FACULTEIT WETENSCHAPPEN
Opleiding Geografie en Geomatica Master in de Geomatica en Landmeetkunde
Laserscanning voor bouwkundige toepassingen: vergelijking van puls- en faselaserscanners Jasper Wisbecq
Aantal woorden in tekst: 15.048
Promotor: Prof. dr. ir. Alain De Wulf, vakgroep Geografie Begeleider: Timothy Nuttens, vakgroep Geografie
Academiejaar 2012 – 2013
Masterproef ingediend tot het behalen van de graad van Master in de Geomatica en Landmeetkunde
WOORD VOORAF
Graag wil ik enkele personen danken die mij hielpen tijdens het opbouwen van deze masterproef.
Om te beginnen wens ik Lucas De Ridder te bedanken. Tijdens mijn stage in 2011 wakkerde hij mijn interesse voor laserscannen aan. De keuze van het onderwerp van mijn masterproef is dan ook een direct gevolg van deze leerrijke en aangename stage. Tijdens verschillende metingen van deze masterproef bood hij zijn hulp aan en daar heb ik dan ook met plezier gebruik van gemaakt. Meer algemeen dank ik ook het 'Gent in 3D'-team van stad Gent voor het uitlenen van de pulsscanner.
Mijn promotor, Prof. dr. ir. Alain De Wulf, dank ik voor het aanreiken van dit mooi onderwerp.
Voor scanadvies, begeleiding en oplossingen kon ik altijd terecht bij assistent Timothy Nuttens. Dit heb ik enorm geapprecieerd, bedankt Timo. Ook assistent Coen Stal dank ik voor zijn aangeboden hulp en tips.
Voor de 3D-nauwkeurigheidstest was het interessant om ook sferische targets te kunnen betrekken. Ik waardeer dan ook het vertrouwen dat de mensen van Couderé en Prof. dr. ing. Greet Deruyter van HoGent me schonken door deze targets aan mij uit te lenen.
Tot slot wil ik graag nog enkele vrienden en familieleden vermelden. In het bijzonder wens ik mijn moeder en Paul te danken voor de vele steun tijdens het doorlopen van deze opleiding. Ook mijn vriendin Iris dank ik voor haar aanmoedigingen en klare kijk. Patrick dank ik voor het grondige naleeswerk. Ik richt ook graag een woord van dank aan Peter, Folke en Ivan voor het ter hulp schieten wanneer ik handen te kort kwam tijdens mijn meetdagen. Graag voeg ik aan dit lijstje mijn studievrienden toe voor de aangename sfeer tijdens onze jaren aan de UGent.
INHOUDSTAFEL
1.
INLEIDING ....................................................................................................................... 1
1.1
Achtergrond ..................................................................................................................... 1
1.2
Probleemstelling .............................................................................................................. 3
1.3
Relevantie/Belang ........................................................................................................... 4
1.4
Doelstellingen .................................................................................................................. 4
1.5
Onderzoeksvragen + hypothesen .................................................................................... 5
1.6
Structuur .......................................................................................................................... 5
1.7
Belangrijkste resultaten en conclusies ............................................................................. 6
2.
METHODEN, MATERIALEN EN STUDIEGEBIED .................................................. 7
2.1
3D-nauwkeurigheidstest .................................................................................................. 8
2.2
2.3
2.4
2.1.1
Algemene achtergrond ......................................................................................... 8
2.1.2
Beschrijving dataverwerving................................................................................ 9
2.1.3
Verwerking 3D-nauwkeurigheidstest ................................................................. 13
Resolutie- en randeffectentest ....................................................................................... 15 2.2.1
Beschrijving meting ........................................................................................... 16
2.2.2
Verwerking resolutietest .................................................................................... 17
Noise- en materiaalgevoeligheidstest ............................................................................ 19 2.3.1
Case I: Bargiebrug .............................................................................................. 19
2.3.1
Dataverwerving .................................................................................................. 20
2.3.2
Verwerking ......................................................................................................... 21
2.3.3
Case II: Pontbrug ................................................................................................ 23
2.3.4
Case III: Gevelmeting Koningin Fabiolalaan ..................................................... 24
2.3.5
Case IV: Tunnelmetingen................................................................................... 26
Point-based user self-calibration aan de hand van Chow et al. (2012) ........................ 27 2.4.1
Algemene achtergrond ....................................................................................... 27
2.4.2
Beschrijving dataverwerving.............................................................................. 29
2.4.3
Verwerking van de data ...................................................................................... 30
3.
RESULTATEN ............................................................................................................. 31
3.1
Resultaten 3D-nauwkeurigheidstest .............................................................................. 31
3.2
3.1.1
Hypothesetoets van de standaardafwijkingen .................................................... 33
3.1.2
Hypothesetoets van de systematische shift ........................................................ 35
Resultaten resolutie- en randeffectentest....................................................................... 37 3.2.1
Resultaten van het algoritme van Huxhagen et al. (2009) ................................. 37
3.2.2
Visuele interpretatie van de randeffecten ........................................................... 38
3.3
Resultaten van de noise- en materiaalgevoeligheidstest ............................................... 40
3.4
Resultaten point-based user self-calibration ................................................................. 43
3.5
Snelheid van de scanners ............................................................................................... 45
4.
DISCUSSIE ................................................................................................................... 46
5.
BESLUIT ...................................................................................................................... 49
6.
REFERENTIELIJST ..................................................................................................... 52
6.1
Literatuur ....................................................................................................................... 52
6.2
Internetbronnen ............................................................................................................. 54
7.
BIJLAGEN .................................................................................................................... 56
7.1
Bijlage 1: Specificaties van Leica C10 ......................................................................... 56
7.2
Bijlage 2: Specificaties van de Leica HDS6100 ........................................................... 57
7.3
Bijlage 3: Specificaties van de Leica ScanStation 2 ..................................................... 58
7.4
Bijlage 4: Specificaties van het Pentax R-325 (N) totaalstation .................................. 59
7.5
Bijlage 5: Specificaties van de Trimble R6 GNNS-ontvanger ..................................... 60
7.6
Bijlage 6: Specificaties van het Leica TCRP 1203+ totaalstation ................................ 61
7.7
Bijlage 7: Targetcoördinaten van de 3D-nauwkeurigheidstest ..................................... 61
7.8
Bijlage 8: VBA- script voor het bepalen van het oplossend vermogen AV(D) van een
laserscanner .............................................................................................................................. 63
7.9
Bijlage 9: Correlatiematrices horend bij de noise- en materiaalgevoeligheidstest ....... 66 7.9.1
Correlatiematrices per materiaalsoort (scanner versus scanner) ........................ 66
7.9.2
Correlatiematrices per laserscanner (materiaal versus materiaal) ...................... 69
7.10 Bijlage 10: Residuplots van de point-based user self-calibration ................................. 72 7.10.1 Leica C10 ........................................................................................................... 72 7.10.2 Leica HDS6100 voor kalibratie.......................................................................... 76 7.10.3 Leica HDS6100 na kalibratie ............................................................................. 80
1. INLEIDING
1.1
Achtergrond
Het gebruik van laserscanning kent een toenemende evolutie in de burgerlijke bouwkunde. Laserscanners worden ook steeds betaalbaarder. De meest gebruikelijke toepassingen zijn: asbuilt surveys (Lichti et al., 2000; Chang et al., 2008), documentatie van historische bouwwerken (Chang et al., 2008), volumemetingen (Slattery et al., 2012)
en
deformatiemetingen (Lichti et al., 2000; Nuttens et al., 2010; Adamek et al., 2012). Bovendien is het zeer interessant om laserscanning aanvullend te gebruiken bij het uitvoeren van maximum load tests van bruggen (Zogg & Ingensand, 2008; Berenyi et al., 2009). Het voordeel van deformatiemetingen met een laserscanner uit te voeren is dat het bouwwerk niet enkel in discrete punten wordt gemonitord. Zo is het mogelijk om de vorm van het deformatiepatroon waar te nemen. Alhoewel de precisie op de coördinaten van een individuele puntmeting vrij laag is bij laserscanning, kan deformatie in een gemodelleerde puntenwolk zes tot twaalf keer nauwkeuriger worden waargenomen in vergelijking met andere technieken (Lichti et al., 2000; Gordon et al., 2003). Puls - en faselaserscanners verschillen essentieel in hun methode om afstanden te meten (Pfeifer & Briese, 2007). De pulsmeting bestaat uit het meten van een tijdsinterval tussen het zenden en ontvangen van een puls dat dan wordt herleid naar de dubbele afstand tussen laserscanner en object. Pulsscanners worden ook time-of-flight (TOF) laserscanners genoemd. De methode van fasescanners bestaat uit het meten van het faseverschil (Δφ) tussen het uitgestuurde continue referentiesignaal en het ontvangen signaal. Als gevolg van hun verschillend meetprincipe bezitten puls- en faselaserscanners andere voordelen (Wehr & Lohr, 1999; Fröhlich & Mettenleiter, 2004; Pfeifer & Briese, 2007). Pulsscanners hebben in de eerste plaats een groter meetbereik. Het vermogen van een puls is namelijk makkelijker te bundelen en de afstandsmeting bestaat niet uit een geheel en een fractioneel deel zoals bij fasescanners. Hiertegenover staat een hogere precisie en scanfrequentie van fasescanners. Riveiro et al. (2011) vermelden duidelijk dat voor het scannen van bruggen en infrastructuur pulsscanners duidelijk de voorkeur genieten als gevolg van hun grotere meetbereik. Infrastructuurwerken vallen namelijk niet altijd te scannen vanaf korte afstanden door gelimiteerde opstelmogelijkheden. Het kleiner bereik van fasescanners zou bij deze 1
toepassingen dan ook resulteren in een groter aantal opstelpunten, waardoor het snelheidsvoordeel al snel verloren zou gaan. Sternberg en Kersten (2007) vonden bij het scannen van een hoogspanningsstation dat fasescanners significant meer opstelpunten nodig hadden. Het kleiner bereik zorgde ook voor minder overlapping tussen de scans, waardoor ze in het totaal meer targets moesten plaatsen. Op die manier kwamen er tijdens het registreren meer targets en puntenwolken aan te pas. Zo leidden de fasescanners tot meer datavolume. Het snelheidsvoordeel op het terrein door hogere scanfrequenties wordt bijgevolg teniet gedaan door een langere verwerkingstijd. Verder blijkt in een studie van Voegtle en Wakaluk (2009) dat fasescanners problemen kunnen ondervinden met het meten van metalen en semitransparante materialen.
Dit wordt veroorzaakt door de hoge sensitiviteit van
fasescanners. De hoge mate van reflectiviteit van metaalsoorten zorgt voor oververzadiging van het signaal bij loodrechte inval, waardoor in bepaalde gevallen geen meting mogelijk is.
Om de performantie van laserscanners met elkaar te vergelijken dienen verschillende criteria onderzocht te worden. De vraag rijst welke criteria daarbij onderzocht moeten worden. Boehler et al. (2003) leggen de nadruk bij het vergelijken van verschillende laserscanners op de nauwkeurigheid. Allereerst moeten de hoekfout, afstandsfout, mate van ruis op de afstandsmeting en resolutie aan elkaar worden getoetst. Verder vergelijken de onderzoekers nog de invloed van verschillende materialen en randeffecten op de metingen. Aangezien deze masterproef bouwkundig georiënteerd is ligt de nadruk op courante bouwmaterialen zoals staal, baksteen en beton. Sternberg en Kester (2007) analyseren afstandsfouten, hoekfouten en andere foutenbronnen samen als de 3D-nauwkeurigheid. Verder voegen ze nog een economisch getinte pijler toe. De focus ligt hierbij op snelheid die gekarakteriseerd wordt door de scanfrequentie, het maximaal bereik en de field of view. Tenslotte spelen de totale hoeveelheid nodige registratietargets en software een rol bij de tijdsduur van een project.
Er bestaan reeds een aantal objectieve methoden om nauwkeurigheidsgerelateerde specificaties van laserscanners te vergelijken. De 3D-nauwkeurigheid analyseren kan gebeuren door gemeten afstanden tussen targets te vergelijken met referentieafstanden (Johansson, 2002; Boehler et al.,2003; Kersten et al., 2005, 2008; Gottwald, 2008). Gottwald (2008) verschilt van de anderen omdat hij vertrekt van een veldtest, weg van de laboratoriumcondities.
Alternatief
kunnen
de
gemeten
targetcoördinaten
worden
getransformeerd naar het coördinatenstelsel van de referentiewaarden. Vervolgens kunnen de residu's worden berekend (Huxhagen et al., 2009; Chow et al.; 2012). 2
Om de werkelijke resolutie te beoordelen kan een Boehler-ster worden ingescand met de hoogst mogelijke resolutie van het te testen type laserscanner (Boehler et al., 2003). Vervolgens dient het resultaat visueel geïnterpreteerd te worden. Huxhagen et al. (2009) stelden een methode op om het oplossend vermogen van een laserscanner iteratief te bepalen op basis van de Boehler-ster. De grootte van randeffecten kan visueel worden geïnterpreteerd ter hoogte van scherpe diepteverschillen. De invloed van materialen kan men testen door vlakken orthogonaal in te scannen. Nadien moeten er vlakken worden gefit op deze zones aan de hand van de kleinste kwadraten methode. De standaardafwijking is een maat voor de beïnvloeding van een specifieke materiaalsoort (Boehler et al., 2003; Voegtle et al., 2008; Voegtle en Wakaluk, 2009).
1.2
Probleemstelling
Een goede meting begint bij de keuze van geschikte instrumenten. De huidige classificatie van laserscanners op basis van het meetprincipe laat de gebruiker enigszins onbevredigd. De gebruiker zoekt eerder een praktische classificatie die laserscanners onderverdeelt op basis van mogelijkheden die uit de specificaties voortvloeien. Algemeen wordt echter aangenomen dat pulsscanners door hun hoger bereik meer aan te raden zijn voor het scannen van bouwkundige constructies. Maar is dit type van scanners wel aan te raden voor bouwkundige toepassingen? Want is het niet eerder de nauwkeurigheid die de doorslag dient te geven? Uit de literatuur blijkt echter dat door de onbetrouwbaarheid en niet-uniformiteit van fabrieksspecificaties het niet eenvoudig is om een geschikte laserscanner voor een specifieke toepassing te kiezen. Theoretische specificaties worden in laboratoriumomstandigheden bepaald. Hoofdzakelijk als gevolg van de individuele kalibratie van elke laserscanner kunnen de werkelijke specificaties omtrent de nauwkeurigheid afwijken van de theoretische. Om deze afwijking op te sporen en bijgevolg de werkelijke specificaties van een laserscanner te bepalen, werden objectieve testmethodes ontwikkeld zoals die van Boehler et al.(2003) en Kersten
et
al.
(2005,
2008).
Deze
tests
gebeuren
echter
opnieuw
in
laboratoriumomstandigheden. Hierdoor rijst de vraag hoe onderzocht kan worden welke nauwkeurigheid een laserscanner op het terrein haalt en in welke mate de laserscanner de werkelijkheid correct kan weergeven. Op die manier kan een landmeter nagaan of de nauwkeurigheidseisen van de aannemer kunnen worden gehaald.
3
1.3
Relevantie/Belang
Laserscanners zijn voor de meeste landmeters en studiebureaus nog steeds duur. De kostprijs is dan ook een sterk argument waardoor velen het instrument niet aanschaffen (http://www.plato3d.be, 3/03/2013). Het aankopen van een minder geschikt instrument heeft nefaste economische gevolgen. Als de eindproducten de eisen van de aannemer niet vervullen, omwille van de keuze voor een minder geschikt instrument, betekent dit voor de landmeter een economisch verlies. De landmeter moet kunnen inschatten hoe een type laserscanner zal presteren bij bepaalde materiaaltypes, terreincondities en types van constructies. Deze inschatting bepaalt de keuze. Deze masterproef poogt dan ook een inzicht te leveren om dit keuzeproces te vereenvoudigen. Momenteel is er nog steeds een gebrek aan gestandaardiseerde terreintesten voor terrestrische laserscanners. Deze masterproef levert inzicht in het inschatten van de prestaties van een laserscanner op het terrein, los van de laboratoriumspecificaties die worden opgegeven door de fabrikant.
