invalshoek 6.1.2.1
Afstand 5m Tabel 12: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm] 30° 0,41 0,47 0,45 0,36
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm]
Target 1(b) Target 2(b) Target 3(b) Target 4(b)
45° 0,46 0,40 0,86 0,49
60° 0,56 0,53 0,63 0,46
Invloed van de invalshoek op de precisie van de posities van targets bij afstand 5m 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°] Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (a)
Figuur 72: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m
Voor elke invalshoek werd de gespecificeerde precisie van 2mm behaald. Er viel geen duidelijke trend af te leiden uit de resultaten. De precisie varieerde in functie van de invalshoek voor elk target op een andere manier. De onderlinge verschillen tussen de hoeken waren beperkt. Enkel de precisie van target 3 bij 45° lag een stuk hoger in vergelijking met de overige standaardafwijkingen. Dit werd aan toeval of aan trillingen van voorbijrijdende wagens geweten omdat zo slechts één vaststelling werd gedaan. De gespecificeerde standaardafwijking werd bovendien niet overschreden. Targetscans mogen tot zeker een invalshoek van 60° op een afstand van 5m plaatsvinden.
63
6.1.2.2
Afstand 75m Tabel 13: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm] 30° 2,12 1,07 1,79 0,87
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm]
Target 1(b) Target 2(b) Target 3(b) Target 4(b)
45° 1,89 1,52 2,22 1,18
60° 2,00 1,59 0,99 1,92
Invloed van de invalshoek op de precisie van de posities van targets bij afstand 75m 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°] Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (a)
Figuur 73: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m
Bij de scans vanop 75m nam de precisie duidelijk af in vergelijking met kortere afstanden. De verschillen tussen de waarden bij eenzelfde hoek werden echter groter wat wijst op een grotere spreiding in de resultaten. De voorgeschreven precisie werd in de meeste gevallen gerealiseerd, zelfs bij een invalshoek van 60° waar geen enkel target de 2mm overschreed. Bij 45° en 30° overschreed telkens één target de technische voorschriften.
6.2
Onderzoek naar de intensiteit
In onderstaande tabellen werd de intensiteit van het ontvangen signaal weergegeven wat een indicatie geeft van de reflectiviteit van het materiaal. De gegevens werden verkregen op basis van een pts-bestand. Er wordt opgemerkt dat slechts één puntenwolk per opstelling onderzocht werd.
64
Invloed van de afstand Een samenvattende tabel geeft bij deze bespreking een duidelijker overzicht van de trends die zich voordoen binnen de intensiteitsgegevens. Hierdoor werd geopteerd om ze niet verder uit te splitsen per invalshoek. Voor de grafieken werd wel een onderverdeling gemaakt. Aangezien alle grafieken beschikken over een gelijkaardig verloop werden ze niet afzonderlijk besproken, maar werd onmiddellijk overgegaan naar een algemene conclusie. Tabel 14: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de afstand
Hoek [°]
Afstand [m] 5 25 50 75 5 25 75
0
30
45
60
Ontvangen intensiteit [-] Vlakje 1: Vlakje 2: 5,0% albedo 26,8% albedo 0,24 0,39 0,24 0,38 0,20 0,24 0,17 0,20 0,15 0,29 0,16 0,30 0,09 0,18
Vlakje 3: 66,3% albedo 0,62 0,62 0,38 0,24 0,55 0,54 0,22
Vlakje 4: 83,8% albedo 0,68 0,68 0,42 0,26 0,61 0,61 0,23
5
0,14
0,25
0,47
0,53
25
0,15
0,26
0,47
0,52
75
0,12
0,17
0,21
0,22
5
0,13
0,23
0,37
0,42
25
0,13
0,23
0,38
0,43
75
0,12
0,16
0,19
0,20
Intensiteit [-]
Invloed van de afstand op de intensiteit bij invalshoek 0° 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5
25
50
75
Afstand [m] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 74: Intensiteit - invalshoek 0°
65
Invloed van de afstand op de intensiteit bij invalshoek 30° 0,7
Intensiteit [-]
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5
25
75
Afstand [m] 5,0
Albedo [%]:
26,8
66,3
83,8
Figuur 75: Intensiteit - invalshoek 30°
Invloed van de afstand op de intensiteit bij invalshoek 45° 0,6
Intensiteit [-]
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5
25
75
Afstand [m] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 76: Intensiteit - invalshoek 45°
66
Invloed van de afstand op de intensiteit bij invalshoek 60° 0,5
Intensiteit [-]
0,4 0,3 0,2 0,1 0 5
25
75
Afstand [m] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 77: Intensiteit - invalshoek 60°
6.2.1.1
Conclusie
Hoe reflectiever het vlakje (hogere albedowaarde), hoe hoger de intensiteit van de teruggekaatste laserstraal. De intensiteiten die terug ontvangen werden vanaf 5m en 25m zijn quasi gelijk, met een maximaal verschil van 0,1mm onderling. Deze bewering is geldig voor alle onderzochte reflectiviteitswaarden. 50m (invalshoek 0°) en 75m leverden lagere ontvangen intensiteiten op. Het verval was het sterkt bij de hoogste reflectiviteiten. Bij toenemende invalshoek daalt het verval en het verschil in grootte van verval neemt daarmee onderling ook af tussen de lage en hoog reflectiegraden.
Invloed van de invalshoek Tabel 15: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de invalshoek
Hoek [°]
Afstand [m] 0
5
25
75
Ontvangen intensiteit [-] Vlakje 1: Vlakje 2: 5,0% albedo 26,8% albedo 0,24 0,39
Vlakje 3: 66,3% albedo 0,62
Vlakje 4: 83,8% albedo 0,68
30 45
0,15 0,14
0,29 0,25
0,55 0,47
0,61 0,53
60 0 30 45
0,13 0,24 0,16 0,15
0,23 0,38 0,30 0,26
0,37 0,62 0,54 0,47
0,42 0,68 0,61 0,52
60
0,13
0,23
0,38
0,43
0
0,17
0,20
0,24
0,26
30
0,09
0,18
0,22
0,23
45
0,12
0,17
0,21
0,22
60
0,12
0,16
0,19
0,20 67
Opnieuw zorgt de samenvattende tabel voor een beter overzicht op de resultaten waardoor enkel voor de grafieken voor een verdere opsplitsing per invalshoek gekozen werd.
Intensiteit [-]
Invloed van de invalshoek op de intensiteit bij afstand 5m 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 78: Intensiteit – afstand 5m
Intensiteit [-]
Invloed van de invalshoek op de intensiteit bij afstand 25m 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 79: Intensiteit – afstand 25m
68
Invloed van de invalshoek op de intensiteit bij afstand 75m Intensiteit [-]
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 80: Intensiteit - afstand 75m
6.2.2.1
Conclusie
De grafieken vertoonden een gelijkaardig verloop waarbij het verloop op 75m een licht gewijzigd uitzicht heeft voor een reflectiewaarde van 5,0%. Bij de hogere reflectiviteiten werden de hoogste intensiteiten gemeten. De intensiteit die ontvangen werd, daalde met de invalshoek. De enige meetwaarde die daarop een uitzondering vormde, is de intensiteitsmeting van 5,0% albedo met een invalshoek van 30° op 75m. In functie van de intensiteit werd daarom een invalshoek van 0°, volgens de normaal van het vlak, als optimaal beschouwd. Het verval van intensiteit is het sterkst bij hogere reflectiviteiten. Op grote afstanden is het verval tussen de reflectiviteiten onderling veel kleiner in vergelijking met de kleine en middellange afstanden. Tenslotte werd opgemerkt dat de grafiek van 5m en 25m quasi dezelfde zijn. Een later onderzoek zou aan de hand van deze resultaten een model kunnen opstellen om tot de ideale scanomstandigheden en –positie te komen. Vanaf 25m wijzigt de invloed van de invalshoek minimaal. Bij de metingen op 75m is het onderling verschil van de intensiteiten tussen de reflectiviteit kleiner in vergelijking met de metingen op 5m en de 25m.
69
Invloed van de reflectiviteit Invloed van de afstand
Intensiteit [-]
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij invalshoek 0° 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
50
75
Figuur 81: Intensiteit – invalshoek 0°
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij invalshoek 30° 0,7
Intensiteit [-]
6.2.3.1
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 82: Intensiteit – invalshoek 30°
70
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij invalshoek 45° 0,6
Intensiteit [-]
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 83: Intensiteit – invalshoek 45°
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij invalshoek 60° Intensiteit [-]
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 84: Intensiteit – invalshoek 60°
6.2.3.1.1
Conclusie
Uit deze grafieken blijkt dat voor elke invalshoek de metingen op 5m en 25m voor elke invalshoek dezelfde intensiteitswaarden opleveren. Metingen op 75m werden geregistreerd met een lagere intensiteitswaarde. Hoe hoger de reflectiviteit, hoe hoger de intensiteit.
71
Invloed van de invalshoek
Intensiteit [-]
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij afstand 5m 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 85: Intensiteit – afstand 5m
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij afstand 25m Intensiteit [-]
6.2.3.2
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 86: Intensiteit - afstand 25m
72
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij afstand 75m 0,3
Intensiteit [-]
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 87: Intensiteit - afstand 75m
6.2.3.2.1
Conclusie
Bevindingen die eerder vermeld werden, werden opnieuw vastgesteld. De intensiteit daalt in functie van de invalshoek waardoor een invalshoek van 0° als optimaal beschouwd wordt. Hoge reflecterende oppervlakken leveren hogere intensiteitswaarden. Hoog reflectieve materialen vertonen een groter verval in intensiteit. Dit blijkt vooral uit de grafieken voor 5m en 25m.
6.3
Aantal geregistreerde punten Tabel 16: Samenvattende tabel - aantal geregistreerde punten
Hoek [°]
0
30
45
60
Aantal punten waarop patch berekend werd Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Afstand [m] 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 5 6530 6670 6577 25 5234 5006 4781 50 4574 5529 4514 75 4221 4745 4477 5 3227 3314 2668 25 3440 3357 3966 75 155 2920 3502 5 3765 3804 3436 25 3166 3370 2627 75 112 3925 3000 5 1608 1566 1891 25 2555 2730 2149 75
70
2741
2265
Vlakje 4: 83,8% albedo 4134 4857 4567 5186 2913 4123 3047 3313 3184 3754 1962 2556 2605 73
Aangezien de kaartjes niet uitgesneden werden volgens een vaste grootte van vlakje is de tabel enkel een indicatie van het aantal punten dat zich in de puntenwolk bevonden om het best passende vlak te berekenen. Een algemene trend die opgemerkt werd is de dalende grootteorde van punten met de invalshoek. Opmerkelijke resultaten werden bekomen voor vlakje 1, het donkerste oppervlak. Wanneer deze gescand worden op een afstand van 75m onder een invalshoek vanaf 30° worden nog amper punten geregistreerd (Figuur 88). Deze resultaten worden bijgevolg verwaarloosd in het verdere onderzoek wegens te lage betrouwbaarheid.