1.4
Doelstellingen
In deze masterproef is het de bedoeling om een vergelijkende analyse te maken tussen pulsen faselaserscanners voor bouwkundige toepassingen. Voor het uitvoeren van deze masterproef stonden twee laserscanners ter beschikking: de Leica C10 (pulsscanner) en de Leica HDS6100 (fasescanner). Aangezien het onmogelijk is om alle puls- en fasescanners te vergelijken, is het in deze masterproef vooral de bedoeling om te onderzoeken welke van deze twee scanners het meest geschikt blijkt voor bouwkundige metingen. Later wordt dit resultaat dan teruggekoppeld naar de algemene indeling van puls- en fasescanners uit de literatuur. Ook eerder uitgevoerde bouwkundige metingen met de Leica ScanStation 2 (pulsscanner) worden gedeeltelijk in dit onderzoek betrokken.
4
1.5
Onderzoeksvragen + hypothesen
Dit onderzoek dient een antwoord te bieden op volgende concrete onderzoeksvragen:
Hoe kunnen de reeds bestaande testmethoden uit de literatuur, die in een laboratoriumomgeving worden aangewend, vertaald worden naar tests op het terrein in ‘typische’ bouwkundige omstandigheden?
Welke van beide onderzochte laserscanners haalt de hoogste 3D-nauwkeurigheid?
Verschilt het oplossend vermogen van beide scanners significant?
Ondervinden beide scanners op gelijke mate randeffecten?
Ondervinden de laserscanners problemen met de types van bouwmaterialen? Welke van beide scanners genereert het minste noise voor de types van bouwmaterialen?
1.6
Zijn beide laserscanners nog steeds goed gekalibreerd?
Welke van de twee laserscanners heeft de grootste scansnelheid?
Welke van beide laserscanners is te verkiezen voor bouwkundige toepassingen?
Kan dit worden veralgemeend naar andere types van puls- en fasescanners?
Structuur
In 'Methoden, materialen en studiegebied' wordt er gestart met het beschrijven van de eigenschappen van de gebruikte laserscanners. Daarna worden in dit deel alle metingen uitvoerig beschreven. Zowel de algemene achtergrond, het meetproces, de mogelijke afwijkingen als de verwerking worden uitvoerig beschreven.
Eerst wordt de 3D-
nauwkeurigheidstest gerapporteerd, vervolgens de resolutie- en randeffectentest, daarna de noise- en materiaalgevoeligheidstest. Er worden cases uitgewerkt voor stalen bruggen, betonnen bruggen, bakstenen gevels en betonnen tunnelwanden. Tot slot wordt de uitgevoerde point-based user self-calibration beschreven. Hierna volgen de resultaten. Vertrekkende van de meetdata worden er antwoorden geformuleerd op de onderzoeksvragen. De gevolgde redenering om tot deze antwoorden te komen staat hierbij centraal. Elke test wordt afzonderlijk behandeld. Deze resultaten worden aangevuld met informatie omtrent de scansnelheid. In de discussie wordt er teruggekoppeld naar de literatuur. Er wordt in dit deel ook ruimte voorzien om kritiek en tekortkomingen van dit onderzoek te rapporteren. Tot slot worden in het besluit alle antwoorden nog eens samengevat en genuanceerd. 5
1.7
Belangrijkste resultaten en conclusies
Ten eerste worden de resultaten van de 3D-nauwkeurigheidstest gepresenteerd. Voor vlakke targets werden er geen significante verschillen tussen de Leica C10 en de Leica HDS6100 in precisie gevonden. De systematische shifts verschillen wel significant. Voor de sferische targets verschillen zowel precisie als systematische shift significant. Indien er gewerkt wordt met onafhankelijke koppels van sferische targets kan dit verschil niet worden aangetoond. Vermoedelijk door de kleine steekproefgrootte. Vervolgens werd het oplossend vermogen van beide laserscanners onderzocht. Het oplossend vermogen hangt af van de scanafstand. Op 6 m haalt de Leica HDS6100 het fijnste oplossend vermogen, op 22 m haalt de Leica C10 een fijner oplossend vermogen. Er werden geen beduidende verschillen geobserveerd in de mate van randeffecten voor beide scanners.
Algemeen genereert de Leica C10 voor bouwmaterialen het minste noise. De Leica ScanStation 2 kon gedeeltelijk worden betrokken in dit deel en genereert globaal gezien het meeste noise. Door een laag aantal vrijheidsgraden konden deze trends niet worden gestaafd door middel van significante statistische F-testen. Er werden geen problematische reflecties geregistreerd, ook niet voor staal. Uit de resultaten van de point-based user self-calibration blijkt dat de Leica C10 nog steeds goed gekalibreerd is. De Leica HDS6100 lijkt onderhevig te zijn aan systematische hoekfouten. Gezien de korte meetafstanden van deze meting blijft de Leica HDS6100 echter nauwkeuriger dan de Leica C10 tijdens de point-based user self calibration. Tot slot bleken de scantijden van de Leica HDS6100 vijf- tot tienmaal sneller te zijn.
6
2. METHODEN, MATERIALEN EN STUDIEGEBIED
Om in deze masterproef een vergelijkende analyse te maken tussen puls- en faselaserscanners stonden er twee laserscanners ter beschikking. Als pulsscanner werd een Leica C10 aangewend. Deze werd ontleend bij het 'Gent in 3D'-team van de Stad Gent. Als fasescanner in deze studie werd een Leica HDS6100 gebruikt. Deze is beschikbaar binnen de vakgroep Geografie zelf. Ook de voorganger van de Leica C10, de Leica ScanStation 2, kon gedeeltelijk worden betrokken in dit onderzoek. Figuur 1 toont deze drie types laserscanners. Enkele metingen die eerder met de Leica ScanStation 2 werden genomen, konden worden hernomen met de andere twee laserscanners. Na het vergelijken van de Leica C10 en de Leica HDS6100, dient er te worden teruggekoppeld naar de literatuur. Zodoende kan gecontroleerd worden of de gevonden conclusies op een algemener niveau stand houden. Tabel 1 toont de fabrieksspecificaties van de drie types scanners en Bijlagen 7.1 tot 7.3 tonen meer uitgebreide lijsten met specificaties. Om een vergelijkende analyse te kunnen maken tussen verschillende laserscanners dient er een set van eigenschappen te worden bepaald en vergeleken. De meest essentiële eigenschap van deze set is de 3D-nauwkeurigheid en -precisie. Verder bestaat deze set uit de gevoeligheid voor noise, de fijnheid van resolutie, de mate van randeffecten en de invloed van materiaalkarakteristieken.
Tijdsgebonden
aspecten
als
scantijd,
aantal
benodigde
opstelpunten, bereik en aantal benodigde registratietargets zijn eigenschappen van secundair belang.
Figuur 1: Overzicht van de laserscanners: (a) Leica C10, (b) Leica HDS6100 en (c) Leica ScanStation 2 Bron: naar (a) http://www.leica-geosystems.us, 4/05/2013; (b) http://hds.leica-geosystems.coma, 4/05/2013 en (c) http://www. smartgeometrics.com, 4/05/2013 7
Tabel 1: Fabrieksspecificaties van de te gebruiken scanners Bron: http://leica-geosytems.be, 9/3/2012; http://hds.leica-geosystems.comb, 17/5/2012 en http://hds.leica-geosystems.comc, 23/03/2013, eigen verwerking Leica C10
Leica HDS6100
Leica ScanStation 2
Meetmethode
Puls
Fase
Puls
FOV (‘Field of View’)
270° V x 360° H
310° V x 360° H
270° V x 360° H
Bereik
300 m (90% albedo)
79 m (90% albedo)
300 m (90% albedo)
134 m (18% albedo)
ambiguïteitsinterval
134 m (18% albedo)
50 m (18% albedo) Scansnelheid
tot 50 000 pt/s
Resolutie
< 1 mm voor gehele Tot 3,9 mm x 3,9 mm < 1 mm voor gehele range
Precisie
(1σ)
voor 6 mm (0 - 50 m)
individuele
tot 508 000 pt/s
tot 50 000 pt/s
op 25 m
range
5 mm (1 - 25 m)
6 mm (0 - 50 m)
9 mm (< 50 m)
puntmetingen
2.1
3D-nauwkeurigheidstest
2.1.1 Algemene achtergrond
Er bestaan nog geen aangenomen standaarden voor het uitvoeren van een nauwkeurigheidstest voor laserscanners. Er werden wel reeds objectieve testen ontwikkeld in de literatuur (Johansson , 2002; Boehler et al., 2003; Kersten et al.,2005, 2008; Gottwald, 2008). In deze objectieve testmethodes moeten afstanden tussen gescande targets worden vergeleken met referentieafstanden. Targets zijn objecten die worden opgesteld in de te scannen ruimte. Omwille van hun specifieke vorm of intensiteitverschil laten ze een vlotte automatische berekening van hun middelpunt toe. Bijgevolg maken ze een eenvoudige registratie en georeferering mogelijk, maar hier worden ze aangewend om referentieafstanden op te stellen. De meeste van deze aangehaalde methodes zijn echter laboratoriumtesten. Voor deze masterproef is het daarentegen de bedoeling om de scanners op het terrein testen. Daarom vormt de veldvalidatieproef van Gottwald (2008) het vertrekpunt. In dit type test worden hoekfouten en afstandsfouten samen geëvalueerd. Deze foutenbronnen apart evalueren op het terrein is complexer en uiteindelijk is het effect van de fouten samen belangrijker. De vorm 8
van het testnetwerk wordt overgenomen. De spreidingsvoorwaarden zijn: op zowel minimale als maximale afstand van de scanner één target plaatsen en de rest van targets er tussen verspreid in x, y en z. In de literatuur bestaat de voorkeur voor sferische targets, maar vlakke targets zijn ook interessant gezien ze veel gebruikt worden in de realiteit. Referentieafstanden dienen met een totaalstation zo nauwkeurig mogelijk te worden bepaald zoals in alle methoden wordt voorgesteld. De precisie en nauwkeurigheid evalueren zal echter gebeuren op basis van de methoden van i3Mainz (σ) en HCU Hamburg (systematische shift en span).
2.1.2 Beschrijving dataverwerving
De omstandigheden van deze test worden samengevat in Tabel 2. Het testnetwerk bestond uit 22 targets. Acht van het type 6-inch black & white tilt & turn (kortweg black & white targets), acht van het type 6-inch HDS circular tilt & turn (kortweg HDS targets) en zes 6inch sferische targets van SECO. Figuur 2 toont deze drie types van targets. De black & white en de HDS targets zijn vlakke targets. De vlakke targets werden bevestigd op magneetvoeten of valstokken. De sferische targets werden op een stelschroevenblok geplaatst en vervolgens op een aluminium driepikkel boven een meetnagel. De centrering kon bijgevolg allen tijde worden nagekeken.
Figuur 2: Overzicht van de drie types van targets: (a) 6-inch black & white tilt & turn, (b) 6-inch HDS circular tilt & turn en (c) 6-inch sferische targets van SECO
9
Tabel 2: Omstandigheden 3D-nauwkeurigheidstest
Plaats
Campus Sterre, grasveld achter S9
Tijdsmoment
13/11/2012, 13u30 - 18u
Temperatuur
10 °C
Weertype
Zwaarbewolkt, maar droog
Gottwald (2008) schrijft één target op maximale afstand van de laserscanner voor. Deze afstand komt bijgevolg overeen met het bereik van de laserscanner. Het maximale bereik van een laserscanner correspondeert met een maximale reflectie. Dit komt op het terrein nooit voor. Het maximale bereik is dan ook weinig relevant voor deze praktijkgerichte test. Gezien de beperkte grootte van de targets (6 inch) en het minimum aantal gemeten targetpunten die vereist worden bij het (kwaliteitsvol) modelleren, diende er dus te worden gezocht naar een compromis. Dit compromis bestond uit het herleiden van de maximumafstand naar het bereik bij 18% albedo. Deze situatie stelt het bereik bij slechte meetomstandigheden voor. Een ander target werd op minimale afstand geplaatst. Een target werd bijgevolg vlak naast de laserscanner geplaatst (1,043 m). Aangezien het testveld voor beide laserscanners zou dienen, resulteerde dit in de configuratie die Figuur 3 toont. Hier volgt een opsomming van enkele afstanden die in acht genomen werden bij het spreiden van de targets op het terrein en hun werkelijke waarde:
één target op 134 m rond de scanner (theoretisch bereik van Leica C10 bij 18% albedo) resulteerde in 132,5 m toegepast op het terrein
één target op de helft van dit interval resulteerde in 80m toegepast op het terrein
enkele targets op 50m rond de scanner (theoretisch bereik van Leica HDS6100 bij 18% albedo) resulteerde in 60 m, 42 m en 37 m
rest van de targets binnen de 30 meter rond de scanner (garantie voor optimale fitting bij hoge resolutie).
Vermits er binnen de vakgroep weinig ervaring was met het modelleren van sferische targets, werden deze targets veiligheidshalve binnen de 30 m rond de laserscanner geplaatst. De Leica HDS6100 kan moeilijk het verschil in intensiteit tussen het centrum en de rand van de blauwe HDS targets detecteren. Bijgevolg werden op de twee verste locaties, enkel ingemeten met de
10
Leica C10, HDS targets geplaatst aangezien deze toch het ambiguïteitsinterval van de Leica HDS6100 overschrijden. Vervolgens werd de scanner op een driepikkel geplaatst en werd de eerste as van de scanner verticaal gebracht met behulp van het elektronisch doosniveau. Hierna werden de targets ingescand. Dit diende te gebeuren met een zo hoog mogelijke resolutie. Voor de Leica HDS6100 fasescanner kwam dit neer op de ultrahigh stand. Dit komt overeen met een resolutie van 3,9 mm bij 3,9 mm op 25 m. Alle targets werden samen gemeten in één enkele 360°-scan. Bij de Leica C10 pulsscanner is de resolutie tot op de millimeter vrij instelbaar voor het volledige bereik. Er werd gekozen om binnen een afstand van 25 m de resolutie van de fasescanner te evenaren (4 mm bij 4 mm voor 25 m). Buiten deze 25 m grens werd een resolutie van 4 mm bij 4mm voor de gemeten afstand toegepast. Elk target werd apart ingescand door middel van het definiëren van een window. Nadien volgde een 360°-scan met lage resolutie (10 cm bij 10 cm voor 50 m) om een makkelijkere oriëntatie binnen de puntenwolk toe te laten.
11
Figuur 3: Spreiding targets in 3D-testveld
12
Na het scannen van de targets dienden de targetcentra te worden ingemeten met een totaalstation. Deze metingen dienen voor het bepalen van een referentieset van afstanden tussen de targets onderling. Ze vormen de nominale waarden. Hiervoor werd gebruik gemaakt van een Leica TCRP 1203+ totaalstation. Dit toestel heeft een hoeknauwkeurigheid van 3" en een afstandsnauwkeurigheid van 1mm + 1,5 ppm (met prisma) / 2mm + 2ppm (reflectorloos) (Bron: http:// www.surveyequipment.com, 20/11/2012). De specificaties van dit totaalstation worden opgesomd in Bijlage 7.6. Origineel was het de bedoeling om elk target vanuit twee opstelpunten in te meten en met doorslag. Doordat het meetmateriaal slechts later kon worden geleverd dan voorzien, was er echter niet voldoende tijd beschikbaar. Bijgevolg werd slechts vanuit één opstelpunt gemeten (met doorslag). Dit hoeft echter geen probleem te vormen gezien de relatieve posities voldoende nauwkeurig kunnen bepaald worden. De vlakke targets (black & white en HDS) werden reflectorloos ingemeten. De sferische targets werden vervangen door het prisma op het stelschroevenblok. Het vervangen van de sferische targets door het prisma vormde nooit een probleem voor de centrering. De verticale offset van het prisma ten opzichte van het targetcentrum werd op twee manieren bepaald: eenmaal met plooimeter en bovendien op de puntenwolk zelf. Dit leidde tweemaal tot dezelfde waarde (Δz = 5,0 cm). Aangezien elk target met doorslag werd bepaald, kon de standaardafwijking op de targetcoördinaten worden berekend. Tabel 3 toont de standaardafwijking op deze nominale targetcoördinaten. Tabel 3: Standaardafwijking op de nominale coördinaten
Standaardafwijking (mm)
X
Y
Z
0,4
0,5
1,1
2.1.3 Verwerking 3D-nauwkeurigheidstest
Eens alle data waren verzameld, dienden allereerst de targets te worden gemodelleerd. Dit gebeurde in Leica Cyclone 7.4 (Figuur 4). Eens gemodelleerd zijn de targetcentra gekend die gebruikt worden voor de actuele afstandsverschillen tussen de targets. De drie types targets kunnen automatisch worden herkend in de Leica Cyclone-software.
13
Figuur 4: Gemodelleerde targets: (a) black & white target, (b) HDS target en (c) sferisch target
In de puntenwolk die werd verkregen met de Leica C10 was het mogelijk om alle tweeëntwintig targets te fitten. De software kon daarentegen in de puntenwolk van de Leica HDS6100 slechts zestien targets fitten. Targets A en B lagen buiten het bereik en werden dus niet ingemeten, targets C,D, E en H stonden echter wel op een geschikte afstand opgesteld maar konden niet kwaliteitsvol worden herkend in de puntenwolk. Daarom werden deze niet verder opgenomen in het onderzoek. De software heeft het kennelijk moeilijk met het herkennen van HDS targets in puntenwolken die zijn genomen met een Leica HDS6100. Dit fenomeen was reeds gekend binnen de vakgroep. Als gevolg konden er slechts twee van de acht HDS targets worden gefit. Hierna werden de coördinaten van de targetcentra geëxporteerd als een ASCII xyz-bestand. De coördinaten van de targetcentra worden getoond in Bijlage 7.7. Een volgend probleem was een systematische fout die opdook tijdens het fitten van sferische targets. Volgens de meetdata is dit niet zozeer te wijten aan de fitting, maar eerder aan de afstandsmeting tijdens het scannen van de sferische targets zelf. In de puntenwolk is te zien dat de gescande punten van de bol ‘verschoven’ zijn t.o.v. de houder. Figuur 5 illustreert dit effect, waarbij het gefitte targetcentrum duidelijk niet centraal boven het stelschroevenblok komt te staan. Dit effect is groter bij de Leica HDS6100 (gemiddeld 30mm) dan bij de Leica C10 (7,5 mm). Er volgde een controle van de fitting en nieuwe fitting waarbij overbodige punten en uitschieters zorgvuldig werden weggefilterd maar dit bracht geen soelaas. Hieromtrent werden experts van Leica gecontacteerd. Er werd geen passend antwoord gevonden. Als gevolg werd er gekozen om de sferische targets apart te analyseren. Dit probleem voor sferische targets dook echter al eerder op in Lindstaedt et al. (2011) voor de Riegl VZ-400 pulsscanner. Ook toen werd de fabrikant gecontacteerd. De waarden die werden verkregen tijdens de kalibratie van de fabrikant voor dat type van sferische targets,
14
werden toen niet intern in het instrument opgeslagen. Specifiek voor deze masterproef kon deze mogelijke oorzaak niet worden bevestigd door de fabrikant.
Figuur 5: Systematische shift op sferische targets
2.2
Resolutie- en randeffectentest
Resolutie en randeffecten worden het best getest aan de hand van een Boehler-ster. De scans worden vervolgens visueel geïnterpreteerd. Bij uitbreiding kan het oplossend vermogen (Auflösungsvermögen AV) iteratief worden bepaald. De Boehler-ster werd gemaakt volgens de richtlijnen uit Huxhagen et al. (2009). Er werd geopteerd om de Boehler-ster in karton te maken omwille van de gewenste diffuse reflectie en de eenvoudige constructie. Uit het karton 15
werden radiale sectoren van 5° gesneden. In het gemeenschappelijk middelpunt van de sectoren werd een black & white targetsticker aangebracht (Figuur 6). Deze Boehler-ster moet orthogonaal worden ingescand vanaf verschillende afstanden met de fijnst mogelijke resolutie.
Figuur 6: Voorbeeld van de opstelling van de Boehler-ster
2.2.1 Beschrijving meting
In eerste instantie werd de Boehler-ster buiten opgesteld voor een betonnen gevelvlak om veldcondities te simuleren. Gezien de aanwezige sterke wind trilde de Boehler-ster hevig tijdens de metingen. Bijgevolg werden de metingen gestaakt en werd de Boehler-ster opgesteld binnen in het kalibratielokaal (UGent, Campus De Sterre, S8). De omstandigheden worden opgesomd in Tabel 4. De Boehler-ster werd opgesteld op een kast en geklemd tussen dikke boeken. De shift tussen de Boehler-ster en de achterliggende witte muur bedroeg 8 cm. Deze opstelling stond stabiel. De Boehler-ster werd met de twee laserscanners vanaf twee afstanden gescand: eens vanaf 6 m en eens vanaf 22 m. Voor de Leica HDS6100 werd de ultrahigh resolutie telkens toegepast (3,9 mm x 3,9 mm op 25 m). Het scannen met de Leica C10 gebeurde met verschillende resoluties. De resolutie varieerde van 1 mm x 1 mm op 25 m, om de fijnst mogelijke instelling te testen, tot 4 mm x 4 mm op 25 m (meest gelijkaardig aan ultrahigh resolutie van de Leica HDS6100). 16
Tabel 4: Omstandigheden resolutietest
Plaats
Campus Sterre, kalibratielokaal S8
Tijdsmoment
6/11/2012, namiddag
Temperatuur
17 °C
Omstandigheden
Binnen, geringe belichting
2.2.2 Verwerking resolutietest
Allereerst werden de puntenwolken in Leica Cyclone geïmporteerd. Vervolgens dienden er in elke puntenwolk overbodige punten te worden verwijderd. Enkel punten die overeenkomen met reflecties op het voor- of achtervlak van de Boehler-ster mochten behouden blijven. Hierna volgde een 3D-coördinatentransformatie. Deze gebeurde in Leica Cyclone zelf. Het nieuwe assenstelsel bestaat uit een x- en y-as in het voorvlak van de Boehler-ster met oorsprong in het centrum van de ster. Daarvoor werd het targetcentrum van de ster eerst gefit. De z-as staat loodrecht op dit vlak en wijst naar de scanner toe. De getransformeerde coördinaten vormden de input van een script dat iteratief zoekt naar het oplossend vermogen van scanner voor een bepaalde scanafstand. De code van het script is een vertolking van de aanwijzingen in Huxhagen et al. (2009) en is in bijlage toegevoegd (Bijlage 7.8). Het algoritme gaat als volgt: GEGEVEN: set met n punten, nominale dieptes van voor- en achterpaneel GEVRAAGD: kleinste straal R waarvoor voor- en achterpaneel significant gescheiden zijn ALGORITME 1. Sorteer de punten op stijgende z-coördinaat (vb. in Excel) HERHAAL vervolgens volgende stappen: 2. Selecteer alle punten die binnen een ring met grote straal R en dikte d liggen ALS (xi²+yi² < R²) AND (xi²=yi² > (R-d)²) VOEG PUNT TOE aan werkrij
17
3. Deel de werkrij op in twee deelrijen die elk de helft van de geselecteerde punten bevatten en bepaal voor elke deelrij de mediaan. De punten blijven hierbij gesorteerd op z-coördinaat. 4. Haal werkrij leeg, bepaal nieuwe R en d Hoe kleiner R, hoe groter d moet worden om genoeg punten toe te laten voor betrouwbaarheid. Dit gebeurt aan de hand van volgende formule: d = (1.16 - R) ² ∙ 0,005 m of d = (1.16 - R) ² ∙ 0,002 m voor scans genomen vanuit het opstelpunt van 6 m of met een resolutie van 1 mm x 1 mm op 25 m. 5. STOP indien |t| > 1,658
(t-waarde bij eenzijdige t-test bij 95%-betrouwbaarheidsniveau)
t = (mediaan2-mediaan1)/delta_mediaan delta_mediaan = ((mediaan2-nominaal2)² + (mediaan1-nominaal1)²)^(1/2) resultaat: Rmin <--- laatst geldige R
De dikte van de ring laten toenemen naarmate de ring dichter bij het centrum ligt, geeft meer garantie op een hoger aantal meetpunten binnen de ring. Een hoog aantal meetpunten is wenselijk naar de significantie toe. Daarom werd bij de implementatie van dit algoritme een formule toegepast die de dikte geleidelijk aan laat toenemen. Deze formule heeft volgende vorm: (1.16 - R) ² ∙ 0,005 m. Het algoritme start bij een straal van 16 cm. Naarmate de straal van de ring afneemt neemt bijgevolg de dikte toe. De scans die werden genomen vanaf korte afstand of met een resolutie van 1 mm x 1 mm op 25 m bevatten veel meetpunten. Daarom werd voor deze scans gestart met een smallere dikte van 2 mm in plaats van 5 mm. De formule luidt dan: (1.16 - R) ² ∙ 0,002 m. Deze formules werden tijdens dit onderzoek uitgedacht, maar werden per e-mail als een mogelijke manier erkend door de heer Stefan Mehlig van i3Mainz.
18
2.3
Noise- en materiaalgevoeligheidstest
Noise kan getest worden door een vlak in te scannen. Dit vlak dient vervolgens te worden gemodelleerd aan de hand van de kleinste kwadraten methode, waarna de standaardafwijking kan worden bepaald. Om de invloed van materiaalkarakteristieken op de kwaliteit van scans na te gaan kan de noise worden bepaald voor vlakken met een duidelijk afgetekende intensiteitwaarde. Dit naar analogie met Kersten et al. (2005) en Voegtle et al. (2008). Bijgevolg kunnen noisegevoeligheid en materiaalgevoeligheid van laserscanners samen worden getest. Bij uitbreiding kan er een wit blad op een vlakke wand worden bevestigd, om vervolgens het verschil in afstand tussen de gemodelleerde wand en blad te evalueren. Dit komt grotendeels overeen met procedure van i3Mainz. Aangezien verschillende materialen verschillende invloeden kunnen uitoefenen, werden verschillende types courante bouwmaterialen in beschouwing genomen. Deze types gaven aanleiding tot het uitwerken van verschillende cases. Een eerste case bestond uit het scannen van de Bargiebrug te Gent. Deze brug heeft een stalen vakwerk voor het opnemen van de lasten. Deze case vertegenwoordigt bijgevolg de stalen constructies tijdens deze masterproef. De betonnen Pontbrug te Drongen vormde een tweede case. Deze werd reeds gescand door assistent Timothy Nuttens en Lucas De Ridder in 2011 en vertegenwoordigt betonnen bruggen in deze masterproef. Een derde case diende voor het representeren van bakstenen constructies. Hiervoor werden vier aanpalende gevels ter hoogte van de Koningin Fabiolalaan 114 te Gent gescand. Tot slot fungeren tunnelmetingen van assistent Timothy Nuttens uit 2010 en 2012 als vierde case. De tunnelwanden bestaan uit glad beton. De tunnelmetingen vertegenwoordigen naast constructies van glad beton ook minder gunstige meet- en belichtingsomstandigheden.
2.3.1 Case I: Bargiebrug
Het scannen van de Bargiebrug vormde de eerste meting van deze masterproef. Deze brug bestaat uit een stalen draagstructuur die werd behandeld met groene verf. Deze brug is 24 m lang en 15 m breed. De omstandigheden worden opgesomd in Tabel 5. Tijdens regenbuien werd er gewacht met scannen om een overmatig ruisgehalte te vermijden. 19
Figuur 7: Foto en scan van de Bargiebrug Bron van foto links: http://inwe.hogent.be, 19/04/2013 Tabel 5: Omstandigheden meting Bargiebrug
Meetdagen
11 en 12/09/2012
Luchttemperatuur
19°C
Weertype
Afwisselend regen en opklaringen
2.3.1 Dataverwerving
De brug werd met elke scanner (Leica C10 en Leica HDS6100) vanuit zes opstelpunten gescand om in de mate van het mogelijke zoveel mogelijk schaduwzones uit te sluiten. Na het plaatsen van de laserscanner op het statief werd het buisniveau ingespeeld. Uit elk opstelpunt werd een 360°-scan uitgevoerd. De opstelpunten bevonden zich onder (3), naast (2) en op de brug (1). Onder de brug loopt een fietsersbrug, zoals te zien is op Figuur 7. Deze fietsersbrug fungeerde als platform om de brug van onderuit te scannen, maar de scanners ondervonden trillingen die veroorzaakt werden door passerende fietsers. De trillingen zorgden echter niet voor merkbare problemen bij de metingen of de verwerking. Alle opstelpunten waren identiek voor beide scanners. Er werden black & white targets gebruikt om de registratie mogelijk te maken. Zodra een target niet meer zichtbaar was vanuit volgende opstelpunten werd deze verplaatst. Op die manier werden in totaal negentien targetlocaties gebruikt. Om puntenwolken vanuit twee verschillende opstelpunten te koppelen zijn er minimaal drie gemeenschappelijke targets nodig. Voor de Leica HDS6100 dienden deze targets zich idealiter binnen een afstand van 25 m te bevinden. Bij deze afstand en de gebruikte resolutie 20
is achteraf een goede modellering van de targets mogelijk. Dankzij het groter bereik en de mogelijkheid om targets apart met een geschikte resolutie in te scannen is deze afstandeis niet van tel voor de Leica C10. Hierdoor zijn er theoretisch gezien minder targets nodig voor de Leica C10 bij deze case. Om snelheidsredenen werd dit voordeel echter niet benut, gezien de targets toch reeds stonden opgesteld voor de Leica HDS6100. De resolutie die werd toegepast voor de Leica HDS6100 was 7,9 mm x 7,9 mm op 25 m (highest, de op een na hoogste stand). De Leica C10 scande de brug met een ingestelde 1,5 cm x 1,5 cm op 25 m. De resolutie van de Leica C10 lag lager om realistische meettijden te behouden. Voor de Leica HDS6100 lagen de meettijden op een zevental minuten per opstelpunt, terwijl dit voor de Leica C10 achttien minuten was aangevuld met enkele minuten voor het nemen van de panoramische foto's. Na het scannen dienden de targetcentra te worden ingemeten met het totaalstation en GNSS om het georefereren van de puntenwolken mogelijk te maken. Hiervoor werd een Pentax R325 (N) totaalstation en een Trimble R6 GNSS-rover gebruikt (zie specificaties in Bijlage 7.4 en Bijlage 7.5). Allereerst werd een netwerk van zes referentienagels aangelegd. Deze werden tweemaal differentieel ingemeten met de GNSS-rover (FLEPOS) en hun positie werd uitgemiddeld. De horizontale en verticale precisie bedroegen hierbij gemiddeld resp. 1,1 cm en 1,3 cm. Na het inmeten van telkens vier zichtbare referentiepunten, werden de targets reflectorloos ingemeten met het totaalstation. Hierbij werden drie opstelpunten gebruikt. Indien een target vanuit meerdere opstelpunten zichtbaar was, werd deze telkens opgemeten en werden de bekomen coördinaten uitgemiddeld. 2.3.2 Verwerking
Na het uitlezen van de puntenwolken dienden deze een registratie te ondergaan. De registratie zorgt voor het koppelen van de verschillende puntenwolken en het georefereren. Dit gebeurde in Leica Cyclone. De eerste stap bestaat uit het fitten van alle herkenbare targets in elke puntenwolk. In deze stap worden de targetcentra berekend. Elk targetcentrum krijgt ook een id mee. Aansluitend diende er een puntenwolk te worden aangemaakt met de targetcentra in het Lambert 72-coördinatenstelsel met dezelfde id's op basis van de totaalstationmetingen. Hierna volgde de 3D-coördinatentransformatie. Dit resulteerde in één globale puntenwolk in Lambert 72.