Figuur 88: Puntenwolk met klein aantal geregistreerde punten bij donkere vlakken
6.4
Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand
Figuur 89: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10
Volgens de specificaties halen gemodelleerde oppervlakken een nauwkeurigheid van 2mm. Een patch wordt beschouwd als een gemodelleerd oppervlak waardoor deze specificatie in het onderzoek als grens aangenomen wordt. Er wordt telkens eerst een samenvattende tabel voorzien, welke opgesplitst wordt om de verschillende invloeden duidelijk te maken. Bijhorend bij elke opsplitsing werd een grafische voorstelling gemaakt. De grafieken worden hier eerst afzonderlijk besproken. De algemene trends die zich voordeden in de resultaten worden samengevat in het besluit. 74
Invloed van de afstand afstand 6.4.1.1
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen nauwkeurigheid, juistheid en precisie. Juistheid is de mate van overeenstemming tussen de gemiddelde waarde die verkregen werd uit een reeks waarnemingen en de werkelijke waarde. Precisie duidt op de spreiding van de gemeten waarden. Nauwkeurigheid is de graad van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen en de werkelijke waarde van de grootheid. Hoe kleiner de afwijking, hoe nauwkeuriger de meting. Een nauwkeurige meting is juist en precies. Aangezien de fabrikanten de nauwkeurigheid specifiëren, wordt verder gebruik gemaakt van de term nauwkeurigheid en niet van de term juistheid. Uit de definities blijkt immers dat beide termen duidelijke overeenkomsten vertonen. 6.4.1.1.1
Algemeen
Tabel 17: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invloed van de afstand
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: Hoek [°] Afstand [m] 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 5 1,9 1,0 0,7 0,4 25 1,9 1,1 0,6 0,3 0 50 1,6 2,3 1,0 0,8 75 2,2 1,0 1,8 1,5 5 2,4 2,0 1,4 1,0 30 25 1,2 1,1 0,5 0,2 75 4,2 2,0 1,2 1,2 5 1,9 1,8 1,1 0,9 45 25 1,5 2,3 1,5 1,4 75 2,4 1,1 0,7 0,7 5 1,5 1,5 1,0 0,9 60 25 1,4 1,7 1,0 1,0 75 0,8 2,0 1,4 1,2 6.4.1.1.2
Invalshoek 0°
Tabel 18: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 0°
5m 25m 50m 75m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 1,9 1,0 0,7 0,4 1,9 1,1 0,6 0,3 1,6 2,3 1,0 0,8 2,2 1,0 1,8 1,5
75
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 0° 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 5
25
50
75
Afstand [m] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 90: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 0°
Bij de metingen vanop 5m en 25m lagen de gemiddelde afwijkingen van alle vlakjes tot het referentiepunt lager dan de specificaties. Deze metingen leverden gelijkaardige resultaten op met een maximaal verschil van 0,1mm. Bij 50m overschreed de gemiddelde afwijking de voorgeschreven nauwkeurigheid voor vlakje 2. Op basis van het berekende 95%-betrouwbaarheidsinterval (BI) werd gesteld dat de theoretische nauwkeurigheid overschreden werd. Bij 75m daalt het afstandsverschil voor dit vlakje opnieuw onder 2mm. Een verklaring hiervoor is moeilijk te vinden. Bij 75m overschreed vlakje 1 de theoretische waarde. De afstandsnauwkeurigheden van vlakje 3 en 4 voldeden aan de verwachtingen, de nauwkeurigheid neemt af in functie van de afstand. De hoge reflectiviteiten haalden de specificaties voor elke gemeten afstand. Na het analyseren van de minimum en maximum waarden (Tabel 19) van de individuele metingen kon besloten worden dat de minimum waarde enkel de 2mm overschreed bij 50m voor vlakje 2. Bij elke individuele meting werd dus telkens de gespecificeerde nauwkeurigheid overschreden. Uit de maximale waarden werd opgemerkt dat voor vlakje 1 op elke afstand hogere waarden geregistreerd werden. Voor een albedowaarde van 5,0% zijn afwijkingen van 2mm bijgevolg niet uit te sluiten. Uit de minima en maxima is verder een dalende trend af te leiden met stijgende reflectiviteit. Op 75m afstand werden voor elke albedowaarden hogere waarden opgemerkt, waardoor voldoende kwalitatieve meetresultaten op deze afstand niet meer gegarandeerd worden.
76
Tabel 19: Minima, maxima en medianen - invalshoek 0°
Afstand [m] 5
25
50
75
6.4.1.1.3
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Albedo [%] Minimum Maximum Verschil 5,0 1,4 2,5 1,1 26,8 0,5 1,9 1,4 66,6 0,2 1,4 1,2 83,8 0,0 1,0 1,0 5,0 1,6 2,3 0,7 26,8 0,7 1,4 0,7 66,6 0,2 0,8 0,6 83,8 0,0 0,6 0,5 5,0 1,4 2,0 0,6 26,8 2,1 2,7 0,6 66,6 0,8 1,4 0,6 83,8 0,6 1,3 0,6 5,0 1,5 2,9 1,5 26,8 0,3 1,7 1,4 66,6 1,3 2,5 1,3 83,8 0,9 2,1 1,2
Mediaan 1,7 0,6 0,4 0,1 1,9 1,1 0,6 0,3 1,6 2,3 1,0 0,8 2,1 0,9 1,8 1,4
Invalshoek 30°
Tabel 20: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 30°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 2,4 2,0 1,4 1,0 1,2 1,1 0,5 0,2 4,2 2,0 1,2 1,2
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
5m 25m 75m
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 30° 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 5
25
75
Afstand [m] 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedo [%]: Figuur 91: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 30°
77
De grafiek toont een gelijkaardig verloop voor de verschillende vlakjes. Dit toont aan dat de nauwkeurigheid steeg met de reflectiviteit, waarbij de twee vlakjes met de hoogste reflectiviteit op eender welke afstand onder de gegeven gemodelleerde nauwkeurigheid blijven. Bij 5m werd voor vlakje 1 reeds een afwijking groter dan 2mm vastgesteld. Voor vlakje 2 was dit eveneens het geval maar het 95%-BI toont dat dit aan toeval te wijten is. Bij 75m werden gelijkaardige vaststellingen gedaan als deze bij 5m. De afwijking van vlakje 1 is aanzienlijk bij 75m. Dit verschil is opmerkelijk ten opzichte van de resultaten bij andere afstanden. In het aantal gescande punten (6.3) werd echter opgemerkt dat het aantal punten opmerkelijk lager ligt in vergelijking met de andere vlakjes. Deze waarde werd hierdoor niet verder in beschouwing genomen. De metingen van 25m werden volgens de resultaten nauwkeuriger geregistreerd in vergelijking met de overige afstanden. De gemiddeldes bij 25m lagen allemaal lager dan de specificaties van het toestel. Dit fenomeen viel te verklaren door de convergentie van de laserstraal. Uit de resultaten van de minima en maxima bleek dat de afwijking van vlakje 1 op elke afstand de 2mm kan overschrijden, waar dit op een afstand van 75m voor elk vlakje geldt. Voor lage reflectiviteiten en metingen op 75m met een invalshoek van 30° zijn resultaten te verwachten die mogelijk de technische specificaties overschrijden. Over het algemeen vertonen de minima en maxima een dalende trend met stijgende reflectiviteit wat nogmaals wijst op een nauwkeuriger resultaat bij hogere reflectiviteiten. Tabel 21: Minima, maxima en medianen - invalshoek 30°
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Afstand [m] Albedo [%] Minimum Maximum Verschil 5,0 1,9 2,7 0,8 26,8 1,4 2,6 1,2 5 66,6 0,7 1,8 1,1 83,8 0,7 1,2 0,6 5,0 0,3 2,1 1,8 26,8 0,8 1,4 0,6 25 66,6 0,3 0,8 0,5 83,8 0,0 0,5 0,4 5,0 0,1 11,2 11,1 26,8 0,2 3,2 3,0 75 66,6 0,2 2,6 2,3 83,8 0,7 2,2 1,5
Mediaan 2,4 2,1 1,4 1,0 1,2 1,1 0,6 0,3 3,5 2,1 1,2 1,2
78
6.4.1.1.4
Invalshoek 45°
Tabel 22: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 45°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 1,9 1,8 1,1 0,9 1,5 2,3 1,5 1,4 2,4 1,1 0,7 0,7
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
5m 25m 75m
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 45° 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 92: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 45° Tabel 23: Minima, maxima en medianen - invalshoek 45°
Afstand [m] 5
25
75
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Albedo [%] Minimum Maximum Verschil 5,0 1,6 2,4 0,9 26,8 1,3 2,1 0,8 66,6 0,8 1,4 0,6 83,8 0,6 1,3 0,6 5,0 0,9 2,4 1,4 26,8 1,6 3,2 1,6 66,6 1,0 1,8 0,8 83,8 1,0 1,9 0,9 5,0 0,4 4,2 3,8 26,8 0,4 1,8 1,4 66,6 0,1 1,3 1,2 83,8 0,2 1,1 0,9
Mediaan 1,9 1,9 1,1 0,6 1,5 2,2 1,5 1,4 2,5 1,0 0,6 0,8
De grafiek toont een gelijkaardig verloop voor de verschillende vlakjes waarop enkel de laagste reflectiviteit een uitzondering vormde. De trend van vlakje 1 vertoonde een tegengestelde evolutie waarvoor geen verklaring gevonden werd. De waarde voor het donkerste vlakje op de afstand van 79
75m werd verworpen ten gevolge van het beperkt aantal geregistreerde punten (6.3). De nauwkeurigheid steeg in het algemeen met de reflectiviteit waarbij de twee vlakken met de hoogste reflectiviteit op elke afstand onder de gegeven gemodelleerde nauwkeurigheid bleven. De afwijkingen bleven voor zowel vakje 1 als vlakje 2 op de 5m onder de gespecificeerde 2mm, maar uit de maxima bleek dat hogere metingen niet uitgesloten zijn. 6.4.1.1.5
Invalshoek 60°
Tabel 24: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 60°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 1,5 1,5 1,0 0,9 1,4 1,7 1,0 1,0 0,8 2,0 1,4 1,2
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
5m 25m 75m
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 60° 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
Albedo [%]:
5
25
75
Afstand [m] 5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 93: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets - invalshoek 60°
De grafiek toont een gelijkaardig verloop voor de verschillende vlakjes, enkel de laagste reflectiviteit vertoonde een tegengestelde evolutie. Hier werd eveneens de waarde van de 5,0% reflectiviteit op de 75m buiten beschouwing gelaten. In het algemeen steeg de nauwkeurigheid met de reflectiviteit en daalde ze met de afstand. De hoog reflectieve vlakjes haalden op elke afstand de specificaties. De metingen van de hoogste reflecties vertoonden onderling een maximaal verschil van 0,4mm en werden met een betrouwbaarheid van 95% tot dezelfde populatie gerekend. Voor vlakje 1 en vlakje 2 voldeden de gemiddelde afwijkingen, maar werden wel individuele scans geregistreerd waarbij de afwijkingen toch groter waren. Ten gevolge van de hoge maxima zijn op 75m voor elke geteste graad van reflectiviteit te hoge afwijkingen te verwachten. 80
Tabel 25: Minima, maxima en medianen - invalshoek 60°
Afstand [m] 5
25
75
6.4.1.2 6.4.1.2.1
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Albedo [%] Minimum Maximum Verschil 5,0 0,9 2,0 1,1 26,8 1,2 1,9 0,7 66,6 0,6 1,3 0,6 83,8 0,5 1,2 0,7 5,0 0,7 1,8 1,1 26,8 1,3 2,3 1,0 66,6 0,7 1,5 0,9 83,8 0,4 1,3 0,9 5,0 0,1 2,1 1,9 26,8 1,2 3,1 1,9 66,6 0,2 2,5 2,3 83,8 0,5 2,5 1,9
Mediaan 1,4 1,5 1,0 0,9 1,4 1,6 0,9 0,9 0,8 2,0 1,3 1,2
Invloed van de afstand op de precisie Algemeen
Tabel 26: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van de afstand
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: Hoek [°] Afstand [m] 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 5 0,38 0,56 0,45 0,38 25 0,16 0,16 0,16 0,15 0 50 0,12 0,12 0,12 0,12 75 0,29 0,27 0,27 0,26 5 0,20 0,28 0,21 0,13 30 25 0,74 0,17 0,13 0,13 75 3,01 0,63 0,45 0,34 5 0,18 0,18 0,15 0,13 45 25 0,37 0,36 0,18 0,20 75 0,94 0,42 0,30 0,26 5 0,29 0,15 0,16 0,18 60 25 0,27 0,26 0,18 0,18 75 0,52 0,39 0,49 0,45
81
6.4.1.2.2
Invalshoek 0° Tabel 27: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 0°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0,38 0,56 0,45 0,38 0,16 0,16 0,16 0,15 0,12 0,12 0,12 0,12 0,29 0,27 0,27 0,26
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
5m 25m 50m 75m
Invloed van de afstand op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 0° 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 5
25
50
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 94: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 0°
De precisie van de resultaten kende voor elk vlakje een gelijkaardig verloop in functie van de afstand. De spreiding van de afstandsfout was het grootst bij de kleinste afstand en neemt af bij 25m en 50m waarna de onzekerheid opnieuw toenam bij 75m. Voor de resultaten voor de reflecties bij 25m, 50m en 75m werden gelijkaardige precisies vastgesteld. 6.4.1.2.3
Invalshoek 30°
Tabel 28: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 30°
5m 25m 75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0,20 0,28 0,21 0,13 0,74 0,17 0,13 0,13 3,01 0,63 0,45 0,34
82
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de afstand op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 30° 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 95: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 30°
De curves vertonen een gelijkaardig en quasi constant verloop. De metingen van 26,8%, 66,3% en 83,8% zijn onderling even precies op 5m en 25m. Op 75m ontstond een grotere spreiding. Op de meting met 5,0% reflectie werd een standaardafwijking van 3mm vastgesteld. Deze hoge waarde werd verklaard doordat de mediaan lager lag dan het gemiddelde waardoor meer lage meetwaarden en slechts enkele hoge uitschieters aanwezig waren. Een tweede verklaring kan zijn dat de ‘patch’ op 75m berekend werd op basis van een beperkt aantal punten in de puntenwolk. 6.4.1.2.4
Invalshoek 45°
Tabel 29: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 45°
5m 25m 75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0,18 0,18 0,15 0,13 0,37 0,36 0,18 0,20 0,94 0,42 0,30 0,26
83
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de afstand op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 45° 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 96: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 45°
De metingen van 66,3% en 83,8% waren onderling even precies op 5m, 25m en 75m. Op de meting met 5,0% reflectie op 75m wordt de grootste standaardafwijking vastgesteld, wat te verklaren viel door het lage aantal punten waarop de ‘patch’ berekend werd. Tot 25m geldt dat de reflecties van 5,0% en 26,8% even precies zijn. 6.4.1.2.5
Invalshoek 60°
Tabel 30: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 60°
5m 25m 75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0,29 0,15 0,16 0,18 0,27 0,26 0,18 0,18 0,52 0,39 0,49 0,45
84
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de afstand op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 60° 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
Albedo [%]:
5
25
75
Afstand [m] 5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 97: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 60°
Op 5m zijn de resultaten van de hoogste albedo’s even precies, enkel het donkerste vlakje week af. De standaardafwijking bleef quasi constant voor de hoge reflecties tot minimaal 25m, op deze afstand verkleinde de precisie van vlakje 2 tot de waarde van de laagste reflectiviteit. Op 75m vertoonden de resultaten een spreiding in de standaardafwijkingen waardoor de precisie onderling lager lag.