21
De gemiddelde fout op de targets bedroeg 4 mm voor de registratie van de Leica HDS6100 puntenwolken. Maximaal bedroeg deze 10 mm. De targets met id's 4 en 28 werden niet meegerekend gezien hun grotere fout (36 en 18 mm). Een gelijkaardig resultaat kon worden behaald bij de registratie van de Leica C10 puntenwolken. Een gemiddelde fout op de targets van 5 mm en een maximale van 14 mm. Deze fouten zijn aanvaardbaar gezien de voortdurende passage op en rond de brug en de vrij grote afstanden tot de targets. Het water zorgde immers voor grotere afstanden om tot een goede spreiding van de targets te komen. Leica Cyclone bezit een functie om vlakken te fitten (Fit to Cloud, Patch). In de samengevoegde puntenwolk werden enkele vlakke stukken staal geselecteerd. Op deze stukken werden vlakken gefit in beide datasets. De geselecteerde vlakken dienden zo orthogonaal mogelijk en vanaf korte afstand te zijn ingescand. De vlakken werden eerst ontdaan van elke vorm van ruis. Gezien de pijlers klinknagels bevatten werd er eerst een vlak gefit met klinknagels en dan eens zonder (Figuur 8). Aangezien de klinknagels uit het vlak uitsteken zorgen ze voor hogere standaardafwijkingen. De standaardafwijkingen van vlakken zonder klinknagels zijn dan ook representatiever voor de geschiktheid van een laserscanner voor algemene stalen constructies.
Figuur 8: (a) puntenwolk pijler met klinknagels, (b) zonder klinknagels en (c) gefit vlak op pijler
22
2.3.3 Case II: Pontbrug
De Pontbrug (Figuur 9) heeft een lengte van een 36,2 m en een breedte van 7,0 m. Deze brug met betonnen bogen werd reeds in 2011 gescand met beide scanners door Timothy Nuttens (assistent UGent) en Lucas De Ridder ('Gent in 3D', Stad Gent). Zij verzorgden ook de registratie. De gemiddelde fout van de targets bedroeg 6 mm voor de Leica HDS6100 en 7 mm voor de Leica C10. Beide scanners werden vijfmaal opgesteld, maar het is belangrijk om op te merken dat de opstelpunten verschilden. De resoluties waren zeer analoog. De Leica HDS6100 werd ingesteld op high (15,9 mm x 15,9 mm op 25 m), terwijl de Leica C10 op 15 mm x 15 mm op 25m werd ingesteld. Voor deze case werden er vlakken gefit op het betonnen vakwerk in zijn geheel. Dit vakwerk werd eerst ontdaan van ruis.
Figuur 9: Pontbrug
23
2.3.4 Case III: Gevelmeting Koningin Fabiolalaan
2.3.4.1 Data verwerving Het scannen van bakstenen constructies vond plaats in de Koningin Fabiolalaan aangezien deze laan in 2008 volledig werd ingescand door Lucas De Ridder met een Leica ScanStation 2, de voorganger van de Leica C10. Op deze manier kon deze pulsscanner ook betrokken worden in dit onderzoek. Deze metingen werden voor een deel hernomen met de Leica HDS6100 en de Leica C10 ter hoogte van huisnummer 114. Een groep van vier gebouwen werd ingescand vanuit twee opstelpunten met elke scanner. Deze groep van aanpalende gebouwen werd geselecteerd om twee redenen. Ten eerste omdat ze werden gebouwd met verschillende materialen: baksteen met verschillende ruwheden (glad, normaal en ruw) en betonnen gevelbekleding. Ten tweede omdat de gevels weinig raamoppervlak in verhouding tot het geveloppervlak hadden. Er werden vier black & white targets verspreid op het terrein. Vier targets volstonden gezien de kleinschaligheid van de meting. De resolutie werd ingesteld op highest (7,9 mm x 7,9 mm op 25 m) voor de Leica HDS6100 en op een gelijkaardige 8 mm x 8 mm op 25 m voor de Leica C10. De meettijden bedroegen 6'36" voor de Leica HDS6100 en 40'33" voor de Leica C10. Om tijd te sparen werd het horizontaal meetvenster voor de Leica C10 beperkt tot de vier gebouwen (ca. 110°). Desondanks bleef de meettijd nog steeds een stuk hoger. De scans die met de Scanstation 2 werden genomen hebben een resolutie van 50 mm x 50 mm op 25 m. De gemiddelde fout op de registratie bedroeg tussen de 2 à 6 mm. 2.3.4.2 Data verwerking Aan de hand van de vier gemeenschappelijke targets in de puntenwolken konden per scanner de puntenwolken worden samengevoegd in Leica Cyclone. De gemiddelde fout op de targets bedroeg 1 mm en 2mm (resp. Leica HDS6100 en Leica C10). Georefereren was niet noodzakelijk. In totaal werden er voor elke scanner twaalf vlakken gefit: drie op de ruwe baksteen, drie op de normale baksteen, drie op de gladde baksteen, twee op de betonnen gevelbekleding en één op een natuurstenen plint. Figuur 10 toont de spreiding van de oppervlakken en Figuur 11 verduidelijkt de verschillende materialen.
24
Figuur 10: Overzicht vlakken Koningin Fabiolalaan
Figuur 11: Verduidelijking bouwmaterialen: (a) gladde baksteen, (b) normale baksteen, (c) ruwe baksteen, (d) betonnen gevelbekleding en (e) natuurstenen plint
25
2.3.5 Case IV: Tunnelmetingen
In Nuttens et al. (2010) werden laserscanners ingezet voor het uitvoeren van ovalisatiemetingen in tunnels. Deze metingen vonden plaats in de Diabolo-spoorwegtunnels. Dit tunnelproject bestaat uit een tunnel voor elke rijrichting met een lengte van 1,1 km en een diameter van 7,3 m. Om deformaties op te sporen, werden twaalf secties op geregelde tijdstippen gemonitord. Dit onderzoek resulteerde in een workflow voor het bepalen van de deformaties. Tijdens dit onderzoek werd er ook één bepaalde tunnelsectie met meerdere types van laserscanners gescand. De Leica HDS6100, de Leica ScanStation 2 en de Trimble S6 (totaalstation met scanfunctie) werden getest. Deze sectie werd met elk instrument vier keer ingescand. Er kan aangenomen worden dat er geen deformaties optraden tussen de scans gezien deze elkaar kort opvolgden. Uit elke scan werd een dwarsdoorsnede bepaald en voor deze dwarsdoorsneden werd om de 0,1 graden de straal berekend. Op basis van de set van vier metingen kon er voor elk instrument de experimentele standaardafwijking worden bepaald. In Nuttens et al. (2012) werden deze metingen aangevuld met meetwaarden voor de Leica C10 laserscanner. De Leica C10 en Leica HDS6100 haalden verrassend genoeg een gelijke standaardafwijking van 0,4 mm. Het ging hierbij wel om metingen vanaf zeer korte afstanden (tot 7 m). De ScanStation 2 haalde 1,2 mm en het Trimble S6-totaalstation 0,8 mm. Hiernaast bleek dat de scansnelheid bij het uitvoeren van ovalisatiemetingen een zeer belangrijk element vormt. Gezien
deze
tunnelsectie
met
meerdere
laserscanners
werd
gescand
in
gelijke
omstandigheden, vormden deze metingen een ideale input voor deze masterproef. De toegepaste resoluties verschilden wel van scanner tot scanner. De Leica C10 scande met een resolutie van 50 mm x 50 mm op 25 m, de ScanStation 2 met 35 mm x 35 mm voor 25m en de Leica HDS6100 met 15,9 mm x 15,9 mm op 25 m (high). De Leica C10 en de Leica HDS6100 werden centraal in de tunnel opgesteld op een driepikkel. De ScanStation 2 werd opgesteld bij de tunnelwand met behulp van een muuranker. De ScanStation 2-scans die beschikbaar waren, vormden zogenaamde kritische metingen. Dit houdt in dat deze metingen kort na de plaatsing van de tunnelwand plaatsvonden. De tunnelboormachine (TBM) schermde tijdens de kritische metingen delen van de tunnelwand af. Om dit op te vangen werd er vanaf beide zijden gescand. Beide scans bevatten slechts elk een deel van de tunnelsectie.
26
Voor deze masterproef dienden er cilinders te worden gefit aan de cilindervormige tunnelwanden. Na het inladen van alle scans in Leica Cyclone, werd er in elke scan een stuk tunnel geselecteerd met een lengte van 4 m. De ring rond de gemonitorde sectie werd hiervoor gekozen, aangezien deze orthogonaal werd ingescand.
Grove stukken ruis werden
weggefilterd uit deze puntenwolken. Het was echter niet mogelijk om alle vormen van ruis over de lengte van een volledige ring weg te filteren binnen een aanvaardbare tijdsduur. Kleinere stukken ruis, bijvoorbeeld bouten, bleven bijgevolg aanwezig in de puntenwolk. Vervolgens werd aan dit stuk tunnelwand een best passende cilinder gefit aan de hand van de kleinste kwadraten methode (Figuur 12).
Figuur 12: Tunnelwand (a) ruwe puntenwolk (b) best passende cilinder
2.4
2.4.1
Point-based user self-calibration aan de hand van Chow et al. (2012)
Algemene achtergrond
Vermits deze methode nog niet aan bod kwam tijdens de voorbereidende literatuurstudie zal deze hier worden beschreven. Tijdens het vorderen van deze masterproef bleek het belang van de individuele kalibratie steeds groter te worden, en deze methode kan inzicht leveren in de kwaliteit van de individuele kalibraties die kort na de fabricatie werden uitgevoerd. Men dient kennis te hebben over deze kwaliteit bij het selecteren van een laserscanner voor een bepaalde toepassing. Daarom werd later besloten om deze analyse toe te voegen aan dit onderzoek.
27
Oorspronkelijk was het de bedoeling om deze techniek toe te passen op de data die werd verkregen tijdens de 3D-nauwkeurigheidstest. Deze methode vereist echter meerdere opstelpunten waardoor deze data ongeschikt bleek. Deze problematiek werd reeds aangekaart in de probleemstelling. Bijgevolg werd er gekozen om een extra meting uit te voeren om de kalibratieconstanten te bepalen. In Chow et al. (2012) wordt de geometrische nauwkeurigheid van een FARO Focus3D en een Leica HDS6100 geëvalueerd. Beiden zijn faselaserscanners. De methode die hiervoor wordt gehanteerd in deze paper is die van self-calibration (Lichti et al., 2007). Ondanks de kalibratie door de constructeurs blijven er resterende systematische fouten bestaan. Deze methode kan deze systematische fouten detecteren en modelleren. Er zijn twee benaderingen mogelijk: de puntgebaseerde en de vlakgebaseerde. De puntgebaseerde benadering tracht de systematische fouten te modelleren aan de hand van gekende targetcentra. De gekende targetcentra worden geschat aan de hand van overtallige metingen. Men moet de targets bijgevolg vanuit meerdere stationpunten scannen. Deze gekende targetcentra worden omgerekend naar een assenstelsel met de laserscanner in de oorsprong. Door het verschil tussen gemeten en gekende coördinaten te observeren kan men de systematische correctieparameters voor afstand, horizontale en verticale hoek inschatten. Deze manier van werken is vrij analoog aan de eerder geformuleerde alternatieve methode van i3Mainz die geformuleerd wordt in Huxhagen et al. (2009). De correctieparameters bevatten naast een offset ook afstands- en hoekafhankelijke termen. De vlakgebaseerde benadering vertrekt vanuit de voorwaarde dat elk punt precies op één gefit vlak ligt. Door de afwijkende ligging van een meetpunt ten opzichte van dit vlak te beschouwen kunnen opnieuw
de
systematische
correctieparameters
worden
geschat.
Door
de
alom
vertegenwoordiging van vlakken in de (bouwkundige) ruimte is deze benadering geschikt voor een in situ kalibratie. In het onderzoek van Chow worden beide benaderingen gebruikt: zevenmaal puntgebaseerd en viermaal vlakgebaseerd voor de Leica HDS6100; zesmaal puntgebaseerd en eenmaal vlakgebaseerd voor de FARO Focus3D. Telkens werden de systematische correctieparameters voor afstand, horizontale en verticale hoek berekend en de bijhorende standaard afwijkingen. Deze standaardafwijkingen zijn ongeveer dubbel zo groot voor de FARO Focus 3D (0,55 mm/38,4"/ 36,0" versus 1,20 mm/92,0"/ 46,1"). Meestal is een gebruiker echter enkel geïnteresseerd in de 3D-nauwkeurigheid. Daarom werden de coördinaten van de targetcentra (bekomen tijdens het uitvoeren van de puntgebaseerde methode) ook vergeleken tussen beide scanners in het onderzoek van Chow. 28
Uiteindelijk resulteerde dit in een set van 368 targets. Hiervoor werden de targetcentra eerst getransformeerd naar een gemeenschappelijk assenstelsel. Vervolgens werd de RMSE voor x, y en z berekend. Voor korte afstanden blijken deze waarden onder millimeterniveau te liggen (0,5 mm tot 0,8 mm). Na kalibratie verbetert dit naar 0,5 mm tot 0,7 mm. Voor grotere afstanden nemen de standaardafwijkingen waarden aan tussen 0,6 mm en 2,2 mm. Na kalibratie wordt dit 0,5 mm tot 1,4 mm. Voor deze masterproef werd de nauwkeurigheid van de Leica C10 en de Leica HDS6100 geanalyseerd aan de hand van de puntgebaseerde methode. Deze methode is namelijk makkelijker toe te passen, maar vereist wel een ruimte waarin een groot aantal targets stabiel kunnen worden opgesteld. De workflow bestaat uit: 1. Berekenen van (X,Y,Z) voor elk target en opstelpunt; 2. Berekening van ρ (schuine afstand), α (verticale hoek) en θ (horizontale hoek) voor elk target en opstelpunt; 3. 3D-transformatie: van een lokaal assenstelsel voor elk opstelpunt naar een gemeenschappelijk assenstelsel voor alle opstelpunten. Dit gebeurt aan de hand van een bundle adjustment. Dit houdt in dat de residuen (Δρ, Δα en Δθ) zullen geminimaliseerd worden aan de hand van een kleinste kwadraten methode. Gelijktijdig worden de correctieparameters berekend. De basisgedachte achter deze theorie is dat als de residuen niet random verdeeld zijn, dat dit dan veroorzaakt wordt door een systematische fout. De berekende correctieparameters kunnen dan toegepast worden om deze systematische fouten te compenseren.
2.4.2
Beschrijving dataverwerving
De point-based user self-calibration werd uitgevoerd op 7/03/2013 in een vergaderzaal van de vakgroep Geografie. Deze zaal meet 5,18 m x 5,18 m x 3,33 m. In deze zaal werden 139 papieren black & white targets opgehangen en verspreid over de vier muren, het plafond en de vloer. De spiegel werd weggenomen en de zonnewering werd neergehaald om ongewenste reflecties te vermijden. De opstelling wordt getoond in Figuur 13. Deze testzaal werd met beide scanners vanuit drie opstelpunten gescand. Om oversampling te voorkomen (kleinschalige zaal versus spotgrootte van de laser) volstond een resolutie van 16 mm x 16 mm op 25 m voor de Leica C10. Analoog werd de Leica HDS6100 ingesteld op de 29
high-resolutie (15,9 mm x 15,9 mm op 25m). Een scan duurde een drietal minuten voor de Leica HDS6100 en een zestiental minuten voor de Leica C10.
Figuur 13: Opstelling point-based user self-calibration
2.4.3 Verwerking van de data
Aangezien de Cyclone-software standaard slechts vijftig black & white targets automatisch kan herkennen, werd elke scan opgesplitst in zes *.ptg bestanden. Elk *.ptg bestand stelt een muur, vloer of plafond voor. Vervolgens werden deze terug geïmporteerd in Cyclone met de optie om automatisch targets te herkennen ingeschakeld. Hierna kreeg elk target een id. Targets die niet automatisch werden herkend, werden manueel gefit. Uiteindelijk konden de targetcoördinaten worden geëxporteerd. Deze vormden de input van de kalibratiesoftware van Jacky Chow. Aanvullend werden ook de normaalvectoren van alle targets bepaald. Dit kon gebeuren door vlakken te fitten op de muren, het plafond en de vloer in elke puntenwolk. Vervolgens konden de normaalvectoren van deze vlakken opgevraagd worden. Aangezien de targets aan de muren, het plafond en de vloer werden bevestigd komen hun normaalvectoren dan ook overeen.