Invloed van de invalshoek 6.4.2.1 6.4.2.1.1
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid Algemeen
Tabel 31: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target – invloed van de invalshoek
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: Afstand [m] Hoek [°] 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0 1,9 1,0 0,7 0,4 30 2,4 2,0 1,4 1,0 5 45 1,9 1,8 1,1 0,9 60 1,5 1,5 1,0 0,9 0 1,9 1,1 0,6 0,3 30 1,2 1,1 0,5 0,2 25 45 1,5 2,3 1,5 1,4 60 1,4 1,7 1,0 1,0 50 0 1,6 2,3 1,0 0,8 0 2,2 1,0 1,8 1,5 30 4,2 2,0 1,2 1,2 75 45 2,4 1,1 0,7 0,7 60 0,8 2,0 1,4 1,2 85
6.4.2.1.2
Afstand 5m
Tabel 32: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 1,9 1,0 0,7 0,4 2,4 2,0 1,4 1,0 1,9 1,8 1,1 0,9 1,5 1,5 1,0 0,9
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
0° 30° 45° 60°
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij afstand 5m 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°] 5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 98: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Bij elke invalshoek lag de nauwkeurigheid hoger naarmate de reflectiviteit toenam. Bij 0° werd voor elke albedowaarde een gemiddelde nauwkeurigheid behaald die voldoet aan de voorschriften van de technische specificaties. Hierbij lag de nauwkeurigheid van 5,0% albedo opmerkelijk lager. Uit de individuele waarden bleek dat voor deze laagste graad van reflectiviteit onder deze omstandigheden (kleine afstand en invalshoek volgens de normaal van het vlak) waarden groter dan 2mm niet uit te sluiten vallen. De nauwkeurigheid kende voor elke albedowaarde een toename bij 30°. De gemiddelde afwijking overschreed de 2mm voor 5% en 26,8% voldeed net aan de specificaties. Bij de twee laagste reflectiviteiten werden bij individuele scans waarden geregistreerd die de technische specificaties niet haalden.
86
Wanneer de invalshoek toenam tot 45° en 60° nam de nauwkeurigheid op de geregistreerde afstand opnieuw toe en voldeden de gemiddelde afwijkingen aan de technische specificaties. De maxima voor beide vlakken lagen lager voor metingen van 60% in vergelijking met deze van 45%. De hoog reflectieve vlakjes werden voor elke invalshoek ruim onder de gespecificeerde nauwkeurigheid geregistreerd. De gemiddelde waarden benaderden elkaar sterker bij grotere invalshoeken. Het gunstige effect van een hogere reflectiviteit werd dus gedeeltelijk opgeheven door de invalshoek. Tabel 33: Minima, maxima en medianen – afstand 5m
Hoek [°] 0
30
45
60
6.4.2.1.3
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Albedo [%] Minimum Maximum Verschil 5,0 1,4 2,5 1,1 26,8 0,5 1,9 1,4 66,6 0,2 1,4 1,2 83,8 0,0 1,0 1,0 5,0 1,9 2,7 0,8 26,8 1,4 2,6 1,2 66,6 0,7 1,8 1,1 83,8 0,7 1,2 0,6 5,0 1,6 2,4 0,9 26,8 1,3 2,1 0,8 66,6 0,8 1,4 0,6 83,8 0,6 1,3 0,6 5,0 0,9 2,0 1,1 26,8 1,2 1,9 0,7 66,6 0,6 1,3 0,6 83,8 0,5 1,2 0,7
Mediaan 1,7 0,6 0,4 0,1 2,4 2,1 1,4 1,0 1,9 1,9 1,1 0,9 1,4 1,5 1,0 0,9
Afstand 25m
Tabel 34: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m
0° 30° 45° 60°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 1,9 1,1 0,6 0,3 1,2 1,1 0,5 0,2 1,5 2,3 1,5 1,4 1,4 1,7 1,0 1,0
87
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij een afstand van 25m 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°] Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 99: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m Tabel 35: Minima, maxima en medianen – afstand 25m
Hoek [°] 0
30
45
60
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Albedo [%] Minimum Maximum Verschil 5,0 1,6 2,3 0,7 26,8 0,7 1,4 0,7 66,6 0,2 0,8 0,6 83,8 0,0 0,6 0,5 5,0 0,3 2,1 1,8 26,8 0,8 1,4 0,6 66,6 0,3 0,8 0,5 83,8 0,0 0,5 0,4 5,0 0,9 2,4 1,4 26,8 1,6 3,2 1,6 66,6 1,0 1,8 0,8 83,8 1,0 1,9 0,9 5,0 0,7 1,8 1,1 26,8 1,3 2,3 1,0 66,6 0,7 1,5 0,9 83,8 0,4 1,3 0,9
Mediaan 1,9 1,1 0,6 0,3 1,2 1,1 0,6 0,3 1,5 2,2 1,5 1,4 1,4 1,6 0,9 0,9
Bij 0° lagen de gemiddelde nauwkeurigheden voor elke albedowaarde onder de gespecificeerde nauwkeurigheid van 2mm en werden de afwijkingen kleiner met de reflectiviteit. Uit de individuele metingen bleek dat waarden boven de technische specificaties niet uitgesloten zijn, al lagen ze iets lager dan de afwijkingen die geregistreerd werden op de 5m met invalshoek 0°. Dit fenomeen werd verklaard doordat de laserstraal eerst convergeert alvorens te divergeren. Bij 30° nam de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde toe of bleef ze binnen dezelfde populatie. De nauwkeurigheid nam toe bij toenemende reflectiviteit.
88
45° leidde tot een negatieve piek in de gemiddelde nauwkeurigheid van de afstandsmeting en de gespecificeerde nauwkeurigheid van 2mm werd hier bij 26,8% overschreden. De nauwkeurigheid was ook hier het best bij de hoogste albedowaarden. De nauwkeurigheid van de resultaten bij 5% lag hier hoger dan bij 26,8%, een verschil met de vaststellingen bij kleinere invalshoeken. Dit werd eveneens vastgesteld bij 60°, waar de nauwkeurigheid overigens opnieuw toenam bij elk vlakje. De trend dat vlakje 2 nauwkeuriger geregistreerd werd dan het donkerste vlakje werd bevestigd door de maxima. Deze bevinding kan het gevolg zijn van beschadigingen die aan de vlakjes werden aangebracht. 6.4.2.1.4
Afstand 75m
Tabel 36: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 2,2 1,0 1,8 1,5 4,2 2,0 1,2 1,2 2,4 1,1 0,7 0,7 0,8 2,0 1,4 1,2
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
0° 30° 45° 60°
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij afstand 75m 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°] 5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 100: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Op 75m werden de waarden voor invalshoeken 30°, 45° en 60° niet in beschouwing genomen door de lage intensiteit en het beperkt aantal geregistreerde punten. Met een invalshoek van 0° overschreed de gemiddelde afwijking tot het werkelijk vlak de gespecificeerde nauwkeurigheid. Bovendien lag de mediaan hoger dan 2mm, waardoor minimaal de helft van de gedane metingen de nauwkeurigheid overschreed. Donkere oppervlakken worden bijgevolg best niet gescand op een afstand van 75m en meer. 89
De nauwkeurigheden bij de hoogste reflectiewaarden leverden gelijkaardige resultaten op en kenden een vergelijkbaar verloop in functie van de invalshoeken. Bij een grotere afstand werd de gunstige invloed van een hogere reflectiviteit gedeeltelijk geëlimineerd, al bleven ze nauwkeurigere resultaten geven dan de donkere vlakjes. Algemeen geldt steeds dat de nauwkeurigheid stijgt met de reflectiviteit. Bij elke individuele meting, dus ook voor de hoog reflectieve vlakken, werden waarden geregistreerd boven de 2mm. Enkel voor een invalshoek van 45° was dit niet het geval. Wanneer hoge nauwkeurigheden vereist zijn in het eindresultaat worden de scans beter vanop een afstand kleiner dan 75m uitgevoerd. Tabel 37: Minima, maxima en medianen – afstand 75m
Hoek [°] 0
30
45
60
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] Albedo [%] Minimum Maximum Verschil 5,0 1,5 2,9 1,5 26,8 0,3 1,7 1,4 66,6 1,3 2,5 1,3 83,8 0,9 2,1 1,2 5,0 0,1 11,2 11,1 26,8 0,2 3,2 3,0 66,6 0,2 2,6 2,3 83,8 0,7 2,2 1,5 5,0 0,4 4,2 3,8 26,8 0,4 1,8 1,4 66,6 0,1 1,3 1,2 83,8 0,2 1,1 0,9 5,0 0,1 2,1 1,9 26,8 1,2 3,1 1,9 66,6 0,2 2,5 2,3 83,8 0,5 2,5 1,9
Mediaan 2,1 0,9 1,8 1,4 3,5 2,1 1,2 1,2 2,5 1,0 0,6 0,8 0,8 2,0 1,3 1,2
90
6.4.2.2 6.4.2.2.1
Invloed van de invalshoek op de precisie Algemeen
Tabel 38: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van de invalshoek
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: Afstand [m] Hoek [°] 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0 0,38 0,56 0,45 0,38 30 0,20 0,28 0,21 0,13 0 45 0,18 0,18 0,15 0,13 60 0,29 0,15 0,16 0,18 0 0,16 0,16 0,16 0,15 30 0,74 0,17 0,13 0,13 25 45 0,37 0,36 0,18 0,20 60 0,27 0,26 0,18 0,18 0 0,29 0,27 0,27 0,26 30 3,01 0,63 0,45 0,34 75 45 0,94 0,42 0,30 0,30 60 0,52 0,39 0,49 0,45 Afstand 5m Tabel 39: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0,38 0,56 0,45 0,38 0,20 0,28 0,21 0,13 0,18 0,18 0,15 0,13 0,29 0,15 0,16 0,18
0° 30° 45° 60° Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
6.4.2.2.2
Invloed van de invalshoek op de precisie van de geregistreerde afstand bij afstand 5m 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°] 5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 101: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
91
De albedowaarden hadden in functie van de invalshoek een gelijkaardig effect op de precisie. Bij 0° lag de precisie het laagst waarna deze toenam bij 30° en 45° om vervolgens opnieuw af te nemen bij een invalshoek van 60°. Enkel bij 26,8% bleef de precisie toenemen met de invalshoek. 6.4.2.2.3
Afstand 25m Tabel 40: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0,16 0,16 0,16 0,15 0,74 0,17 0,13 0,13 0,37 0,36 0,18 0,20 0,27 0,26 0,18 0,18
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
0° 30° 45° 60°
Invloed van de invalshoek op de precisie van de geregistreerde afstand bij afstand 25m 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°] 5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 102: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
De precisie lag vrij hoog bij elke reflectie en invalshoek en bleef het meest stabiel bij de hoogste albedowaarden. 5,0% en 26,8% gaven tussen de verschillende invalshoeken aanleiding tot grotere verschillen. En bij het scannen van 5,0% onder een hoek van 30° leidde dit tot een opvallend slechtere precisie waarvoor geen verklaring gevonden werd.
92
6.4.2.2.4
Afstand 75m Tabel 41: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: Vlakje 2: Vlakje 3: Vlakje 4: 5,0% albedo 26,8% albedo 66,6% albedo 83,8% albedo 0,29 0,27 0,27 0,26 3,01 0,63 0,45 0,34 0,94 0,42 0,30 0,30 0,52 0,39 0,49 0,45
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
0° 30° 45° 60°
Invloed van de invalshoek op de precisie van de geregistreerde afstand bij afstand 75m 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°] 5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 103: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Op 75m werden de waarden voor invalshoeken 30°, 45° en 60° niet in beschouwing genomen door de lage intensiteit en het beperkt aantal geregistreerde punten. Voor elk vlakje lag de precisie het hoogst bij 0°. Verder was de precisie van de resultaten bij elke invalshoek hoog voor 26,8%, 66,3% en 83,8%.
93
Invloed van de reflectiviteit De samenvattende tabellen en de tabellen met de medianen en de extrema worden in dit gedeelte niet meer weergegeven aangezien dit een herhaling in resultaten zou veroorzaken. De grafieken leveren wel een meerwaarde aangezien hierdoor nieuwe inzichten in de resultaten verkregen kunnen worden. 6.4.3.1
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid
6.4.3.1.1
Invalshoek 0°
Tabel 42: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] 5m 1,9 1,0 0,7 0,4
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
25m 1,9 1,1 0,6 0,3
50m 1,6 2,3 1,0 0,8
75m 2,2 1,0 1,8 1,5
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 0° 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 5
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
50
75
Figuur 104: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
De metingen bij 5m en 25m leverden gelijkaardige nauwkeurigheden op voor de verschillende albedowaarden. Voor deze afstanden bleef de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde beneden de 2mm. Voor de laagste albedowaarden werd reeds op 5m een gemiddelde waarde opgetekend boven de 2mm. Het scannen van laag reflectieve oppervlakken vereist bijgevolg extra aandacht. Bij de scans vanop 50m kenden de resultaten bij de lagere albedowaarden een afwijkend verloop ten opzichte van de scans bij 5m en 25m. Bij 50m was de nauwkeurigheid bij 5% lager dan bij de andere afstanden. In 94
de resultaten werd een opvallende piek vastgesteld voor 26,8% albedo en werd de gespecificeerde afstand van 2mm overschreden. Bij 75m lag de nauwkeurigheid bij 5% boven 2mm en werd bij 26,8% een opvallende toename van de nauwkeurigheid vastgesteld. Een verklaring voor de opvallende waarden bij 26,8% kon niet gegeven worden, maar ze kunnen het gevolg zijn van de beschadigingen die aan de kaartjes werden aangebracht of veroorzaakt zijn door trillingen van voorbij rijdende wagens. Bij 66,3% en 83,8% trad bij elke afstand een gelijkaardig verloop van de nauwkeurigheid op. Bij deze vlakjes bleek de invloed van de afstand het duidelijkst. Voor elke afstand geldt een maximaal verval van 0,3mm tussen de hoog reflectieve vlakken. Tot op 50m werden geen waarden van 2mm geregistreerd voor de helderste vlakken terwijl de maxima op 75m er op wijzen dat een afwijking boven de 2mm niet uitgesloten is. Met de invalshoek van 0° kunnen de hoog reflectieve vlakken tot 50m met zekerheid gescand worden zodat de resultaten voldoen aan de technische specificaties. 6.4.3.1.2
Invalshoek 30°
Tabel 43: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] 5m 2,4 2,0 1,4 1,0
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
25m 1,2 1,1 0,5 0,2
75m 4,2 2,0 1,2 1,2
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 30° 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 5
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 105: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
Bij elke afstand werd vastgesteld dat de nauwkeurigheid toenam naarmate de albedowaarde van de vlakjes hoger werd. 25m leverde bij elke albedowaarde de hoogste nauwkeurigheid op en bleef steeds 95
beneden de 2mm. Dit fenomeen is te verklaren door het convergeren van de laserstraal alvorens te divergeren. Bij 5m en 75m werd de 2mm grens niet overschreden voor 66,3% en 83,8%, waar dit wel het geval was voor lagere albedowaarden. Bij beide afstanden werd bij 5% de gespecificeerde nauwkeurigheid overschreden. Hieruit blijkt dat het scannen van donkere oppervlakken met de nodige aandacht moet gebeuren. Bij 26,8% benaderen de waardes 2mm. Uit het 95%-BI bleek dat voor beide vlakjes de nauwkeurigheid zowel boven als onder 2mm kan liggen. 6.4.3.1.3
Invalshoek 45°
Tabel 44: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] 5m 1,9 1,8 1,1 0,9
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
25m 1,5 2,3 1,5 1,4
75m 2,4 1,1 0,7 0,7
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 45° 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 5
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 106: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
Bij 5m lag de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde beneden 2mm en steeg ze naarmate de reflectiviteit toenam. Bij 75m werd een gelijkaardige trend vastgesteld maar leidde de laagste albedowaarde tot een nauwkeurigheid die boven 2mm ligt. Bij de andere vlakjes werd op deze afstand de hoogste nauwkeurigheid geregistreerd. Het resultaat bij 5,0% valt te verklaren door de beperkte intensiteit die voor dit vlakje geregistreerd werd. De puntenwolk bevatte opmerkelijk minder punten waardoor gesteld wordt dat laag reflectieve oppervlakken best niet gescand worden op een afstand van 75m of meer, onder een grotere invalshoeken. Bij 25m leverde 5% een nauwkeurigheid op die 96
niet aansloot bij de andere resultaten. Bij 26,8% werd de gespecificeerde nauwkeurigheid zelfs overschreden. Bij de albedowaarden van 26,8%, 66,3% en 83,8% leverden 75m en 25m respectievelijk steeds de meest en minst nauwkeurige resultaten op. Naarmate de reflectiviteit steeg, benaderden de verschillende nauwkeurigheden elkaar steeds meer. 6.4.3.1.4
Invalshoek 60°
Tabel 45: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
5m
25m
75m
1,5 1,5 1,0 0,9
1,4 1,7 1,0 1,0
0,8 2,0 1,4 1,2
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij invalshoek 60° 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 107: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
Bij 5m nam de nauwkeurigheid toe met de reflectiviteit en werden voor elk vlakje nauwkeurigheden behaald beneden de 2mm. Bij de scans op 25m en 75m werd een gelijkaardig verloop van de nauwkeurigheid in functie van de reflectiviteit vastgesteld. Enkel voor 5% werd op 75m een resultaat geregistreerd dat niet strookt met de overige bevindingen. Deze waarde werd echter als niet relevant beschouwd omwille van een beperkte ontvangen intensiteit en het verwaarloosbare aantal geregistreerde punten. Voor de twee hoogste albedowaarden werd bij een invalshoek van 60° steeds voldaan aan de gespecificeerde nauwkeurigheid. Zoals bij de overige invalshoeken werd een kleiner
97
onderling verschil opgemerkt naarmate de reflectiviteit toenam. Op 75m werden voor elke albedowaarde individuele waarden gemeten die de 2mm-grens overschreden. Afstanden vanaf 75m en bij invalshoeken van 60° of meer, zijn af te raden wanneer hoge nauwkeurigheden vereist zijn. 6.4.3.1.5
Afstand 5m
Tabel 46: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
0° 1,9 1,0 0,7 0,4
30° 2,4 2,0 1,4 1,0
45° 1,9 1,8 1,1 0,9
60° 1,5 1,5 1,0 0,9
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij afstand 5m 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 108: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Bij een invalshoek van 0° werden voor elke reflectiviteit nauwkeurigheden bereikt beneden 2mm. Het scannen met een loodrecht invallende straal leverde bij de meeste albedowaarden de hoogste nauwkeurigheid op enkel bij 5% werd hiervan afgeweken. Bij 30° werd voor elke reflectiewaarde de minste nauwkeurigheid behaald en werd bij 5% een gemiddelde afwijking vastgesteld die hoger ligt dan 2mm. Bij 45° en 60° werd voor elk vlakje voldaan aan de gespecificeerde nauwkeurigheid. De nauwkeurigheid nam toe naarmate de reflectiviteit steeg en de onderlinge verschillen, veroorzaakt door de invalshoek, werden kleiner. De invalshoek lijkt minder invloed te hebben bij hogere albedowaarden.
98
6.4.3.1.6
Afstand 25m
Tabel 47: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
0° 1,9 1,1 0,6 0,3
30° 1,2 1,1 0,5 0,2
45° 1,5 2,3 1,5 1,4
60° 1,4 1,7 1,0 1,0
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij afstand 25m 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 109: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Bij 0° en 30° werd voor elk vlakje een gemiddelde nauwkeurigheid geregistreerd die beneden de gespecificeerde nauwkeurigheid lag waarbij de waarden stegen bij hogere reflectiewaarden. Algemeen kon gesteld worden dat deze metingen nauwkeuriger zijn dan deze bij grotere invalshoeken, enkel bij 5% werd hiervan afgeweken bij 0°. De nauwkeurigheid in functie van de albedowaarden kende bij 45° en 60° een gelijkaardig verloop. Bij beiden werd een piek vastgesteld bij 26,8% en bij 45° leverde dit een afwijking groter dan 2mm op. Voor de hogere albedowaarden nam de nauwkeurigheid toe. Bij 60° kon geen significant verschil aangetoond worden tussen vlakje 3 en vlakje 4. Bij elke invalshoek lag de nauwkeurigheid het hoogst bij 66,3% en 83,8%. Het verval tussen deze vlakjes daalt met de invalshoek.
99
6.4.3.1.7
Afstand 75m
Tabel 48: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm] 0° 2,2 1,0 1,8 1,5
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
30° 4,2 2,0 1,2 1,2
45° 2,4 1,1 0,7 0,7
60° 0,8 2,0 1,4 1,2
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij afstand 75m 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 110: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Wegens te lage ontvangen intensiteit en het verwaarloosbare aantal geregistreerde punten werd het vakje met de laagste graad van reflectiviteit op deze afstand buiten beschouwing gelaten. Om die reden worden lage reflectiviteiten bij voorkeur niet gescand vanop grote afstand bij grote invalshoeken. De scans bij 0° behaalden een voldoende hoge nauwkeurigheid. Uit de individuele waarden blijkt dat voor elke graad van reflectiviteit grotere afwijkingen dan de gemoduleerde nauwkeurigheid niet uitgesloten zijn. Bij 30° nam de nauwkeurigheid duidelijk toe naarmate de reflectiviteit steeg. Bij 45° werden gelijkaardige resultaten bekomen en lag de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde hoger dan bij 30°. De hoge reflectiviteiten halen op zowel 30° als 45° dezelfde nauwkeurigheid. Het gunstige effect van hoge reflectieve materialen wordt bijgevolg teniet gedaan door de invalshoek.
100
Een invalshoek van 60° gaf op deze afstand vergelijkbare resultaten met deze bij 30°. De nauwkeurigheden voor 83,8% behoorden met een betrouwbaarheid van 95% tot dezelfde populatie. 6.4.3.2
Invloed van de reflectiviteit op de precisie
6.4.3.2.1
Invalshoek 0° Tabel 49: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] 5m 0,38 0,56 0,45 0,38
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
25m 0,16 0,16 0,16 0,15
50m 0,12 0,12 0,12 0,12
75m 0,29 0,27 0,27 0,26
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 0° 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
50
75
Figuur 111: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
De verhoudingen tussen de verschillende afstanden waren quasi constant voor elke albedowaarde. Voor elk vlakje lag de precisie het laagst wanneer gescand werd van op 5m. 50m leverde de resultaten op waarbij de spreiding het kleinst was. Bij 25m, 50m en 75m bleef de precisie stabiel bij de verschillende albedowaarden. De metingen gebeurden bijgevolg even precies voor elke reflectiewaarde. Bij 5m bleek het effect van de reflectiviteit op de precisie groter. Bij 26,8% lag de waarde opvallend hoger dan bij de overige albedowaarden, wat verklaard wordt door toeval.