30
3. RESULTATEN
3.1
Resultaten 3D-nauwkeurigheidstest
Op basis van de ASCII-bestanden die de coördinaten van de targetcentra bevatten konden de afstandsverschillen tussen alle targets worden bepaald aan de hand van een script in Visual Basics for Applications (VBA). Voor elke scanner werden vervolgens alle afstandsverschillen vergeleken met de nominale waarden. Gezien de sferische targets apart behandeld dienden te worden, daalde het aantal mogelijke onafhankelijke koppels. Daarom werd er gekozen om de standaardafwijking, de span en de systematische shift ook te berekenen op basis van afhankelijke koppels om een grotere steekproefgrootte te bekomen. Werken met afhankelijke koppels houdt in dat elke mogelijke combinatie van twee targets meegerekend wordt. Hierbij worden bepaalde fouten natuurlijk meerdere malen geëvalueerd. Zowel de afhankelijke als onafhankelijke werkwijze komen in de literatuur aan bod. De onafhankelijke koppels werden pseudo-random samengesteld. Targets aan de randen van het testveld mochten hierbij niet worden samengevoegd in eenzelfde koppel. Deze methode gaf aanleiding tot volgende acht koppels: M-I, F-N, J-K, P-L, O-G, Q-U, R-S en T-V. De resultaten van de 3D-nauwkeurigheidstest worden in Tabel 6 getoond. Voor de vlakke targets haalt de Leica HDS6100 betere resultaten (bvb. voor afhankelijke koppels: σ = 2,5 mm en syst. shift = 2,2 mm versus σ = 2,9 mm en syst. shift = 4,8 mm). Voor de sferische targets is deze relatie omgekeerd (bvb. voor afhankelijke koppels: σ = 23,5 mm en syst. shift = -59,2 mm versus σ = 7,0 mm en syst. shift = -15,6 mm). Voor onafhankelijke koppels werden gelijkaardige waarden bekomen. De waarden voor sferische targets liggen bij de Leica HDS6100 duidelijk hoger. Figuur 14 en 15 tonen deze relaties door de verdelingen te plotten voor afhankelijke koppels. Voor de vlakke targets is de systematische shift hoger bij de Leica C10, maar de spreiding is vrij gelijkaardig voor beide scanners. Voor de sferische targets heeft de Leica C10 duidelijk een veel lagere systematisch shift en spreiding ten opzichte van de Leica HDS6100.
31
Tabel 6: Resultaten 3D-nauwkeurigheidstest Afh/onafh scanner
type targets
# # targets koppels
ΔLmin (mm)
ΔLmax (mm)
span (mm)
σ (mm)
syst. shift (mm)
AFHANK. Leica C10 Leica C10 Leica HDS6100 Leica HDS6100
HDS + B&W SPHERE 6" HDS + B&W SPHERE 6"
16
120
-0,8
10,5
11,3
2,9
4,8
6
15
-25,4
-1,5
24,0
7,0
-15,6
10
45
-2,7
8,9
11,6
2,5
2,2
6
15
-89,3
-14,7
74,6
23,5
-59,2
HDS + B&W SPHERE 6" HDS + B&W SPHERE 6"
16
8
2,2
10,5
8,3
3,0
6,0
6
3
-16,7
-6,0
10,7
5,9
-12,7
10
5
-0,3
4,4
4,7
2,3
2,4
6
3
-75,1
-23,2
51,9
26,4
-51,9
ONAFH. Leica C10 Leica C10 Leica HDS6100 Leica HDS6100
Figuur 14: Distributie van de deviaties op basis van afhankelijke koppels van vlakke targets
32
Figuur 15: Distributie van de deviaties op basis van afhankelijke koppels van sferische targets
3.1.1 Hypothesetoets van de standaardafwijkingen
Experimentele standaardafwijkingen kunnen vergeleken worden aan de hand van een F-test indien de steekproeven werden genomen uit twee normale verdelingen. Deze voorwaarde kan worden aangenomen voor deze soort van meetdata. Voor deze test worden volgende hypothesen opgesteld: H0: sC10 = sHDS6100 HA: sC10 ≠ sHDS6100
Deze worden getest op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. De teststatistiek wordt gevormd door de verhouding van de experimentele varianties. Om de nulhypothese te behouden moet de teststatistiek voldoen aan volgende voorwaarde:
3.1.1.1 Afhankelijke koppels van vlakke targets
sC10 = 2,9 mm
n = 120
sHDS6100 = 2,5 mm
n = 45 33
F0.975(119,44) = 1,70
Bijgevolg: 0,59 ≤ 1,35 ≤ 1,70 De nulhypothese wordt niet verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. Bijgevolg kan men niet zeggen dat de standaardafwijkingen voor vlakke targets statistisch significant verschillen (α = 0,05). 3.1.1.2 Afhankelijke koppels van sferische targets
sC10 = 7,0 mm
n = 15
sHDS6100 = 23,5 mm
n = 15
F0.975(14,14) = 3,03
Bijgevolg: 0,33 ≥ 0,089 ≤ 3,03 De nulhypothese kan dus worden verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau ten voordele van de alternatieve hypothese. Beide standaardafwijkingen verschillen significant. De Leica C10 pulsscanner haalt een betere precisie voor sferische targets. De reden van de hoge waarden voor de Leica HDS6100 is nog steeds onbekend. De sferische targets van Seco worden behandeld met een speciale conductieve verf. Hierdoor wordt een metalen oppervlak nagebootst. Mogelijk is de Leica HDS6100 hiervoor gevoeliger. 3.1.1.3 Onafhankelijke koppels van vlakke targets
sC10 = 3,0 mm
n=8
sHDS6100 = 2,3 mm
n=5
F0.975(7,4) = 9,07
Bijgevolg: 0,11 ≤ 1,701 ≤ 9,07 De nulhypothese wordt niet verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. Bijgevolg kan men niet zeggen dat de standaardafwijkingen voor vlakke targets significant verschillen. 3.1.1.4 Onafhankelijke koppels van sferische targets
sC10 = 5,9 mm
n=3
sHDS6100 = 26,4 mm
n=3
F0.975(2,2) = 39,00
Bijgevolg: 0,026 ≤ 0,034≤ 39,00 De nulhypothese wordt niet verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. Bijgevolg kan men niet zeggen dat de standaardafwijkingen voor sferische targets significant verschillen 34
wanneer men onafhankelijke koppels observeert. Dit terwijl de teststatistiek vrij laag is. Hierbij is het wel belangrijk om de bijzonder lage steekproefgrootte op te merken. Het was niet voorzien om de sferische targets afzonderlijk te moeten behandelen. Initieel was de opzet om alle targets samen te behandelen en vervolgens statistieken te berekenen op basis van onafhankelijke koppels. Op deze manier zouden er geen problemen opgedoken zijn met steekproefgroottes. Door de beduidend hogere systematische shifts en standaardafwijkingen voor sferische targets was het opsplitsen echter noodzakelijk. De hypothesetoets op basis van de afhankelijke sferische koppels zorgen voor een betere afspiegeling van de realiteit.
3.1.2 Hypothesetoets van de systematische shift
Systematische shifts (experimentele algebraïsche gemiddelden) kunnen vergeleken worden aan de hand van een Welch's test indien de steekproeven werden verzameld uit twee normale verdelingen. Deze voorwaarde kan worden aangenomen voor deze meetdata. Voor deze test worden volgende hypothesen opgesteld: H0: μC10 = μHDS6100 HA: μC10 ≠ μHDS6100
Deze worden terug getest op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. De teststatistiek t en het aantal vrijheidsgraden df worden gevormd door volgende formules:
3.1.2.1 Afhankelijke koppels van vlakke targets
syst_shiftC10 = 4,8 mm
sC10 = 2,9 mm
nC10 = 120
syst_shiftHDS6100 = 2,2 mm
sHDS6100 = 2,5 mm
nHDS6100 = 45
df = 91
t0.975(df) = 1,99
Bijgevolg:│t│ = 5,69 > 1,99 35
De nulhypothese wordt verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. De systematische shifts verschillen significant. Wanneer men systematische shifts observeert op basis van afhankelijke koppels zijn deze beduidend lager bij de Leica HDS6100 fasescanner. 3.1.2.2 Afhankelijke koppels van sferische targets
syst_shiftC10 = -15,6 mm
sC10 = 7,0 mm
syst_shiftHDS6100 = -59,2 mm s
HDS6100
df = 16
t0.975(df) = 2,12
= 23,5 mm
nC10 = 15 nHDS6100 = 15
Bijgevolg:│t│ = 6,88 > 2,12 De nulhypothese kan bijgevolg worden verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau ten voordele van de alternatieve hypothese. Beide standaardafwijkingen verschillen significant. De Leica C10 pulsscanner heeft een minder grote systematische shift voor sferische targets. 3.1.2.3 Onafhankelijke koppels van vlakke targets
syst_shiftC10 = 6,0 mm
sC10 = 3,0 mm
syst_shiftHDS6100 = 2,4 mm
HDS6100
df = 10
t0.975(df) = 2,2
= 2,3 mm
nC10 = 8 nHDS6100 = 5
Bijgevolg:│t│ = 2,44 > 2,2 De nulhypothese wordt terug verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. De systematische shifts voor vlakke targets op basis van onafhankelijke koppels verschillen significant. De fasescanner haalt betere waarden. De steekproefgrootte is echter beperkt (acht onafhankelijke koppels voor de Leica C10 versus vijf voor de Leica HDS6100). 3.1.2.4 Onafhankelijke koppels van sferische targets
syst_shiftC10 = -12,7 mm
sC10 = 5,8 mm
syst_shiftHDS6100 = -51,9 mm
HDS6100
df = 2
t0.975(df) = 4,3
= 26,4 mm
nC10 = 3 nHDS6100 = 3
Bijgevolg:│t│ = 2,51 ≤ 4,3 De nulhypothese wordt niet verworpen op het 95%-betrouwbaarheidsniveau. Bijgevolg kan men niet zeggen dat de systematische shifts voor sferische targets significant verschillen
36
wanneer men onafhankelijke koppels observeert. Terug dient de lage steekproefgrootte hierbij opgemerkt te worden.
3.2
Resultaten resolutie- en randeffectentest
3.2.1 Resultaten van het algoritme van Huxhagen et al. (2009)
Dit algoritme bepaalt het oplossend vermogen AV van een laserscanner voor een bepaalde scanafstand D. Dit algoritme bepaalt het oplossend vermogen AV op het 95%betrouwbaarheidsniveau. Volgende resultaten werden gehaald.
Tabel 7: Oplossend vermogen AV van beide laserscanners Scanner Leica C10 Leica C10 Leica HDS6100
Resolutie 1 mm x 1 mm op 25 m 4 mm x 4 mm op 25 m 3,9 mm x 3,9 mm op 25 m
AV(6 m) (mm) 6,1 6,3 3,5
AV(22 m) (mm) 6,0 6,5 8,5
Uit Tabel 7 blijkt dat op 6 m de Leica HDS6100 de beste resultaten haalt, terwijl op 22 m de Leica C10 een beter oplossend vermogen heeft voor beide geteste resoluties. Door het algoritme aan te passen kan de performantie van de resolutie ook op een andere manier worden getoond. Het algoritme start bij de buitenste ring en schuift telkens dichter op naar het centrum. Het algoritme dient telkens het diepteverschil bij te houden. De evolutie van dit diepteverschil toont grafisch de performantie van de resolutie. Het nominale diepteverschil tussen voor- en achterpaneel bedroeg 8,03 cm. Bij scanners met een hoog oplossend vermogen zal het diepteverschil nabij het centrum nog steeds de nominale waarde benaderen. Figuur 16 toont dat het diepteverschil bij de Leica HDS6100 een betere evolutie kent naar het centrum toe voor een afstand van 6 m. De groene curve daalt trager dan de blauwe. Bij de scans vanaf 22 m wordt een beter resultaat gehaald met de Leica C10 pulsscanner (rood). Opmerkelijk is ook dat de Leica C10 een beter resultaat haalt vanaf 22 m dan vanaf 6 m. Het verschil is echter klein. Deze vaststelling wordt weliswaar tegengesproken door de berekende AV(D) waarden uit Tabel 7. Figuur 17 toont analoge trends. Maar hier wordt er geen verschil gevonden tussen het oplossend vermogen van de Leica C10 vanaf 6 en 22 m.
37
diepteverschil Δz (cm)
Resultaten Boehler-ster (vergelijkbare resolutie) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
C10_4 mm_6 m C10_4 mm_22 m HDS_3,9 mm_6 m HDS_3,9 mm_22 m 0
5
10
15
20
Afstand tot centrum(cm)
Figuur 16: Evolutie van het diepteverschil bij vergelijkbare resoluties
diepteverschil Δz (mm)
Resultaten Böehler-ster (verschillende resoluties) 10 8 6
C10_1 mm_6 m
4
C10_1 mm_22 m
2
HDS_3,9 mm_6 m HDS_3,9 mm_22 m
0 0
5
10
15
20
Afstand tot het centrum (cm)
Figuur 17: Evolutie van het diepteverschil bij verschillende resoluties
3.2.2 Visuele interpretatie van de randeffecten
De randeffecten kunnen worden geëvalueerd aan randen die een duidelijk diepteverschil vertonen en die zo orthogonaal mogelijk werden ingescand. De scans van de Boehler-ster voldoen aan deze voorwaarden. Figuur 18 maakt duidelijk dat de scan die genomen werd met de Leica C10 met de hoogste resolutie (1 mm x 1 mm op 25 m) de meeste randeffecten vertoont. Deze scans kan men vinden in de bovenste lijn van de figuur. Voor de scan vanaf 6 m lijkt er een continu trapoppervlak te zijn gescand. Vanaf 22 m worden er al minder
38
randeffecten waargenomen. Voor de overige resoluties wordt er weinig verschil waargenomen tussen de Leica HDS6100 en de Leica C10. Beiden vertonen minder meetpunten die tussen de diepteverschillen in gelegen zijn. Voor de grotere meetafstand worden er opnieuw minder randeffecten waargenomen.
Figuur 18: Evaluatie van randeffecten
39
3.3
Resultaten van de noise- en materiaalgevoeligheidstest
Zoals eerder aangehaald fungeert de standaardafwijking van een gefit vlak als maat voor het beoordelen van de noise- en materiaalgevoeligheid van een laserscanner. Een hogere standaardafwijking duidt op een sterkere beïnvloeding. Elke case vertegenwoordigde een reeks bouwmaterialen. Op oppervlakken van interessante bouwmaterialen werden vlakken (of cilinders) gefit. Leica Cyclone berekent hierbij de standaardafwijking op milimeterniveau. De resultaten worden getoond in Tabel 8. Er werd getracht om de gefitte oppervlakken zo groot mogelijk te houden, om een zo groot mogelijke steekproef te hebben. Deze oppervlakken werden uiteraard nauwlettend verwijderd van ruis. De meetafstanden varieerden tussen 3 m en 25 m. Bij de stalen brugpijlers van de Bargiebrug en de gevelvlakken van de Koninging Fabiolalaan diende er echter met kleinere oppervlaktes gewerkt te worden. Voor deze cases werd er bijgevolg de keuze gemaakt om meerdere kleine oppervlakken te fitten in plaats van één of enkele grote. Indien de standaardafwijking van oppervlakken van een zelfde materiaalsoort varieert, wordt dit in de tabel getoond door een interval. Voor deze intervallen werden ook de gemiddelde standaardafwijkingen (σavg) berekend. Deze werden berekend volgens de formule: . Gezien elk vlak werd gefit op een hoog aantal punten (min. 30.000), is het te verantwoorden dat elk vlak eenzelfde gewicht toegekend krijgt in de berekening van de gemiddelde standaardafwijking.