101
6.4.3.2.2
Invalshoek 30°
Tabel 50: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] 5m 0,20 0,28 0,21 0,13
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
25m 0,74 0,17 0,13 0,13
75m 3,01 0,63 0,45 0,34
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 30° 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 112: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
De precisie nam bij elke afstand toe naarmate de albedowaarde hoger lag. De enige uitzondering hierop was de precisie bij 5,0% gemeten vanop 5m. Deze lag lager dan de overige reflectiewaarden bij dezelfde afstand. 5,0% albedo zorgde voor de grootste verschillen tussen de verschillende afstanden en bij 75m lag de betrouwbaarheid van deze resultaten laag. Naarmate de albedowaarde toenam, werd het verschil qua precisie kleiner tussen de verschillende afstanden. 6.4.3.2.3
Invalshoek 45°
Tabel 51: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
5m 0,18 0,18 0,15 0,13
25m 0,37 0,36 0,18 0,20
75m 0,94 0,42 0,30 0,26 102
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 45° 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 113: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
De precisie van de resultaten nam toe wanneer de afstand tussen scanner en object kleiner werd en de reflectiviteit hoger was. Bij 5,0% albedo was de onzekerheid op de resultaten bij elke afstand het grootst en dit liep sterk op naarmate de scanafstand groter werd. Naarmate de albedowaarden toenamen, lag de spreiding voor de verschillende afstanden dichter bij elkaar. Een trend die ook bij 0° en 30° graden werd vastgesteld. 6.4.3.2.4
Invalshoek 60°
Tabel 52: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
5m 0,29 0,15 0,16 0,18
25m 0,27 0,26 0,18 0,18
75m 0,52 0,39 0,49 0,45
103
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de geregistreerde afstand bij invalshoek 60°
0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 114: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
De gerealiseerde precisie bleek voor elke opstelling voldoende hoog wat te verklaren is door de afwijkingen op de afstand die optreden volgens de richting van de laserstraal. Hierdoor kunnen de resultaten een vertekend beeld geven. De precisie nam algemeen toe naarmate de scanafstand kleiner werd. Enkel bij 5% werd van deze trend afgeweken. 6.4.3.2.5
Afstand 5m Tabel 53: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
0°
30°
45°
60°
0,38 0,56 0,45 0,38
0,20 0,28 0,21 0,13
0,18 0,18 0,15 0,13
0,29 0,15 0,16 0,18
104
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de geregistreerde afstand bij afstand 5m 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 115: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
De precisie lag het laagst bij een loodrechte opstelling van het bord ten opzichte van de scanner. Deze kende een negatieve piek bij 26,8%, een verschijnsel dat ook werd vastgesteld bij 30°. Een verklaring werd hiervoor niet gevonden. Bij 45° leek de albedowaarde het minst effect te hebben op de precisie van de waarnemingen. Deze bleef vrij constant bij elk vlakje en nam licht toe met de reflectiviteit. Bij 60° lag de precisie in vergelijking met de andere vlakjes opvallend lager bij 5% albedo. Naarmate de reflectie steeg, werd het verschil, qua precisie, tussen de hoeken kleiner. De precisie vergelijken in functie van de hoeken is gevaarlijk omdat hieruit verkeerde conclusies kunnen getrokken worden doordat fouten steeds in een andere richting (= onder een andere hoek) ten opzichte van het bord optreden. 6.4.3.2.6
Afstand 25m Tabel 54: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
0° 0,16 0,16 0,16 0,15
30° 0,74 0,17 0,13 0,13
45° 0,37 0,36 0,18 0,20
60° 0,27 0,26 0,18 0,18
105
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de geregistreerde afstand bij afstand 25m 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 116: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
De precisie bij 25m lag voor de verschillende invalshoeken dicht bij elkaar. De enige piek die werd vastgesteld, trad op bij 5,0% albedo geregistreerd onder een invalshoek van 30°. Een specifieke verklaring kon hiervoor niet gegeven worden. Bij de overige hoeken had de reflectie steeds een vergelijkbaar effect. De lagere reflectiewaarden leveren de grootste spreiding op voor elke invalshoek. Naarmate het albedo steeg, werden de onderlinge verschillen kleiner. De precisie vergelijken in functie van de hoeken is gevaarlijk omdat hieruit verkeerde conclusies kunnen getrokken worden doordat fouten steeds in een andere richting ten opzichte van het bord optreden. 6.4.3.2.7
Afstand 75m Tabel 55: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm] Vlakje 1: 5,0% Vlakje 2: 26,8% Vlakje 3: 66,3% Vlakje 4: 83,8%
0° 0,29 0,27 0,27 0,26
30° 3,01 0,63 0,45 0,34
45° 0,94 0,42 0,30 0,30
60° 0,52 0,39 0,49 0,45
106
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de geregistreerde afstand bij afstand 75m 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%] Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 117: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Hier werden de waarden voor 5% albedo voor de invalshoeken 30°, 45° en 60° buiten beschouwing gelaten. De precisie bij 0° kende een stabiel verloop voor de verschillende albedowaarden. Vanaf 26,8% kent de precisie bij elke invalshoek een constant verloop en benaderen de resultaten bij hogere reflectiewaarden elkaar steeds meer.
107
7 BESLUIT Het onderzoek naar de precisie op de positie van de black-and-white targets wees uit dat aan de technische specificaties van het toestel voldaan werd bij scans tot 25m. Nauwkeurige targetscans worden bijgevolg tot deze afstand gegarandeerd. Vanaf 50m nam de onzekerheid toe en werd de gespecificeerde precisie overschreden. De invalshoek bleek bij korte afstanden weinig invloed te hebben op de precisie, maar bij grotere invalshoeken werd een grotere spreiding vastgesteld. Vanop grote afstand werden bij elke invalshoek waarden geregistreerd die de opgelegde specificaties overschreden. Een herziening van de technische fiche werd aangeraden voor afstand van 50m. De gegevens over de intensiteitswaarden gaven aan dat de intensiteit steeg naarmate de albedowaarde toenam. Door de sterkere terugkaatsing van de laserstraal wordt meer van de uitgezonden energie gereflecteerd waardoor een hogere intensiteit ontvangen wordt. Deze bevinding wordt bevestigd door (Guihua et al., 2013), (Pfeifer et al., 2007b), (T. Voegtle et al., 2008), (T Voegtle & Wakaluk, 2009) en (Bucksch et al., 2009). Ook (Lichti & Harvey, 2008) en (Kersten et al., 2005) komen tot deze conclusie, al drukken deze bronnen het uit in functie van kleuren. Bovendien gold dat de intensiteit afnam in functie van de afstand. (Guihua et al., 2013) en (Lichti & Harvey, 2008) bevestigen dit fenomeen. Volgens (Lichti & Harvey, 2008) is de maximale scanafstand groter bij hoog reflectieve materialen. Een bevinding die tijdens dit onderzoek bevestigd werd. Bij een afstand van 75m bleek de teruggekaatste intensiteit voor laag reflectieve vlakken immers te laag om een representatief aantal punten te registreren. Bij de hogere graden van reflectie was dit niet het geval. Laag reflectieve oppervlakken worden bijgevolg best niet gescand vanop afstanden van 75m en groter. Vervolgens bleek dat naarmate de invalshoek toenam, de intensiteit afnam. Dit bleek tevens uit het onderzoek van (Kaasalainen et al., 2011), (Pesci & Teza, 2008) en (Guihua et al., 2013). Deze trend is het gevolg van de grotere laserspot bij stijgende invalshoeken. Een invalshoek volgens de richting van de normaal wordt als ideale scanpositie beschouwd in functie van de intensiteit. In overeenstemming met (Kaasalainen et al., 2011) werd vastgesteld dat het verval in functie van de afstand en de hoek het grootst is bij de meest reflectieve materialen. Vervolgens werd de invloed van de afstand op de geregistreerde afstandsmeting onderzocht. Bij hoge albedowaarden voldeed de gemiddelde nauwkeurigheid op elke afstand aan de technische specificaties ongeacht de invalshoek waaronder gemeten werd. Bij lage albedowaarden werden wel gemiddeldes hoger dan 2mm vastgesteld, deze curves vertoonden een wisselend verloop. De hoog reflectieve oppervlakken zijn dus het nauwkeurigst voor de afstandsbepaling. Dit wordt bevestigd in het onderzoek van (Guihua et al., 2013). Uit de resultaten van de individuele scans bij 75m bleek dat 108
voor elke reflectiewaarde afwijkingen groter dan de voorgeschreven technische specificaties optraden. Scans uitgevoerd vanop 75m en verder garanderen de gespecifieerde nauwkeurigheid bijgevolg niet. De invloed van de afstand op de precisie van de afstandsmeting vertoonde geen duidelijke trend. De invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van de afstandsmeting toonde aan dat de meest nauwkeurige resultaten bekomen werden bij hoge albedowaarden. De gemiddelde nauwkeurigheid voldeed voor de hoogste albedowaarden bij elke invalshoek aan de gespecificeerde nauwkeurigheid. Bij de individuele scans werden wel lagere nauwkeurigheden vastgesteld bij verschillende invalshoeken wanneer de scanafstand 75m bedroeg. Bij lage albedowaarden traden bij elke invalshoek gemiddelde nauwkeurigheden op die niet voldeden aan de technische specificaties. Bovendien maakten lage reflectiewaarden het onmogelijk om bij schuine invalshoeken op grote afstand betrouwbare vaststellingen te doen door het beperkt aantal geregistreerde punten. De kwaliteit van de meting ligt dus hoger wanneer de reflectiviteit toeneemt (Guihua et al., 2013). Tussen de twee laagste reflectiviteiten de twee hoogste reflectiviteiten onderling naderden de afwijkingen elkaar bij een stijgende invalshoek. De toenemende invalshoek bleek een positieve invloed op de nauwkeurigheden te hebben. Dit werd eveneens beweerd in (Guihua et al., 2013). Qua precisie bleken de hoogste albedowaarden het minste beïnvloed te worden door de invalshoeken. Bij lagere albedowaarden waren de verschillen tussen de invalshoeken groter, vooral naarmate de afstand groter werd. Voor een reflectie van 5,0% albedo werden in bijna alle gevallen maxima hoger dan de gespecificeerde 2mm behaald. Donkere, laag reflectieve vlakken moeten hierdoor steeds met de nodige zorg gescand worden. Overtallige metingen of de donkerste vlakken bedekken met een lichte verf kunnen betere meetresultaten opleveren. In de praktijk zal dit echter moeilijk te verwezenlijken zijn. Deze bewering wordt gestaafd door (Boehler et al., 2003) en (Nguyen & Lui, z.d.). Op basis van al de gemaakte vaststellingen omtrent de afstandsnauwkeurigheid werd geconcludeerd dat de gespecificeerde nauwkeurigheid voor een gemoduleerd vlak met het Leica Scanstation C10 een uitbreiding vereist voor de geregistreerde nauwkeurigheden bij lage albedowaarden en bij afstanden vanaf 75m. Ook de onderzochte specificaties van de targetscans hebben uitbreiding nodig. Om tot correcte conclusies te komen is verder onderzoek nodig. Dit onderzoek dient te bepalen wat de maximale afstanden en invalshoek zijn waaronder elke reflectie te sterke gemiddelde afwijkingen vertoont.
109
8 DISCUSSIE Ondervindingen tijdens het praktisch onderzoek wezen op een aantal parameters die voor verbetering vatbaar zijn. Het gebruik van gestandaardiseerde platen met gekende reflectiewaarden en – eigenschappen in plaats van de gebruikte verfstalen, resulteert in betrouwbaardere theoretisch waarden. Wegens de hoge kostprijs was de aankoop van zulke platen bij dit onderzoek niet mogelijk. Verder wordt aangeraden om van bij het begin van het onderzoek te werken met voldoende grote black-and-white targets. De kleinere varianten konden op grotere afstanden niet geregistreerd worden waardoor de methode moest worden aangepast. Dit heeft de resultaten niet beïnvloed maar maakte het onmogelijk om bepaalde opstellingen te vergelijken voor het onderzoek naar de positienauwkeurigheid van de black-and-white targets. Tenslotte, om het onderzoek zo optimaal mogelijk uit te voeren, wordt bij voorkeur gewerkt in een stabiele meetomgeving die over regelbare omgevingsfactoren beschikt. Doorgang van mensen en/of auto’s wordt best uitgesloten. Deze factoren kunnen aanleiding geven tot ruis en minder betrouwbaardere resultaten als gevolg van trillingen of van extra naburige straling van bijvoorbeeld koplampen. Omwille van plaatsgebrek werd het onderzoek onderworpen aan enkele beperkingen. De invloed op een afstand verder dan 75m is zeker nuttig om in de toekomst te onderzoeken. Meer invalshoeken, een minder groot interval tussen de beschouwde afstanden of een grotere variëteit aan reflectiviteiten zou een goede basis zijn voor een verder uitbreiding van de technische specificaties. Tevens kunnen veelvoorkomende bouwmaterialen opgenomen worden zodat de theoretische bevindingen aan de praktische omstandigheden getoetst kunnen worden.
110
9 BIJLAGEN
1. Technische fiche van het Leica Scanstation C10 2. Foto’s en histogrammen waarop albedowaarden bepaald werden 3. Controleberekening standaardformule in Excel 4. SPSS - targets (1 verwerking) 5. SPSS - vlakjes (1 verwerking) 6. Invloed van σz op σpositie 7. Coördinaten en standaardafwijkingen van de targets 8. Absolute afstanden tussen patches en de gemiddelde target
111
10 BRONNEN RONNENLIJST 10.1 Elektronische artikels Baribeau, R., Rioux, M., & Godin, G. (1992). Color reflectance modeling using a polychromatic laser range sensor. IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence, Vol. 14(no.2), 263-269. http://www.cs.virginia.edu/~mjh7v/bib/Baribeau92.pdf Baur, D. (1997). Lasers in theorie en praktijk (1e druk ed.). Beek: Uitgeverij Segment B.V. Boehler, W., & Marbs, A. (2002). 3D Scanning instruments. https://i3mainz.fhmainz.de/sites/default/files/public/data/p05_Boehler.pdf Boehler, W., Marbs, A., & M. Bordas, V. (2003). Investigating Laser Scanner Accuracy. 9. http://wwwgroup.slac.stanford.edu/met/align/Laser_Scanner/laserscanner_accuracy.pdf Bucksch, A., Lindenbergh, R., & Van Ree, J. (2009). Error budget of terrestrial laserscanning: influence of the intensity remission on the scan quality http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=C37723C8EAC6EEAF75450 972831EF632?doi=10.1.1.149.3692&rep=rep1&type=pdf Clark, J., & Robson, S. (2011). Accuracy of measurements made with CYRAX 2500 laser scanner against surfaces of known colour. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.184.4591&rep=rep1&type=pdf Deruyter, G., Van Quickelberghe, A., Nuttens, T., Stal, C., & De Wulf, A. (2013). Risk Assessment: a comparison between the use of laser scanners and total stations in a situation where time is the critical factor. 13th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. https://biblio.ugent.be/input/download?func=downloadFile&recordOId=4129999&fileOId=4 130015 Dobos, E. (z.d.). Albedo. http://www.uni-miskolc.hu/~ecodobos/14334.pdf Fröhlich, C., & Mettenleiter, M. (2012). Terrestrial laser scanning: new perspectives in 3D surveying. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVI(8). http://oldwww.prip.tuwien.ac.at/cvch07/download/download/lectures/FROEHLICH.pdf Gilchrist, G. (2011). A simple method to determine surface albedo using digital photography. http://vixra.org/pdf/1110.0035v1.pdf GO3D. (2014). Sphere Target 5/8" Survey. Guihua, C., Mingfeng, L., Jianping, Y., Jiangxia, O., & Ling, Z. (2013). Effect of Target Properties on Terrestrial Laser Scanning Intensity Data. International Conference on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering, p. 818- 821. http://www.atlantispress.com/php/pub.php?publication=rsete-13&frame=http%3A//www.atlantispress.com/php/paper-details.php%3Fid%3D8313 Iavarone, A. (2002). Laser scanner fundamentals. Professional surveyor magazine. http://www.profsurv.com/magazine/article.aspx?i=949 Jacobs, G. (2005). High definition surveying and 3D laser scanning: understanding laser scanning terminology. Professional surveyor magazine, Februari. http://www.profsurv.com/magazine/article.aspx?i=1377 Janos, T. (2008). Land surveying and data management. 112
Kaasalainen, S., Jaakkola, A., Kaasalainen, M., Krooks, A., & Kukko, A. (2011). Analysis of Incidence Angle and Distance Effects on Terrestrial Laser Scanner Intensity: Search for Correction Methods. Remote Sensing, 3, p. 2207-2221. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=5DCFBC60E716E1DB5968BAB277 2B2D1C?doi=10.1.1.298.3660&rep=rep1&type=pdf Kersten, T. P., Sternberg, H., & Mechelke, K. (2005). Investigations into the accuracy behaviour of the terrestrial laser scanning system Mensi GS100. Optical 3-D Measurement Techniques VII, Vol. I, 122-131. http://archive.cyark.orarchive.cyark.org/temp/hcuhamburgkerstenetal2005.pdf Kurazume, R., Nishino, K., Zhang, Z., & Ikeuchi, K. (2002). Simultaneous 2D images and 3D geometric model registration for texture mapping utilizing reflectance attribute The 5th Asian Conference on Computer Vision. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.23.3293&rep=rep1&type=pdf Lichti, & Harvey. (2008). The effects of reflecting surface material properties on time-of-flight laser scanner measurements. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.123.5103&rep=rep1&type=pdf Lichti, D. D., & Gordon, S. J. (2004). Error Propagation in Directly Georeferenced Terrestrial Laser Scanner Point Clouds for Cultural Heritage Recording. http://www.fig.net/pub/athens/papers/wsa2/wsa2_6_lichti_gordon.pdf Nguyen, T. T., & Lui, X. G. (z.d.). Analysis of error sources in terrestrial laser scanning. http://www.lmars.whu.edu.cn/3DCMA2011/papers%5CCNKI%5CAnalysis%20Of%20Error%2 0Sources%20In%20Terrestrial%20Laser%20Scanning.pdf Nieuwenhuizen, M. (2008). Energie door zonnepanelen in de ruimte: TU Delft. Palmer, J. M. (2010). The measurement of transmission, absorption, emission, and reflection. Tuscon, Arizona. Pesci, A., & Teza, G. (2008). Effects of surface irregularities on intensity data from laser scanning: an experimental approach. Annals of geophysics, 51(october/december). http://www.annalsofgeophysics.eu/index.php/annals/article/view/4462/4546 Pfeifer, N., Dorninger, P., Haring, A., & Fan, H. (2007a). Investigating terrestrial laser scanning intensity data: quality and functional relations. http://publik.tuwien.ac.at/files/pubgeo_1932.pdf Pfeifer, N., Dorninger, P., Haring, A., & Fan, H. (2007b). Investigating terrestrial laser scanning intensity data: quality and functional relations. 8th Conference on Optical 3-D Measurement Techniques, 328 - 337. http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-geo_1932.pdf Reshetyuk, Y. (2008). Investigation and calibration of pulsed time-of-flight terrestrial laser scanner. 152 p. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.107.4137&rep=rep1&type=pdf Sawaya, L., & Sawaya, A. R. (2005). LRV light reflectance value of paint colors. http://thelandofcolor.com/lrv-light-reflectance-value-of-paint-colors/ Sick, B. V. (z.d.). Het verschil tussen nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid from http://www.sick.com/nl/nl-nl/home/producten/sickipediaterminologie/Documents/Het%20verschil%20tussen%20nauwkeurigheid%20en%20reprodu ceerbaarheid.pdf Soudarissanane, S., Lindenbergh, R., Menenti, M., & Teunissen, P. (2009). Incidence angle influence on the quality of terrestrial laser scanning points. IAPRS, XXXVIII(3/W8). http://sylvies.files.wordpress.com/2010/03/paper.pdf 113
Soudarissanane, S., Lindenbergh, R., Menenti, M., & Teunissen, P. (2011). Scanning geometry: influencing factor on the quality of terrestrial laser scanning points. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 66(4), 389-399. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271611000098 Van Alboom, T., & Vanhaelst, M. (2012/2013). Fysica II. Gent. Voegtle, T., Schwab, I., & Landes, T. (2008). Influences of different materials on the measurement of a terrestrial laser scanner. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVII(B5). http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=E778E58162C011F6AE7CD1A6255 C7F75?doi=10.1.1.150.9095&rep=rep1&type=pdf Voegtle, T., & Wakaluk, S. (2009). Effects on the measurements of the terrestrial laser scnner HDS6000 (Leica) caused by different object materials. IAPRS, 38, p. 68-74. http://www.isprs.org/proceedings/xxxviii/3-w8/papers/p80.pdf Waikato, T. u. o. (2012). Wynn, C. (2000). An introduction to BRDF-based lighting. http://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall06/cos526/tmp/wynn.pdf z.n. (z.d.). Module 3: factors affecting 3D laser scanning (pp. p 34-41). 10.2 Technische fiches Leica Scanstation C10, http://hds.leica-geosystems.com/downloads123/hds/hds/ScanStation%20C10/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_C10_DS_en.pdf Leica HDS6000, http://archive.cyark.org/temp/Leicahds6000datasheet.pdf Leica HDS6200, http://www.oceanscan.net/gallery/PDFs/Leica%20HDS6200%20DAT_en.pdf Leica HDS7000, http://survey.crkennedy.com.au/sites/default/files/downloads/HDS7000_DAT_en.pdf Leica HDS2500, http://hds.leica-geosystems.com/en/5940.htm Leica Scanstation P20, http://www.leica-geosystems.com/downloads123/hds/hds/ScanStation_P20/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_P20_DAT_en.pdf Riegl VZ-6000, http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/DataSheet_VZ-6000_23-092013_PRELIMINARY.pdf Riegl LMS-Z420, http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/10_DataSheet_Z420i_03-052010.pdf
114
Riegl LMS-Z620, http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/11_DataSheet_Z620_03-052010.pdf Maptec I-site 8810, http://www.maptek.com/pdf/i-site/Maptek_I-Site_8810_spec_sheet.pdf Pentax S-3180, http://www.pentaxsurveying.com/en/pdfs/S3180V-brochure-EN.pdf Trimble TX5, http://mep.trimble.com/sites/mep.trimble.com/files/assets_file_uploads/DatasheetTX5_scanner.pdf
115
11 FIGURENLIJST Figuur 1: Het elektromagnetische spectrum (Nieuwenhuizen, 2008) .................................................... 3 Figuur 2: Triangulatieprincipe met behulp van één CCD camera (Boehler & Marbs, 2002) .................. 5 Figuur 3: Triangulatieprincipe met behulp van twee CCD camera’s (Boehler & Marbs, 2002).............. 5 Figuur 4: Verschillende projectietechnieken bij een triangulatielaserscanner (Janos, 2008) ................ 5 Figuur 5: Principe van een ‘time-of-flight’-laserscanner (Janos, 2008) .................................................. 6 Figuur 6: Schematische voorstelling van twee gemoduleerde golflengten (Vienna University of Technology, z.d.) ..................................................................................................................................... 8 Figuur 7: Principe van een fase gebaseerde scanners (Janos, 2008) ...................................................... 8 Figuur 8: Divergentie van een laserstraal (Reshetyuk, 2008) ............................................................... 10 Figuur 9: Field of View van het Leica Scanstation C10 (Leica Geosystems AG, 2011) ......................... 11 Figuur 10 (v.l.n.r. a, b, c, d): Verschil nauwkeurigheid en precisie (Sick, z.d.) ...................................... 14 Figuur 11: Vlakke target met zwart-wit patroon van Leica (Leica Geosystems, 2014)......................... 15 Figuur 12: Bolle target Seco (GO3D, 2014) ........................................................................................... 15 Figuur 13: Het randeffect (Nguyen & Lui, z.d.) ..................................................................................... 18 Figuur 14: Collimatiefout (Nguyen & Lui, z.d.) ...................................................................................... 19 Figuur 15: Diffuse (isotrope) reflectie (Nguyen & Lui, z.d.) .................................................................. 19 Figuur 16: Refractie bij semi-transparante materialen (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008) ..................................................................................................................................................... 20 Figuur 17: 'Footprint' van een loodrecht invallende straal (links) en van onder een invalshoek (rechts) (Soudarissanane, Lindenbergh, Menenti, & Teunissen, 2011) ............................................................. 22 Figuur 18: Ideale reflectie en transmissie (Palmer, 2010) .................................................................... 23 Figuur 19: Reële reflectie en transmissie (Palmer, 2010) ..................................................................... 23 Figuur 20: Gebruik van ImageJ om de histogrammen te bepalen (Gilchrist, 2011) ............................. 25 Figuur 21: Speculaire reflectie (Waikato, 2012) ................................................................................... 26 Figuur 22: Spiegelende reflectie (Waikato, 2012) ................................................................................ 26 Figuur 23: Diffuse reflectie (Waikato, 2012) ......................................................................................... 26 116
Figuur 24: LRV schaal van de grijswaarden (Sawaya & Sawaya, 2005)................................................. 27 Figuur 25: Illustratie van de gebruikte ‘Spectralon’ targets (Pfeifer, Dorninger, Haring, & Fan, 2007b) .............................................................................................................................................................. 28 Figuur 26: Standaarddeviatie voor verschillende afstanden in functie van de invalshoek (T Voegtle & Wakaluk, 2009) ..................................................................................................................................... 28 Figuur 27: Invloed van de invalshoek op de intensiteit voor de FARO TLS (Kaasalainen, Jaakkola, Kaasalainen, Krooks, & Kukko, 2011).................................................................................................... 29 Figuur 28:Experimenteel bepaalde intensiteitswaarden van de FARO TLS en de theoretisch bepaalde waarden van het empirisch model. ...................................................................................................... 29 Figuur 29: Bovenaanzicht proefopstelling 1 (Soudarissanane et al., 2009).......................................... 30 Figuur 30: Resultaten van experiment 1 (Soudarissanane et al., 2009) ............................................... 30 Figuur 31: Proefopstelling met vlak en onregelmatig paneel (Pesci & Teza, 2008) ............................. 31 Figuur 32: Scanresultaten op een afstand van 25m bij verschillende invalshoeken (Pesci & Teza, 2008) .............................................................................................................................................................. 32 Figuur 33: Invloed van de invalshoek op de intensiteit op scanafstand van 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013) ........................................................................... 33 Figuur 34: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de invalshoek op scanafstand van 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013) ....................................................... 33 Figuur 35: Standaarddeviatie van de intensiteit in functie van de invalshoek bij 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013) ............................................................... 33 Figuur 36: Intensiteit in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et al., 2013)..... 34 Figuur 37: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et al., 2013) ............................................................................................................................................... 34 Figuur 38: Vergelijking normaalverdeling bij verschillende invalshoeken voor een wit (links) en zwart (rechts) vlakje (Clark & Robson, 2011).................................................................................................. 35 Figuur 39: Standaarddeviatie na correctie van de invalshoek en de afstand (Soudarissanane et al., 2011) ..................................................................................................................................................... 36 Figuur 40: Geregistreerd intensiteit in functie van de afstand (Pfeifer et al., 2007b).......................... 36
117
Figuur 41: Intensiteit in functie van de afstand voor de FARO LD880 en Leica HDS6100 en vergeleken met de verhouding K/R² (Kaasalainen et al., 2011) .............................................................................. 37 Figuur 42: Resultaten van experiment 2 (Soudarissanane et al., 2009) ............................................... 38 Figuur 43: Afwijkingen in functie van de reflectiewaarde (Clark & Robson, 2011) .............................. 39 Figuur 44: Vergelijking van de normaalverdelingen bij een orthogonale meting (Clark & Robson, 2011) .............................................................................................................................................................. 39 Figuur 45: Afstandsafwijking en zijn onzekerheid in functie van de afstand voor het target met 50% reflectiviteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)............................................................................................ 40 Figuur 46: Standaarddeviatie [mm] van da afstandmetingen in functie van de reflectiviteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009).................................................................................................................................. 40 Figuur 47: Relatie tussen reflectiewaarden en geregistreerde intensiteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009) .............................................................................................................................................................. 41 Figuur 48: Gemiddelde intensiteit in functie van de grijswaarde (T. Voegtle et al., 2008) .................. 41 Figuur 49: Afstandsnauwkeurigheid voor de verschillende grijswaarden (T. Voegtle et al., 2008) ..... 42 Figuur 50: Verhouding van de intensiteit en standaarddeviatie (Kersten et al., 2005)........................ 43 Figuur 51: Esser Test chart TE 109 (Bucksch et al., 2009) ..................................................................... 43 Figuur 52: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009) ............... 44 Figuur 53: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009) ............... 44 Figuur 54: Leica Scanstation C10 .......................................................................................................... 48 Figuur 55: Black-and-white target (Leica Geosystems AG, 2014) ......................................................... 49 Figuur 56: Bord met targets en vlakjes ................................................................................................. 49 Figuur 57: Geplaatste targets met de verschillende vlakjes ................................................................. 50 Figuur 58: Invalshoeken ten opzichte van de scanner.......................................................................... 51 Figuur 59: Afbakenen van het te scannen gebied ................................................................................ 51 Figuur 60: Voorbeeld van een script ..................................................................................................... 52 Figuur 61: Bepalen van de resolutie ..................................................................................................... 52 Figuur 62: Bord met vlakjes en 4 extra targets ..................................................................................... 53 Figuur 63: Knippen van de vakjes met aantonen van het ‘mixed edge’-probleem .............................. 55 118