Tabel 8: Resultaten noise- en materiaalgevoeligheidstest MATERIAALSOORT
STAAL
CASE
STATISTIEK
Leica
Leica
HDS6100
C10
ScanStation 2
Bargiebrug σ (mm) σavg (mm)
RUWE BAKSTEEN
Leica
[3-13]
[2-8]
NA
7,7
5,2
NA
[5-6]
[2-3]
5
5,7
2,7
5
Kon. Fabiolalaan σ (mm) σavg (mm)
40
STANDAARD BAKSTEEN
Kon. Fabiolalaan
Leica
Leica
Leica
HDS6100
C10
ScanStation 2
σ (mm)
[4-5]
[2-4]
5
4,7
3,1
5
4
[2-3]
[4,5]
4,0
2,4
4,7
[4-5]
3
[3,4]
4,5
3
3,5
σ (mm)
2
2
1
σavg (mm)
2
2
1
[6-10]
[12-27]
NA
σavg (mm)
8,1
17,8
NA
σ (mm)
11
11
[15,16]
σavg (mm)
11
11
15,5
σavg (mm) GLADDE BAKSTEEN
Kon. Fabiolalaan σ (mm) σavg (mm)
BETONNEN
Kon.
GEVELBEKLEDING
Fabiolalaan σ (mm) σavg (mm)
NATUURSTEEN PLINT
Kon. Fabiolalaan
BETON
Pontbrug σ (mm)
BETON
Tunnel
Voor de stalen brugpijlers en I-profielen van de Bargiebrug scoort de Leica C10 doorgaans iets beter dan de Leica HDS6100. Indien de klinknagels niet worden verwijderd uit de puntenwolken, scoren de standaardafwijkingen meestal 1 à 2 mm hoger. Voor de baksteensoorten vertaalt een hogere ruwheid zich niet in een merkelijk hogere standaardafwijking. Opnieuw presteert de Leica C10 net iets beter dan de Leica HDS6100 en de Leica ScanStation 2. Deze trend trekt zich verder door voor de betonnen gevelbekleding. Voor de plint in natuursteen worden lage standaardafwijkingen gehaald voor de drie scanners.
41
Voor het betonnen vakwerk van de Pontbrug valt op dat de Leica C10 beduidend slechter scoort dan voor betonnen gevelbekleding. Deze trend is voor de Leica HDS6100 minder opvallend. De Leica HDS6100 scoort hier dan ook beter dan de Leica C10. Er moet echter voorzichtig omgesprongen worden aangezien de opstelpunten van beide scanners verschillend waren. Ook werden sommige meetpunten vanuit schuine hoeken gemeten. Voor de betonnen tunnelwanden scoren de Leica HDS6100 en de Leica C10 gelijk, de Leica ScanStation 2 doet het iets slechter. Terug liggen de standaardafwijkingen hoger dan bij de gladde betonnen gevelbekleding. Mogelijk komt dit gedeeltelijk door de mindere meetcondities in de tunnel.
Er dient hierbij opgemerkt te worden dat een lagere standaardafwijking (en dus ook een lager ruisgehalte) niet noodzakelijk het gevolg is van een hogere oorspronkelijke precisie. Dit kan ook het gevolg zijn van een sterkere interne ruisfiltering. Op het terrein is het uiteindelijk resultaat van belang. Om de standaardafwijkingen statistisch te vergelijken diende de keuze te worden gemaakt tussen de gemiddelde waarden te vergelijken of de standaardafwijkingen vlak per vlak te vergelijken. Bij beide keuzes stelt zich een probleem rond de vrijheidsgraden. Wanneer gemiddelde standaardafwijkingen worden vergeleken, zal het aantal vrijheidsgraden laag zijn waardoor het moeilijk aan te tonen is dat standaardafwijkingen van twee laserscanners significant verschillen. Indien overeenkomstige vlakken worden vergeleken, ligt het aantal vrijheidsgraden bijzonder hoog door het hoge aantal punten waarop de vlakken werden gefit. Hierdoor zullen standaardafwijkingen met een gering verschil altijd significant verschillen. Daarom werd er geopteerd om de gemiddelde standaardafwijkingen per materiaalsoort van de laserscanners te vergelijken. Deze gemiddelde standaardafwijkingen kunnen terug worden vergeleken aan de hand van een F-test. Voor dit type van meetdata kan de voorwaarde, dat de steekproef normaal verdeeld dient te zijn, worden aangenomen. De nulhypothese houdt in dat twee gemiddelde standaardafwijkingen niet verschillen en de werkwijze loopt analoog met '3.1.1 Hypothesetoets van de standaardafwijkingen'. Op basis van deze F-testen werden correlatiematrices opgesteld en deze worden getoond in Bijlage 7.9. Alhoewel de gemiddelde standaardafwijkingen van de laserscanners soms duidelijk verschillen (bvb. teststatistiek = 4,41 bij Leica HDS6100 versus Leica C10 voor ruwe baksteen), worden de nulhypotheses nooit verworpen gezien het lage aantal vrijheidsgraden.
42
Deze bijlage toont ook matrices die de verhouding van de gemiddelde varianties tussen de materialen onderling per laserscanner voorstellen. Ondanks de duidelijke variatie konden opnieuw geen statistische verschillen worden aangetoond. 3.4
Resultaten point-based user self-calibration
De meetdata werden verwerkt door Jacky Chow zelf. Hij beschikt over de benodigde kalibratiesoftware. Op basis van de normaalvectoren van de targets konden de invalshoeken worden berekend. Observaties met scherpe invalshoeken kregen een lager gewicht tijdens de kleinste kwadraten vereffening. De software bepaalt de residuen in schuine afstand, verticale hoek en horizontale hoek (Δρ, Δα en Δθ) en zet deze uit in grafieken. Wanneer deze residuen niet random verdeeld lijken, dan wordt er vermoed dat ze worden beïnvloed door een significante systematische fout.
Tabel 9: Gemiddelde standaardafwijkingen voor de observaties voor en na kalibratie
Leica C10
Leica HDS6100
Standaardafwijking Voor Kalibratie
Na % Voor Kalibratie Kalibratie Verbetering
Na Kalibratie
% Verbetering
σρ (mm)
0,8
0,8
1,1
0,4
0,4
5,3
σθ (")
18,7
18,7
0,0
22,8
19,1
16,4
σα (")
9,5
9,5
0,7
20,6
15,0
27,1
Δρ (mm)
-0,4
-
Δθ (")
4.8*sec(alpha)
-
Δα (")
-
16.3*sin(alpha) - 127.1*cos(alpha) + 51.5*sin(2*alpha) - 38.8*cos(theta) 71.5*sin(2*theta) + 28.0*sin(4*theta)
Tabel 9 toont de resultaten van de kalibratiemeting. Onderaan de tabel worden de correctieparameters getoond. Deze modelleren de residuen. In de tabel wordt ook getoond hoe de gemiddelde standaardafwijking evolueert na het toepassen van de correctieparameters. 43
Voor de Leica C10 verbeteren deze waarden weinig. Men kan dan ook besluiten dat de Leica C10 nog steeds goed gekalibreerd is. Voor de Leica HDS6100 daarentegen kennen de standaardafwijkingen een duidelijke gunstige evolutie na het toepassen van de correctieparameters. De Leica HDS6100 lijkt te worden beïnvloed door significante systematische hoekfouten. Deze fouten kunnen ook worden geïdentificeerd op de residuplots.
Figuur 19: Verdeling van de residu's in verticale hoek in functie van de horizontale hoek voor de Leica HDS6100
In Figuur 19 wordt de relatie tussen de residuen in verticale en horizontale hoek weergegeven. Voor de kalibratie (links) lijken de residu's niet random te zijn verdeeld. Dit maakt duidelijk dat er significante systematische hoekfouten aanwezig zijn. Na het toepassen van de berekende correctieparameters (rechts) lijkt deze niet-random trend te zijn verdwenen. Alle andere gegenereerde residuplots worden in Bijlage 7.10 getoond. Gezien de korte scanafstanden tot 4 m in deze dataset domineert de fout op de afstandsmeting. De Leica C10 haalt een hogere standaardafwijking voor de afstandsmetingen (0,8 mm versus 0,4 mm in Tabel 9). De targetcoördinaten werden dan ook nauwkeuriger gemeten met de Leica HDS6100 tijdens deze test. Indien grotere scanafstanden met grotere verticale hoeken worden geobserveerd zou de Leica C10 meer nauwkeurige resultaten moeten halen dan de Leica HDS6100. Tijdens de 3D-nauwkeurigheidstest werden grotere afstanden geobserveerd in terreincondities, maar er was slechts weinig variatie mogelijk in de verticale hoek. De Leica C10 haalt bijgevolg ook tijdens de 3D-nauwkeurigheidstest geen meer nauwkeurige
44
resultaten voor de vlakke targets. Om deze mogelijke verticale hoekfout de verifiëren zijn nieuwe testen nodig. 3.5
Snelheid van de scanners
Tijdens het uitvoeren van de metingen van deze masterproef werden de scantijden consequent bijgehouden. Voor de Bargiebrug bedroeg de meettijd per scan een zevental minuten voor de Leica HDS6100 en een achttiental minuten voor de Leica C10. Met de Leica C10 werd er wel slechts op de halve resolutie van de Leica HDS6100 gescand (15 versus 7,9 mm op 25 m). In de Koningin Fabiolalaan bedroegen de meettijden terug een zevental minuten voor de Leica HDS6100, maar 41 minuten voor de Leica C10. Dit bij vergelijkbare resolutie, maar de Leica C10 scande slechts een horizontaal venster van 110° om tijd te winnen. De scantijd van een 360°-scan werd voorspeld op 67 minuten. Tot slot bedroegen de meettijden tijdens de pointbased user self-calibration 3 minuten (Leica HDS6100) en 16 minuten (Leica C10) bij een vergelijkbare resolutie van 16 mm x 16 mm op 25 m. De metingen werden tijdens deze masterproef vijf tot tien keer sneller uitgevoerd met de Leica HDS6100 fasescanner. Daarbovenop kon deze scanner ook vlotter bediend worden. De snelheid op het terrein kan naar veiligheid en kosten toe een doorslaggevende factor zijn voor de keuze van een instrument. Het grotere bereik van een pulsscanner, wat resulteert in een lager totaal aantal registratietargets en een lager aantal scans, kan tijdswinst opleveren. Dit effect kon niet onderzocht worden tijdens deze masterproef aangezien de targets die opgesteld werden binnen het bereik van de fasescanner werden gebruikt. Gezien de kleinschaligheid van de cases kon er ook geen verschil gemerkt worden in het aantal benodigde scans. De verwerkingstijd verschilde dan ook niet.
45
4. DISCUSSIE
In dit onderdeel is het in eerste instantie de bedoeling om de resultaten van deze masterproef terug te koppelen naar resultaten die verschenen zijn in de literatuur. In tweede instantie volgt een kritische evaluatie van het uitgevoerde onderzoek. Er wordt hierbij gestart met het aanhalen van de algemene veronderstelling uit de literatuur: pulsscanners hebben een groter bereik, terwijl fasescanners sneller en nauwkeuriger zijn. Voor de 3D-nauwkeurigheidstest kunnen de resultaten vergeleken worden met de resultaten uit Lindstaedt et al. (2011, 2012). Deze onderzoekers van HCU Hamburg onderzochten meerdere puls- en fasescanners, waaronder een Leica HDS6000 en twee Leica C10's. De span wordt hierbij als spreidingsmaat gebruikt. Er wordt gebruik gemaakt van 28 targets die afhankelijk worden gecombineerd. Voor een eerste Leica C10 variëren de deviaties tussen 3,6 mm en 6,1 mm. Dit levert een span van 9,7 mm. De tweede Leica C10 en de HDS6000 halen zeer vergelijkbare resultaten. Voor beide scanners variëren de deviaties tussen -8 mm en 8 mm met een span van ongeveer 16 mm. Voor de Leica C10 die in deze masterproef werd onderzocht lag de span, 11,3 mm voor vlakke targets, tussen beide waarden in. Voor de Leica HDS6100 was dat 11,6 mm en dus lager dan voor de Leica HDS6000. Ook twee RIEGL VZ-400's (puls), vijf Z&F IMAGER 5006i's (fase), een Faro Photon 120 en een Faro Photon 80 (beide fase) werden getest door de onderzoekers van HCU Hamburg. De span is telkens zeer gelijkaardig voor alle types. Bijgevolg worden er geen duidelijke verschillen tussen puls- en fasescanners waargenomen wat betreft de spreiding. De systematische shift verschilt binnen elke reeks van instrument tot instrument. De resultaten worden getoond in Figuur 20. Op basis van deze figuur kan er ook niet besloten worden dat de systematische shifts voor fasescanners lager liggen dan voor pulsscanners.
Bij het
aanvatten van deze masterproef werd er vertrokken van het uitgangspunt dat fasescanners nauwkeuriger zijn dan pulsscanners. De resultaten van de 3D-nauwkeurigheidstest van deze masterproef en de resultaten van Lindstaedt et al. (2001, 2012) maken duidelijk dat dit verschil in nauwkeurigheid minder uitgesproken is en dat het moeilijk is om een algemeen besluit door te trekken. Eigenlijk zou men onmiddellijk na de aankoop elk toestel individueel moeten testen in terreincondities, op basis van de methodiek van afstandsverschillen die werd gepresenteerd in deze masterproef. Zoals eerder aangehaald wordt er in Lindstaedt et al. (2011) een systematische shift waargenomen van de sferische targets weg voor de RIEGL VZ-400. Dit is vergelijkbaar met het effect dat werd ondervonden tijdens deze masterproef. 46
Figuur 20: Frequentieverdeling van de afstandsverschillen in testveld voor elf scanners (HCU Hamburg) Bron: Lindstaedt et al. (2012)
Om de resultaten van de resolutietest te vergelijken, werd er contact opgenomen met de onderzoekers van i3Mainz. Vanaf een scanafstand van 20 m haalde een Leica HDS3000 (puls) een oplossend vermogen AV(D) = 7 mm. Voor een Leica HDS6000 (fase) bedroeg dit 8 - 9 mm. Ook een Leica C10 werd onderzocht. Deze haalde een oplossend vermogen van 5-7 mm bij scanafstanden van 3 m tot 60 m. Deze resultaten lopen sterk analoog met de resultaten van deze masterproef. De noise- en materiaalgevoeligheidstest vergelijken met andere onderzoeken is moeilijk omdat er weinig onderzoeken zijn gebeurd die meerdere laserscanners op dezelfde manier vergelijken. Vooraleer de zwaktes van deze masterproef op te lijsten, volgen eerst de sterktes. Door de testen zoveel mogelijk in terreincondities uit te voeren wordt een leemte in het huidige onderzoek, dat is gefocust op laboratoriumcondities, opgevuld. Voorts kan de performantie van andere types laserscanners gemakkelijk worden onderzocht in terreincondities door de set van uitgevoerde testen te herhalen. Landmeters en studiebureaus kunnen eenvoudiger een gefundeerde keuze voor een bepaald type toestel maken door deze set van testen te reproduceren. Een andere sterkte van deze masterproef is het detecteren van enkele problemen tijdens de proefopstellingen. Zo bleek de onderzochte Leica HDS6100 na de point-based user selfcalibration onderhevig te zijn aan een significante verticale hoekfout. Ook het scannen van
47
sferische targets bleek voor de Leica HDS6100 problematisch te verlopen. De meetpunten op de sferische targets werden systematisch weg van de scanner geregistreerd, zodat de gemodelleerde sferen iets naar achter opschoven. Dit effect werd ook met de Leica C10 opgemerkt, maar is vier keer minder uitgesproken. Tot slot worden de zwaktes van deze masterproef kritisch opgelijst. Een eerste zwakte is het aantal beschikbare laserscanners. Gezien er slechts één pulsscanner en één fasescanner beschikbaar waren, is het moeilijk om algemene besluiten te kunnen trekken. De invloed van de individuele kalibratie van elk instrument bemoeilijkt dit nog verder. Een volgend aandachtspunt is de schaal van de gebruikte bouwkundige cases. Bouwkundige constructies zijn vaak grootschaliger. Denk maar aan een brug met een lange overspanning of hogere gebouwen. Deze grootschalige cases pleiten ontegensprekelijk voor het gebruik van pulsscanners gewoon als wegens de langere afstanden. De nieuwere generatie fasescanners met hoger bereik namen ook niet deel aan dit onderzoek. Dit is een gemiste kans.