Figuur 64: Creëren van een 'patch' ....................................................................................................... 55 Figuur 65: Meten van het afstandsverschil tussen patch en target ..................................................... 56 Figuur 66: Meten van de afstand bij 4 targets ...................................................................................... 57 Figuur 67: Positie van de patches ten opzichte van het referentievlak................................................ 57 Figuur 68: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10 ...................................................... 59 Figuur 69: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0° ....................................... 60 Figuur 70: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45° ..................................... 61 Figuur 71: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60° ..................................... 62 Figuur 72: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m .......................................... 63 Figuur 73: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m ........................................ 64 Figuur 74: Intensiteit - invalshoek 0° ................................................................................................... 65 Figuur 75: Intensiteit - invalshoek 30° .................................................................................................. 66 Figuur 76: Intensiteit - invalshoek 45° .................................................................................................. 66 Figuur 77: Intensiteit - invalshoek 60° .................................................................................................. 67 Figuur 78: Intensiteit – afstand 5m ....................................................................................................... 68 Figuur 79: Intensiteit – afstand 25m ..................................................................................................... 68 Figuur 80: Intensiteit - afstand 75m...................................................................................................... 69 Figuur 81: Intensiteit – invalshoek 0°.................................................................................................... 70 Figuur 82: Intensiteit – invalshoek 30°.................................................................................................. 70 Figuur 83: Intensiteit – invalshoek 45°.................................................................................................. 71 Figuur 84: Intensiteit – invalshoek 60°.................................................................................................. 71 Figuur 85: Intensiteit – afstand 5m ....................................................................................................... 72 Figuur 86: Intensiteit - afstand 25m...................................................................................................... 72 Figuur 87: Intensiteit - afstand 75m...................................................................................................... 73 Figuur 88: Puntenwolk met klein aantal geregistreerde punten bij donkere vlakken ......................... 74 Figuur 89: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10 ...................................................... 74
119
Figuur 90: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 0° ......................................................................................................................................... 76 Figuur 91: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 30° ....................................................................................................................................... 77 Figuur 92: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 45° ....................................................................................................................................... 79 Figuur 93: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets invalshoek 60° ....................................................................................................................................... 80 Figuur 94: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 0° ........................................................................................................................................................... 82 Figuur 95: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 30° ......................................................................................................................................................... 83 Figuur 96: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 45° ......................................................................................................................................................... 84 Figuur 97: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 60° ......................................................................................................................................................... 85 Figuur 98: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m ......................................................................................................................................................... 86 Figuur 99: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m ....................................................................................................................................................... 88 Figuur 100: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m ....................................................................................................................................................... 89 Figuur 101: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m .............................................................................................................................................................. 91 Figuur 102: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m ....................................................................................................................................................... 92 Figuur 103: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m ....................................................................................................................................................... 93 Figuur 104: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 0° ......................................................................................................................................... 94
120
Figuur 105: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 30° ....................................................................................................................................... 95 Figuur 106: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 45° ....................................................................................................................................... 96 Figuur 107: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 60° ....................................................................................................................................... 97 Figuur 108: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m ......................................................................................................................................................... 98 Figuur 109: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m ......................................................................................................................................................... 99 Figuur 110: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m ..................................................................................................................................................... 100 Figuur 111: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 0° ......................................................................................................................................................... 101 Figuur 112: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 30° ....................................................................................................................................................... 102 Figuur 113: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 45° ....................................................................................................................................................... 103 Figuur 114: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 60° ....................................................................................................................................................... 104 Figuur 115: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m ............................................................................................................................................................ 105 Figuur 116: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m ..................................................................................................................................................... 106 Figuur 117: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m ..................................................................................................................................................... 107
121
12 TABELLEN Tabel 1: Indeling van laserscanners (op basis van veel verkochte types)............................................... 8 Tabel 2: Albedowaarden van enkele natuurlijke materialen (Dobos, z.d.) .......................................... 24 Tabel 3: Resultaten van de gemiddelde intensiteiten op een afstand van 25m (Pesci & Teza, 2008) . 32 Tabel 4: Overzicht van de geregistreerde intensiteit (Lichti & Harvey, 2008) ...................................... 38 Tabel 5: Resultaten van de scans met de Imager 5003 en FARO LS880 (Bucksch et al., 2009) ............ 45 Tabel 6: Technische specificaties .......................................................................................................... 48 Tabel 7: Eigenschappen van de kaartjes ............................................................................................... 50 Tabel 8: Uitgevoerde opstellingen ........................................................................................................ 50 Tabel 9: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0° .......................................... 60 Tabel 10: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45° ...................................... 61 Tabel 11: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60° ...................................... 62 Tabel 12: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m ............................................ 63 Tabel 13: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m .......................................... 64 Tabel 14: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de afstand ................................................. 65 Tabel 15: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de invalshoek ............................................ 67 Tabel 16: Samenvattende tabel - aantal geregistreerde punten.......................................................... 73 Tabel 17: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invloed van de afstand....................................................................................................................................... 75 Tabel 18: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 0° ......................................................................................................................................... 75 Tabel 19: Minima, maxima en medianen - invalshoek 0° ..................................................................... 77 Tabel 20: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 30° ....................................................................................................................................... 77 Tabel 21: Minima, maxima en medianen - invalshoek 30° ................................................................... 78 Tabel 22: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 45° ....................................................................................................................................... 79 122
Tabel 23: Minima, maxima en medianen - invalshoek 45° ................................................................... 79 Tabel 24: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 60° ....................................................................................................................................... 80 Tabel 25: Minima, maxima en medianen - invalshoek 60° ................................................................... 81 Tabel 26: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van de afstand ............................................................................................................................................. 81 Tabel 27: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 0° ........................................................................................................................................................... 82 Tabel 28: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 30° ......................................................................................................................................................... 82 Tabel 29: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 45° ......................................................................................................................................................... 83 Tabel 30: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 60° ......................................................................................................................................................... 84 Tabel 31: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target – invloed van de invalshoek.................................................................................................................................. 85 Tabel 32: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m ......................................................................................................................................................... 86 Tabel 33: Minima, maxima en medianen – afstand 5m ....................................................................... 87 Tabel 34: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m ....................................................................................................................................................... 87 Tabel 35: Minima, maxima en medianen – afstand 25m ..................................................................... 88 Tabel 36: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m ....................................................................................................................................................... 89 Tabel 37: Minima, maxima en medianen – afstand 75m ..................................................................... 90 Tabel 38: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van de invalshoek ........................................................................................................................................ 91 Tabel 39: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m .............................................................................................................................................................. 91
123
Tabel 40: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m .............................................................................................................................................................. 92 Tabel 41: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m .............................................................................................................................................................. 93 Tabel 42: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 0° ........................................................................................................................................................... 94 Tabel 43: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 30° ......................................................................................................................................................... 95 Tabel 44: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 45° ......................................................................................................................................................... 96 Tabel 45: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 60° ......................................................................................................................................................... 97 Tabel 46: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m ......................................................................................................................................................... 98 Tabel 47: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m ....................................................................................................................................................... 99 Tabel 48: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m ..................................................................................................................................................... 100 Tabel 49: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 0° ............................................................................................................................................................ 101 Tabel 50: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 30° ....................................................................................................................................................... 102 Tabel 51: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 45° ....................................................................................................................................................... 102 Tabel 52: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 60° ....................................................................................................................................................... 103 Tabel 53: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m ............................................................................................................................................................ 104 Tabel 54: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m ............................................................................................................................................................ 105
124
Tabel 55: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m ............................................................................................................................................................ 106
125
13 WETENSCHAPPELIJK ARTIKEL TIME-BASED TERRESTRIAL 3D LASERSCANNERS: INVESTIGATION OF THE POSITION ACCURACY OF BLACK-AND-WHITE TARGETS AND OF THE INFLUENCE OF REFLECTIVITY, DISTANCE AND ANGLE OF INCIDENCE ON THE REGISTERED DISTANCE Prof. dr. ing. Greta Deruyter 1,2 Ing. Lisa Loux 1 Ing. Niels Van der Elst 1 1
Ghent University, Faculty of Engineering and Architecture, Department of Industrial Technology and
Construction, Belgium 2
Ghent University, Faculty of Sciences, Department of Geography, Belgium
ABSTRACT Terrestrial laser scanning (TLS) became one of the main methods to collect three-dimensional information of an object. Within surveying it plays an important role due to the many advantages. The technical specifications define that the distance to an object’s surface can be measured with millimetre accuracies, however many factors influence the quality of a point cloud. Secondly technical specifications are hard to interpret because of the lack of uniformity. The main purpose of this research was to investigate the influence of distance and incidence angle on the precision of the position of black-and-white-targets and the influence of surface reflectivity, distance and incidence angle on the distance registration of a modelled surface for the pulse based laser scanner Leica Scanstation C10. These results will lead to guidelines for the ideal scanpostion and complements of the technical specifications. The results showed that short and medium distances, with certainty to 25m, and an incidence angle of 0° provide the best scan geometry. Secondly was concluded that extension of the technical specifications of the Leica Scanstation C10 is required for the accuracy of modelled surfaces at low albedo values and for distances of 75m and up. The precision of target acquisition requires complement for a distance of 50m and up.
Keywords: terrestrial laser scanning, reflection, accuracy, precision, intensity
126
INTRODUCTION Over the years, terrestrial laser scanning (TLS) is well adopted as a data acquisition technique for a variety of applications. The advantage of 3D laser scanning, in comparison to traditional surveying methods, is the vast amount of information that is acquired in a short period of time. According to the technical specifications provided by the manufacturers, the distance to an object’s surface can be measured with millimetre accuracies. However, because of the lack of uniformity, practice shows that these technical specifications are hard to interpret ([3] and [5]). Furthermore, the quality of a point cloud is influenced by many factors during the scan process, such as distance, incidence angle of the laser beam, colour and reflectivity of the object. ([1,4,6-10]) The research at hand intended to answer two important questions for the pulse based laser scanner Leica Scanstation C10: 1. What is the influence of distance and incidence angle on the precision of the position of blackand-white-targets? 2. What is the influence of surface reflectivity, distance and incidence angle on the distance registration of a modelled surface? According to the technical specifications provided by the manufacturer the Leica Scanstation C10 has an accuracy of 2mm for a modelled surface and the 3D-scanner is able to determine the position of a planar HDS target with a precision of 2mm standard deviation. Based on the answers to above questions, the boundaries for the relative position of the scanner to the object for which the technical specifications given by the manufacturer are met, can be determined. Since data processing is a time-consuming process, the modelling of the surfaces was done using the patches (explained in methodology and results, 2) that were developed in the ‘quick-and-dirty-method’ (QDM) [2]. This investigation gives an indication whether the use of patches is accurate. In the QDM these patches are used to make an intersection at well-defined places. The result of the intersection is used to determine the deformation. METHODOLOGY AND RESULTS To investigate the influence of the distance, the incidence angle and the reflectivity, a test setup was built in a stable environment where the ambient light intensity, humidity and temperature fluctuations exhibit minimal. As a result, all scans were performed in similar circumstances. This was necessary in order to obtain comparable results, since the measurements were spread over several days.
127
The setup includes a movable blackboard where three black-and-white targets were attached directly to the board. Around each target were secured paint samples with different Light Reflectance Value (LRV). These samples were selected from a single fan of paint so that the surface characteristics of each sample are equal and the LRV is the only variable. For each sample, the albedo value was determined. The numbering of the samples has been clarified in figure 1. Sample 1 and 2 were replaced in the course of the investigation by samples 1 and 2 outlined in red because of damages which were applied by unknown. Samples 5 and 6 were excluded. They could have been an extension to investigate the effect of colours without repeating the time consuming process of data acquisition.
Figure 1: Samples
The board was scanned from different distances and under varying incidence angles: -
5m: 0°, 30°, 45° en 60°
-
25m: 0°, 30°, 45°, 60°
-
50m: 0°
-
75m: 0°, 30°, 45°, 60°
For each black-and-white-target, ten separate scans were performed. At larger distances, from 50m and up, and larger incidence angles scanning the black-and-white-targets was no longer possible and the method had to be modified. The three smaller black-and-white-targets between the samples were
128
replaced by four larger ones, arranged in the corners of the board (Figure 2). Each of these targets was also scanned ten times.
Figure 2: Blackboard with targets and samples
1. The influence of distance and incidence angle on the precision of the acquisition of blackand-white-targets The mean coordinate of the ten target scans was calculated. According to the technical specifications target scans are performed more precise than regular scans. These mean values were considered as the 'correct' coordinates of the targets within the local XYZ coordinate system for the determination of the accuracy of the positioning of the modelled surfaces. For each target the standard deviation was calculated on the position and on the X-, Y-and Z-coordinate. The results showed that the standard deviation of the Z-coordinate exerts the greatest influence on the standard deviation of the position. The Z-coordinate was therefore regarded as the "weak" point of the 3D laser scanner. This is most likely due to the mechanical movement of the vertical angle measurement. The standard deviations of the positions showed that the precision of black-and-white-targets met the technical specifications up to a distance of 25m. From a distance of 50m the uncertainty increased and there were measurements recorded that exceeded the technical specifications. The incidence angle appeared to have little influence on the precision. However, with larger incidence angles the spread of the results increased. A revision of the technical specifications is recommended for distances of 50m and further. 2. The influence of surface reflectivity, distance and incidence angle on the distance measurement Every arrangement of the board with the samples was scanned 30 times. Using Cyclone 8.0 each sample was cut out. Of each reflectivity two samples were provided, so each reflectivity resulted in 129
two point clouds. From these point clouds, patches were created (Figure 3) from which distance accuracy was determined. This was done 30 times.
Figure 3: Creating patches from point clouds
Two methods were used. The results are not affected so the values are still comparable. In the first method, with the smaller targets, the average coordinates of the targets were used. The distance between the patch from the point clouds and the mean coordinate of the target is calculated (Figure 4). For each arrangement this resulted in 30 distances between patch and mean coordinate for each reflectivity. The average of these distances, the minimum, the maximum, the difference between the extreme values, the median and standard deviation were determined in Excel.
Figure 4: Method 1
The second method was used for the measurements in which four targets at the corners of the board were used. The principle remained the same. There was still a distance measurement performed between the patches and a precise reference point. The reference point was created with the average coordinates of the targets. The diagonally opposed targets were connected to each other by means of a polyline. The place where these two connecting lines intersect each other was used to insert the reference point (Figure 5). The further processing of the results was similar to those of the first method.
130
Figure 5: Method 2
The intensity of the received signal obtained from the point cloud gives an indication of the degree of reflectivity of the material. The intensity was drawn directly from the data of the point clouds with a pts-file. It should be noted that only a single point cloud was examined per assembly. a. Intensity The intensity rose with increasing reflectivity and diminished with distance. Results from the scans of 5m and 25m may considered to be equal. The maximum range is higher with highly reflective materials. The darker card could not be scanned from a distance of 75m, due to the low intensity that was reflected whereby no sufficient and representative amount of points was registered. With increasing incidence angles, the intensity decreased. An incidence angle of 0° is considered to be ideal in function of intensity. In the end, the decay was the strongest for highly reflective surfaces. b. Influence of surface reflectivity, distance and incidence angle The second part of the study examined the influence of distance. The surface with high albedo delivered the best accuracy for the distance measurement. The average accuracy met the technical specifications irrespectively to the incidence angle. For low albedo values averages higher than 2mm were established, these curves showed a variable trend. The results of individual scans performed at 75m showed that a deviation higher than 2mm is possible. These scans do not guarantee the specified accuracy. The influence of the distance on the precision of the distance measurement showed no clear trend.
131
The influence of the angle of incidence on the accuracy of the distance measurement showed that the most accurate results were obtained with high albedo values. The average accuracy was sufficient for the highest albedo values at each angle. At a distance of 75m individual scans showed a lower accuracy at different angles. For low reflective surfaces average accuracy values occurred at every angle that didn’t meet the technical specifications. These reflectivities were impossible to deliver reliable results under oblique incidence angles on a very large distance. The quality of the measurement is thus higher when the reflectivity increases. Between the two lowest reflectivities of the two highest reflectivities the deviations approached each other with increasing angle. The increasing angle of incidence was found to have a positive impact on the accuracy. In terms of precision the highest albedo values out to be the least affected to the angles. At lower albedo values the differences between the angles of incidence were greater, especially when the distance was larger. In almost every case, there were established deviations that exceeded the specified 2mm for a reflectance of 5,0% albedo. Thus dark, low-reflecting surfaces should always be scanned with care. Redundant measurements or covering the darkest areas with bright paint can yield better measurement results. In practice this will be difficult to achieve. CONCLUSIONS Short and medium distances, with certainty to 25m, and an incidence angle of 0° provide the best scan geometry. Based on all the observations made about the distance accuracy was concluded that extension of the technical specifications of the Leica Scanstation C10 is required. The extension is necessary for the registered accuracies of modelled surfaces and the precision of target acquisition at low albedo values and for distances of 75m and up. To come to correct conclusions, further research is needed. This study needs to determine the maximum distance and angle under which each reflection is showing strong average deviations. REFERENCES [1] Clark, J., & Robson, S. (2011). Accuracy of measurements made with CYRAX 2500 laser scanner against surfaces of known colour. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.184.4591&rep=rep1&type=pdf [2] Deruyter, G., Van Quickelberghe, A., Nuttens, T., Stal, C., & De Wulf, A. (2013). Risk Assessment: a comparison between the use of laser scanners and total stations in a situation where time is 132
the critical factor. 13th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. https://biblio.ugent.be/input/download?func=downloadFile&recordOId=4129999&fileOId=4 130015 [3] Fröhlich, C., & Mettenleiter, M. (2012). Terrestrial laser scanning: new perspectives in 3D surveying. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVI(8). http://oldwww.prip.tuwien.ac.at/cvch07/download/download/lectures/FROEHLICH.pdf [4] Guihua, C., Mingfeng, L., Jianping, Y., Jiangxia, O., & Ling, Z. (2013). Effect of Target Properties on Terrestrial Laser Scanning Intensity Data. International Conference on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering, p. 818- 821. http://www.atlantispress.com/php/pub.php?publication=rsete-13&frame=http%3A//www.atlantispress.com/php/paper-details.php%3Fid%3D8313 [5] Iavarone, A. (2002). Laser scanner fundamentals. Professional surveyor magazine. http://www.profsurv.com/magazine/article.aspx?i=949 [6] Nguyen, T. T., & Lui, X. G. (z.d.). Analysis of error sources in terrestrial laser scanning. http://www.lmars.whu.edu.cn/3DCMA2011/papers%5CCNKI%5CAnalysis%20Of%20Error%2 0Sources%20In%20Terrestrial%20Laser%20Scanning.pdf [7] Pesci, A., & Teza, G. (2008). Effects of surface irregularities on intensity data from laser scanning: an experimental approach. Annals of geophysics, 51(october/december). http://www.annalsofgeophysics.eu/index.php/annals/article/view/4462/4546 [8] Pfeifer, N., Dorninger, P., Haring, A., & Fan, H. (2007). Investigating terrestrial laser scanning intensity data: quality and functional relations. 8th Conference on Optical 3-D Measurement Techniques, 328 - 337. http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-geo_1932.pdf [9] Soudarissanane, S., Lindenbergh, R., Menenti, M., & Teunissen, P. (2011). Scanning geometry: influencing factor on the quality of terrestrial laser scanning points. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 66(4), 389-399. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271611000098 [10] Voegtle, T., Schwab, I., & Landes, T. (2008). Influences of different materials on the measurement of a terrestrial laser scanner. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVII(B5). http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=E778E58162C011F6AE7CD1A6255 C7F75?doi=10.1.1.150.9095&rep=rep1&type=pdf [11] Leica Scanstation C10, http://hds.leica-geosystems.com/downloads123/hds/hds/ScanStation%20C10/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_C10_DS_en.pdf
133