Een andere zwakte is het feit dat in sommige gevallen de resolutie van beide laserscanners niet gelijk kon worden genomen om realistische meettijden te kunnen behouden. Dit was zo voor de Bargiebrug en de Pontbrug. De afgeleide parameters vertrekken dus niet van gelijke resoluties, wat mogelijk een invloed heeft. Het ontdekken van de problemen van de scanners met de sferische targets vormden zowel een zwakte als een sterkte. Enerzijds zorgden deze problemen voor een nefaste invloed op de significantie van de hypothesetoetsen. Anderzijds leverde het ontdekken van deze problemen voor sferische targets bruikbare informatie op.
Tot slot wordt het niet bestuderen van de tijdswinst van pulsscanner, die voortvloeit uit hun hoger bereik, aangehaald als gemiste kans. Pulsscanners hebben een lagere scanfrequentie, maar hun hoger bereik kan resulteren in een lager totaal aantal targets, opstelpunten en datavolume. Hierdoor kunnen pulsscanners op hun beurt tijd winnen. Gezien de relatieve kleine schaal van de cases en de efficiëntie om gelijke opstelpunten en targets te gebruiken voor beide scanners kon dit niet worden geëvalueerd.
48
5. BESLUIT
In deze masterproef is het de bedoeling om een vergelijkende analyse te maken tussen pulsen faselaserscanners voor bouwkundige toepassingen. Het is moeilijk om op basis van de fabrieksspecificaties een geschikte laserscanner te selecteren voor een bepaald project. Fabrieksspecificaties zijn namelijk soms onbetrouwbaar, er is een gebrek aan standaardisatie en ze worden bepaald in ideale laboratoriumomstandigheden. De invloed van de individuele kalibratie maakt een geschikte keuze nog moeilijker. Er stonden twee laserscanners ter beschikking voor deze vergelijkende analyse. Als pulsscanner was dit de Leica C10, als fasescanner de Leica HDS6100. De resultaten van deze vergelijkende analyse werden teruggekoppeld naar eerder uitgevoerd internationaal onderzoek. Metingen met de Leica ScanStation 2 (pulsscanner), die eerder werden uitgevoerd in gelijkaardige bouwkundige omstandigheden, werden maximaal in de vergelijkende analyse betrokken. De twee laserscanners dienden op verschillende criteria te worden vergeleken. Deze criteria werden op basis van een literatuurstudie geselecteerd. De nadruk ligt op de nauwkeurigheid. De criteria zijn: de 3D-nauwkeurigheid, het oplossend vermogen, de mate van randeffecten, de invloed van bouwmaterialen op de meting en de mate van ruis op de afstandsmeting. Ook werd er gekeken naar de toestand van de individuele kalibratie van beide laserscanners. Tot slot is er de scansnelheid als criterium en dit is meer economisch georiënteerd.
De 3D-nauwkeurigheidstest is gebaseerd op een 3D-testveld met vlakke en sferische targets en werd in terreincondities uitgevoerd. De afstandsverschillen, berekend op basis van een scan met elke laserscanner, werden vergeleken met referentieafstanden die werden verzameld met een totaalstation. Voor de vlakke targets verschillen de standaardafwijkingen (2,5 en 2,9 mm) van beide scanners niet significant. De systematische shifts verschillen daarentegen wel significant. De Leica HDS6100 is met 2,2 mm beter dan de 4,8 mm van de Leica C10. Voor de sferische targets verschillen de standaardafwijkingen en de systematische shifts significant indien er met afhankelijke koppels wordt gewerkt. De Leica C10 (σ = 7 mm , syst.shift = 15,6 mm) haalt betere resultaten dan de Leica HDS6100 (σ = 23,5 mm , syst.shift = 59,2mm). Indien er gewerkt wordt met onafhankelijke koppels kan er geen significant verschil worden gevonden. De steekproef bestaat hier echter slechts uit drie onafhankelijke koppels. Initieel was het namelijk niet de bedoeling om de vlakke en sferische targets apart te
49
analyseren. De meetpunten op de sferische targets werden echter systematisch van de scanner weg gescand. Hierdoor was een aparte evaluatie noodzakelijk wat voor een verlaging van de steekproef zorgde. De resolutie en de mate van randeffecten werden getest aan de hand van een Boehler-ster. Deze werd gemaakt uit karton. Deze Boehler-ster werd met beide laserscanners vanop 6 m en 22 m gescand met de hoogst mogelijke resolutie. Het oplossend vermogen werd voor beide laserscanners bepaald met 95% betrouwbaarheid. Voor de kortste afstand haalt de Leica HDS6100 het fijnste oplossend vermogen (3,5 mm versus 6,1 mm). Voor de grotere afstand haalt de Leica C10 echter het fijnste oplossend vermogen (6 mm versus 8,5 mm). Voor een gelijke resolutie werd er weinig verschil in randeffecten opgemerkt tussen beide scanners. Verder daalt de mate van randeffecten met de scanafstand.
Om de noise- en materiaalgevoeligheid van beide scanners te testen, werden er vlakken gefit op gescande oppervlakken. Deze oppervlakken bestonden uit typische bouwmaterialen zoals baksteen, staal of beton. De standaardafwijking is hierbij een maat voor de noise- en materiaalgevoeligheid. Een lage standaardafwijking wil zeggen dat de laserscanner weinig noise
genereert
voor
het
bepaalde
bouwmateriaal.
Algemeen
gezien
zijn
de
standaardafwijkingen van de Leica C10 kleiner of gelijk aan die van de Leica HDS6100. Door het lage aantal vrijheidsgraden kon er echter geen statistisch verschil opgemerkt worden tijdens de F-testen. Een lagere standaardafwijking ligt niet noodzakelijk aan een oorspronkelijke hogere precisie, dit kan ook het resultaat zijn van een betere interne ruisfiltering. Enkel voor de betonnen Pontbrug haalt de Leica C10 een hogere gemeten standaardafwijking. Maar voor deze case verschilden de opstelpunten van beide scanners. In de cases waarin de Leica ScanStation 2 kon worden betrokken, genereert deze scanner doorgaans het meeste noise. Er werden geen problematische waarden genoteerd, ook niet voor het staal. Tevens konden er ook geen significante verschillen gevonden worden tussen de verschillende bouwmaterialen onderling.
Voor de point-based user self-calibration volgens Chow et al. (2012) werden er 139 black & white targets opgehangen in een lokaal van 5,18 m x 5,18 m x 3,33 m. Deze targets werden met beide laserscanners vanuit drie opstelpunten gescand. Deze meetdata werden verwerkt met de kalibratiesoftware van Jacky Chow. De correctieparameters werden voor beide scanners gemodelleerd aan de hand van de residuen. De Leica HDS6100 lijkt onderhevig te zijn aan significante systematische verticale hoekfouten. De Leica C10 blijkt nog goed 50
gekalibreerd te zijn. De Leica HDS6100 genereerde minder noise op de afstandsmeting van targets (σ = 0,4 mm versus 0,8 mm). Gezien de korte scanafstanden primeert de variabiliteit van de afstandsmeting boven die van de hoekmetingen. Bijgevolg blijft de Leica HDS6100 de nauwkeurigste scanner tijdens deze metingen, ondanks de significante systematische hoekfouten. Indien grotere scanafstanden worden gecombineerd met hogere elevatiehoeken zal de Leica C10 nauwkeuriger worden dan de Leica HDS6100. De significante verticale hoekfouten kwamen enkel tijdens deze test naar voor, bijgevolg zijn nieuwe metingen nodig om dit te verifiëren. De scantijden van alle metingen die uitgevoerd werden tijdens deze masterproef werden bijgehouden. De Leica HDS6100 is vijf- tot tienmaal sneller tijdens het scannen dan de Leica C10. Het snelheidsvoordeel dat het hoger bereik van de Leica C10 kan opleveren werd niet onderzocht. Tot slot worden de voordelen, die werden bestudeerd tijdens deze masterproef, voor beide scanners samengevat. De Leica C10 haalt een betere precisie en systematische shift voor de sferische targets. Voor de vlakke targets verschilt de precisie niet van die van de Leica HDS6100. De Leica C10 heeft ook het fijnste oplossend vermogen voor de scanafstand van 22 m. Deze afstand is een meer realistische scanafstand voor bouwkundige toepassingen dan 6 m. Vanop 6 m heeft de Leica HDS6100 namelijk een fijner oplossend vermogen. Voor de onderzochte bouwmaterialen genereert de Leica C10 algemeen gezien minder of in gelijke mate noise dan de Leica HDS6100. Door het lage aantal vrijheidsgraden konden de F-testen echter weinig verschil aantonen. De Leica C10 bleek nog goed gekalibreerd te zijn. In de hoeveelheid randeffecten werden geen opmerkelijke verschillen geobserveerd. De Leica HDS6100 haalt een beduidend betere systematische shift voor de vlakke targets. De scantijden zijn ook vijf tot tienmaal korter. Tijdens de kalibratiemeting werden er significante systematische hoekfouten ontdekt. Deze kunnen worden geëlimineerd door het toepassen van de gemodelleerde correctieparameters. Het algemeen beeld uit de literatuur dat fasescanners beduidend nauwkeuriger zijn dan pulsscanners, lijkt op basis van deze masterproef en andere bronnen uit de literatuur minder uitgesproken te zijn. De voordelen van de Leica C10 worden tenslotte nog aangevuld met het groter meetbereik. Hierdoor geniet de Leica C10 in het algemeen de voorkeur voor bouwkundige toepassingen. In gevallen waarbij snelheid primordiaal is naar veiligheid toe, geniet de Leica HDS6100 de voorkeur.
51
6. REFERENTIELIJST
6.1
Literatuur
Adamek, A., Zaczek-Peplinska, J., Gergont, K. (2012) "Analysis of Possibilities to Utilise Results of Laser Scanning in Technical Inspection of Water Dams". In: FIG (Red.) FIG Working Week 2012: Knowing to Manage the Territory, Protect the Environment, Evaluate the Cultural Heritage. Rome: 6-10 May 2012. Berényi, A., Lovas, T., Barsi, A., Dunai, L. (2009) "Potential of Terrestrial Laser Scanning in Load Test Measurments of Bridges". Periodica Polytechnic-Civil Engineering. 53(1), 25-33. Boehler, W., Bordas Vincent, M., Marbs, A. (2003) "Investigating Laser Scanner Accuracy". In: CIPA Heritage Documentation (Red.) Proceeding of XIXth CIPA Symposium. Antalya: Sept. 30 - Oct. 4. Chang, K.T., Chang, Y.M., Wang, E.H., Peng, S.M. (2008) "Apply a Terrestrial Laser Scanner on the Measurement of Structural Deformation". In: ACRS (Red.) 29th Asian Conference on Remote Sensing 2008 (ACRS 2008). Colombo, PS1.37. Chow, J.C.K., Lichti, D.D., Teskey, W.F. (2012) "Accuracy Assessment of the FARO FOCUS3D and Leica HDS6100 Panoramic-Type Terrestrial Laser Scanners through PointBased and Plane-Based User Self-Calibration". In: FIG (Red.) FIG Working Week 2012: Knowing to Manage the Territory, Protect the Environment, Evaluate the Cultural Heritage. Rome: 6-10 May 2012. Fröhlich, C., Mettenleiter, M. (2004) "Terrestrial Laser Scanning - New Perspectives in 3D Surveying". International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences.16(8/W2). Gordon, S., Lichti, D., Stewart, M., Franke, J. (2003) " Structural deformation Measurement Using Terrestrial Laser Scanners". In: FIG (Red.) Proceedings 11th FIG Symposium on Deformation Measurements. Santorini. Gottwald, R. (2008) "Procedures for Testing Terrestrial Laser Scanners (TLS)". In: FIG (Red.) FIG Working Week 2008. Sweden: 14-19 June 2008, pp. 14. Huxhagen, U., Kern, F., Siegrist, B. (2009) "Proposal for a Full Testing Procedure for Terrestrial Laser Scanners (TLS)". In: Grün Armin (Red.) Optical 3-D measurement techniques. Bd. 2. Wien: Internat. Society for Photogrammetry and Remote Sensing 2009, pp. 1 - 9.
52
Johansson, M. (2002) "Explorations into the Behaviour of Three Different High-resolution Ground-based Laser Scanners in the Built Environment". In: CIPA Heritage Documentation (Red.) Proc. CIPA WG 6 Int. Workshop for Scanning for Cultural Heritage Recording. Corfu: september 2002, pp. 33-38. Kersten, T., Mechelke, K., Lindstaedt, M., Sternberg, H. (2008) "Geometric Accuracy Investigations of the Latest Terrestrial Laser Scanning Systems". In: FIG (Red.) FIG Working Week 2008. Sweden: 14-19 June 2008. Kersten, T., Sternberg, H., Mechelke, K. (2005) "Investigations into the Accuracy Behaviour of the Terrestrial Laser Scanning Systel Mensi GS100". In: Grün, Kahmen (Red.) Optical 3-D Measurement Techniques VII. Vienna, pp. 122-131. Lichti, D., Brustle, S., Franke, J. (2007) "Self-calibration and analysis of the Surphaser 25HS 3D scanner". In: FIG (Red.) Strategic Integration of Surveying Services, FIG Working Week 2007. Hong Kong: May 13-17 2007. Lichti, D.D., Stewart, M.P., Tsakiri, M., Snow, A.J. (2000) "Calibration and Testing of a Terrestrial Laser Scanner". International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXIII(B5), 485-492. Lindstaedt, M., Graeger, T., Mechelke, K., Kersten, Th. (2011) "Terrestrische Laserscanner im Prüfstand – Geometrische Genauigkeitsuntersuchungen der terrestrischen Laserscanner Riegl VZ-400, Leica C10 und Faro Photon 120". In: Th. Luhmann/Ch. Müller (Red.) Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3D-Messtechnik - Beiträge der Oldenburger 3DTage 2011. Berlin und Offenbach, pp. 4-14. Lindstaedt, M., Kersten, T., Mechelke, K., Graeger, T. (2012) "Prüfverfahren für terrestrische Laserscanner – Gemeinsame geometrische Genauigkeitsuntersuchungen verschiedener Laserscanner an der HCU Hamburg". In: Th. Luhmann/Ch. Müller (Red.) Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3D-Messtechnik - Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2012. Berlin und Offenbach. Nuttens T., De Wulf A., Bral L., De Wit B., Carlier L., De Ryck M., Stal C., Constales D., De Backer H. (2010) "High resolution terrestrial laser scanning for tunnel deformation measurements". In: FIG (Red.) Proceedings of the XXIV FIG International Congress 2010, International Federation of Surveyors (FIG). Sydney: April 11-16. Nuttens, T., De Wulf, A., Deruyter, G., Stal, C., De Backer, H. (2012) "Application of laser scanning for deformation measurements: a comparison between different types of scanning instruments". In: FIG (Red.) FIG Working Week 2012. Rome: May 6-10.
53
Pfeifer, N., Briese, C. (2007) "Laser Scanning - Principles and Applications". In: Geo-Siberia (Red.) Geo-Sibir III International Scientific Conference. Nowosibirsk, pp. 93-112. Riveiro, B., Morer, P., Arias, P., de Arteaga, I. (2011) "Terrestrial Laser Scanning and Limit Analysis of Masonry Arch Bridges". Construction and Building Materials. 25(4), 1726-1735. Slattery, K., Slattery, D., and Peterson, J. (2012). ”Road Construction Earthwork Volume Calculation Using Three-Dimensional Laser Scanning”. Journal of Surveying Engineering. 138(2), 96–99. Sternberg, H, Kersten, T. (2007) "Comparison of Terrestrial Laser Scanning Systems in Industrial As-built-Documentation Applications". In: Grün Kahmen (Red.) Optical 3-D Measurement Techniques VIII. Zurich, Vol.I, pp. 389-397. Voegtle, T., Schwab, I., Landes, T. (2008) "Influences of Different Materials on the Measurements of a Terrestrial Laser Scanner (TLS)". The International Archives Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 17(B5), 1061-1066. Voegtle, T., Wakaluk, S. (2009) "Effects on the Measurements of the Terrestrial Laser Scanner HDS 6000 (Leica) Caused by Different Object Materials". Cell. 135(5), 68-74. Wehr, A., Lohr, U. (1999) "Airborne Laser Scanning - an Introduction and Overview". ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing. 54(1999), 68-82. Zogg, H.M., Ingensand, H. (2008) "Terrestrial Laser Scanning for Deformation Monitoring - Load Tests on the Felsenau Viaduct (CH) ". In: ISPRS (Red.) The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Beijing 2008, Vol. XXXVII. Part B5.
6.2
Internetbronnen
Direct Industry (2002) PENTAX Precision R-300series. http://pdf.directindustry.com/pdf/pentax-precision/r-300series/22660-105520-_6.html. 15/05/2013. Hogent - Departement INWE (2011) Bruggen in Gent. http://inwe.hogent.be/bouwkunde/bruggen/BARGIEBRUG%20(ALGEMEEN%20VE RKEER)/fotos.html. 19/04/2013. Leica Geosystems (2010) Versatility & Productivity Enhancements for Leica ScanStation C10 Laser Scanning System. http://www.leica-geosystems.us/en/News_56320.htm?id=2431. 4/05/2013.
54
Leica Geosystemsa (2009) Leica Geosystems Announces New Ultra High-Speed, Phase Scanner: Leica HDS6100. http://hds.leica-geosystems.com/en/Press-Releases_5604.htm?id=1939. 4/05/2013. Leica Geosystemsb (2012) Leica HDS6100 Datasheet. http://hds.leica-geosystems.com/en/Marketing-Downloads-HDS-Data-SpecSheets_42304.htm. 17/5/2012. Leica Geosystemsc (2012) Leica ScanStation 2. http://hds.leica-geosystems.com/downloads123/hds/hds/ScanStation/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation%202_datasheet_us.pdf. 23/03/2013. Leica Geosystems (2012) Leica ScanStation C10 - Datasheet. http://www.leica-geosystems.be/fl/Leica-ScanStation-C10_79411.htm. 9/3/2012. Leica Geosystems (2013) Leica TPS1200+ Series. http://www.leicageosystems.com/downloads123/zz/tps/tps1200/brochures/Leica_TPS1200+_brochure _en.pdf. 12/04/2013. Opti-cal Survey Equipment (2012) Leica TPS1200+ User Manual. http://www.surveyequipment.com/PDFs/TPS1200_User_Manual.pdf. 20/11/2012. PLATO Project Laserscanning: Technologische kennisoverdracht (2010) Drempels die de doorbraak van laserscanning in Vlaanderen belemmeren. Werkelijkheid of perceptie? http://www.plato3d.be/Werkpakketten/WP%2011%20Drempels%20laserscanning.pdf . 3/03/2013. SmartGeoMetrics (2011) ScanStation 2. http://www.smartgeometrics.com/rentals/scanstation-2. 4/05/2013. Trimble (2013) Trimble R6 GNSS System. http://trl.trimble.com/docushare/dsweb/Get/Document-333155/022543259H_TrimbleR6GNSS_DS_0413_LR.pdf. 12/04/2013.
55
7. BIJLAGEN
7.1
Bijlage 1: Specificaties van Leica C10
Figuur 21: Specificaties van de Leica C10 Bron: http://www.leica-geosystems.be, 9/03/2012
56
7.2
Bijlage 2: Specificaties van de Leica HDS6100
Figuur 22: Specificaties van de Leica HDS6100 Bron: http://hds.leica-geosystems.comb, 17/05/2012
57
7.3
Bijlage 3: Specificaties van de Leica ScanStation 2
Figuur 23: Specificaties van de Leica ScanStation 2 Bron: http://hds.leica-geosystems.comc, 23/03/2013
58
7.4
Bijlage 4: Specificaties van het Pentax R-325 (N) totaalstation
Figuur 24: Specificaties Pentax R-325 (N) Bron: http://pdf.directindustry.com, 15/05/2013
59
7.5
Bijlage 5: Specificaties van de Trimble R6 GNNS-ontvanger
Figuur 25: Trimble R6 Specificaties Bron: http://trl.trimble.com, 12/04/2013
60
7.6
Bijlage 6: Specificaties van het Leica TCRP 1203+ totaalstation
Figuur 26: Specificaties van Leica TRCP 1203+ totaalstation Bron: http://www.leica-geosystems.com, 12/04/2013
7.7
Bijlage 7: Targetcoördinaten van de 3D-nauwkeurigheidstest
In de volgende tabel worden de targetcoördinaten getoond van de 3D-nauwkeurigheidstest. Deze test werd uitgevoerd op 13/11/2012.
61
Tabel 10: Tabel met targetcoördinaten van de 3D-nauwkeurigheidstest (Bijlage 7)
Totaalstation TargetID A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V
X (m) 986,2020 986,1675 985,1765 946,8100 974,8205 988,8545 1012,2545 1003,5040 1003,7740 964,7460 991,5690 986,8055 1002,3965 1015,4475 1002,9930 1008,9520 1008,2150 995,3725 996,9580 982,8205 1006,1775 1007,5595
Y (m) 885,2195 935,0670 997,4675 992,3005 1017,7090 1031,0665 1034,1120 1009,8350 994,5160 1010,4790 1032,9575 1056,4295 1042,0775 1043,2630 1016,5745 1012,9810 1005,6970 994,7585 1013,5490 1030,6580 1031,8140 1022,2635
Leica C10
Leica HDS6100
Z (m) X (m) Y (m) Z (m) X (m) Y (m) 12,7290 116,3386 63,4162 1,0347 NA 12,2460 75,7446 34,4892 0,5577 NA 12,2205 25,4756 -2,4925 0,5363 NA 11,8470 51,9266 -30,7584 0,1597 NA 11,6900 14,9873 -22,6609 0,0051 NA 10,3595 -4,0289 -18,9685 -1,3235 -9,7780 -16,7486 9,8905 -20,0737 -1,6730 -1,7925 -19,5837 4,7101 10,2630 4,7733 5,2676 -1,4187 NA 12,0315 17,0979 14,3685 0,3486 20,7437 8,2831 10,5360 26,7185 -26,6806 -1,1501 17,0012 -33,7154 10,3090 -7,1437 -17,8539 -1,3748 -12,3865 -14,7127 12,0715 -23,5068 -35,3426 0,3892 -33,4102 -26,1836 10,3555 -20,8521 -14,3194 -1,3270 -24,2937 -7,0547 11,7840 -29,3820 -4,3738 0,0994 -29,2727 5,0667 11,8795 -0,4169 0,9457 0,1979 -0,0994 1,0285 10,3205 -0,9451 7,8840 -1,3616 1,5750 7,7852 10,8740 5,4166 11,5181 -0,8046 23,0382 0,1850 11,7260 21,7863 7,3880 0,0462 4,5977 -3,8680 11,1655 5,5546 -2,2222 -0,5136 -7,6259 -22,4358 11,2775 -0,2008 -23,6638 -0,4019 -15,6452 -0,4188 11,0005 -14,6939 -5,2955 -0,6777 -6,9196 3,7365 11,3945 -7,7161 1,3725 -0,2840 8,7772 9,2629
Z (m)
-1,3862 -1,8473 0,2866 -1,2217 -1,4376 0,3227 -1,3878 0,0421 0,1413 -1,4191 -0,0171 -0,5744 -0,4687 -0,7371 -0,3396 -0,8648
Afstand tot scanner (m) 132,50 83,23 25,60 60,35 27,17 19,44 20,22 7,25 22,34 37,78 19,28 42,45 25,33 29,71 1,05 8,06 12,75 23,00 6,00 23,67 15,63 7,84
62
7.8
Bijlage 8: VBA- script voor het bepalen van het oplossend vermogen AV(D) van een laserscanner
Sub scriptResolutie() ' eerst sorteren op Z waarde met sorteer-&filterfunctie van Excel ' n is totaal aantal punten in dataset Dim n As Double, straal1 As Double, straal2 As Double, R As Double Dim aantal As Long, i As Long, j As Long, helft As Long Dim mediaan1 As Double, mediaan2 As Double Dim mid1 As Integer, mid2 As Integer Dim probingerror2 As Double, probingerror1 As Double, som As Integer Dim nominaal2 As Double, nominaal1 As Double Dim t_test As Double ' initialiseren; grens is minimaal verschil tussen twee medianen zodat resolutie significant blijft vb. 10 cm n = 75882 mediaan2 = 0.10 mediaan1 = 0 ' grens voor eenzijdige t-test bij 95% betrouwbaarheid voor groot aantal waarnemingen ' nulhypothese H0: mediaan2 = mediaan 1 ' Alternatief Ha: mediaan2 < mediaan1 grens = 1.658 straal1 = 0.16 straal2 = straal1 - (1.16 - straal1) ^ (2) * 0.002 som = 0 t_test = 10 nominaal1 = Range("G" & n \ 4).Value nominaal2 = Range("G" & n \ 2 + n \ 4).Value For i = 2 To n + 1 Range("I" & i).Value = (Range("E" & i).Value ^ 2 + Range("F" & i).Value ^ 2) ^ (1 / 2) Next i ' Significantiecriterium Do While ((Abs(t_test)) > grens And straal2 > 0) 'werkkolom eerst legen en vervolgens aanvullen met alle z-waarden die binnen twee cirkels vallen ' legen: For i = 2 To n + 1 Range("H" & i).Value = "" Next i ' vullen: j=2 aantal = 0 For i = 2 To n + 1 R = (Range("I" & i).Value)
If (R <= straal1 And R >= straal2) Then Range("H" & j).Value = Range("G" & i).Value j=j+1 aantal = aantal + 1 End If Next i ' Mediaan bepalen: i=2 If som > 1 Then mediaan1 = 0 mediaan2 = 0 End If helft = aantal \ 2 ' mediaan1 bepalen If aantal > 1 Then mid1 = helft \ 2 + 1 mid2 = helft \ 2 + 2 If (helft) Mod 2 = 0 Then mediaan1 = (Range("H" & mid1).Value + Range("H" & mid2).Value) / 2 Else mediaan1 = Range("H" & mid2).Value End If ' mediaan2 bepalen mid1 = helft + mid1 + 1 mid2 = helft + mid2 + 1 If (aantal - helft) Mod 2 = 0 Then mediaan2 = (Range("H" & mid1).Value + Range("H" & mid2).Value) / 2 Else If aantal > 2 Then mediaan2 = Range("H" & mid2).Value Else mediaan2 = Range("H" & mid2 - 1).Value End If End If End If
' nieuwe t_test berekenen probingerror2 = mediaan2 - nominaal2 probingerror1 = mediaan1 - nominaal1 vorige = t_test t_test = (mediaan2 - mediaan1) / ((probingerror2 ^ 2) + (probingerror1 ^ 2)) ^ (1 / 2) ' nieuwe stralen berekenen straal1 = straal1 - 0.001 straal2 = straal1 - (1.16 - straal1) ^ (2) * 0.002
64
som = som + 1 Loop ' Rmin gevonden Range("K" & 6).Value = straal1 + (0.001) ' deltaR Range("K" & 7).Value = (1.16 - (straal1 + (0.001))) ^ (2) * 0.002 ' AV(D) = (Rmin + delta R/2)* hoek Range("K" & 9).Value = (Range("K" & 6).Value + (Range("K" & 7).Value / 2)) * 5 * 2 * 3.1415926535897 / 360 End Sub
65
7.9
Bijlage 9: Correlatiematrices horend bij de noise- en materiaalgevoeligheidstest
7.9.1 Correlatiematrices per materiaalsoort (scanner versus scanner)
Tabel 11: Correlatiematrix Staal zonder klinknagels
Materiaal = STAAL ZONDER KLINKNAGELS criterium: 0,20 < F < 5,05 (α = 0,05) σ1²/σ2²
Leica HDS6100 Leica C10
Leica HDS6100 Leica C10
1
2,21
0,45
1
Tabel 12: Correlatiematrix Staal met klinknagels
Materiaal = STAAL MET KLINKNAGELS criterium: 0,05 < F < 19 (α = 0,05) σ1²/σ2²
Leica HDS6100 Leica C10
Leica HDS6100 Leica C10
1
0,82
1,21
1
Tabel 13: Correlatiematrix voor ruwe baksteen
Materiaal = RUWE BAKSTEEN criterium: 0,05 < F < 19 (α = 0,05) σ1²/σ2² Leica HDS6100
Leica HDS6100 Leica C10 Leica ScanStation 2 1
4,41
1,29
Leica C10
0,23
1
0,29
Leica ScanStation 2
0,77
3,41
1
66
Tabel 14: Correlatiematrix voor standaard baksteen
Materiaal = STANDAARD BAKSTEEN criterium: 0,05 < F < 19 (α = 0,05) σ1²/σ2²
Leica HDS6100 Leica C10 Leica ScanStation 2
Leica HDS6100
1
2,28
0,88
Leica C10
0,44
1
0,39
Leica ScanStation 2
1,14
2,59
1
Tabel 15: Correlatiematrix voor gladde baksteen
Materiaal = GLADDE BAKSTEEN criterium: 0,05 < F < 19 (α = 0,05) σ1²/σ2² Leica HDS6100
Leica HDS6100 Leica C10 Leica ScanStation 2 1
2,82
0,73
Leica C10
0,35
1
0,26
Leica ScanStation 2
1,38
3,88
1
Tabel 16: Correlatiematrix voor betonnen gevelbekleding
Materiaal = BETONNEN GEVELBEKLEDING criterium: 0,01 < F < 161 (α = 0,05) σ1²/σ2² Leica HDS6100
Leica HDS6100 Leica C10 Leica ScanStation 2 1
2,28
1,64
Leica C10
0,44
1
0,72
Leica ScanStation 2
0,61
1,39
1
67
Tabel 17: Correlatiematrix voor natuursteen plint
Materiaal = NATUURSTEEN PLINT criterium: 0,01 < F < 161 (α = 0,05) σ1²/σ2²
Leica HDS6100 Leica C10 Leica ScanStation 2
Leica HDS6100
1
1
4
Leica C10
1
1
4
0,25
0,25
1
Leica ScanStation 2
Tabel 18: Correlatiematrix voor beton (Pontbrug)
Materiaal = BETON (Pontbrug) criterium: 0,11 < F < 9,28 (α = 0,05) σ1²/σ2²
Leica HDS6100 Leica C10
Leica HDS6100 Leica C10
1
0,21
4,80
1
Tabel 19: Correlatiematrix voor beton (Tunnelwand)
Materiaal = BETON (Tunnelwand) criterium: 0,01 < F < 161 (α = 0,05) σ1²/σ2²
Leica HDS6100 Leica C10 Leica ScanStation 2
Leica HDS6100
1
1
0,54
Leica C10
1
1
0,54
1,86
1,86
1
Leica ScanStation 2
68
7.9.2
Correlatiematrices per laserscanner (materiaal versus materiaal)
Tabel 20: Correlatiematrix voor Leica HDS6100 Laserscanner = Leica HDS6100 σ1²/σ2²
STAAL MET KLINKNAGELS
STAAL MET KLINKNAGELS STAAL ZONDER
1
STAAL ZONDER KLINKNAGELS
RUWE STANDAARD BAK-STEEN BAKSTEEN
GLADDE BAKSTEEN
BETONNEN GEVELBEKLEDING
NATUURSTEEN PLINT
BETON (PONTBRUG)
BETON (TUNNELWAND)
1,96
1,84
2,69
3,71
2,93
14,83
0,9
0,49
1
0,94
1,37
1,9
1,5
7,58
0,46
0,25
1
1,46
2,02
1,6
8,08
0,49
0,27
1
1,38
1,09
5,52
0,34
0,18
1
0,79
4
0,24
0,13
1
5,06
0,31
0,17
1
0,06
0,03
1
0,54
KLINKNAGELS RUWE BAKSTEEN STANDAARD BAKSTEEN GLADDE BAKSTEEN BETONNEN GEVELBEKLEDING NATUURSTEEN PLINT BETON (PONTBRUG) BETON (TUNNELWAND)
1
Tabel 21: Correlatiematrix voor Leica C10 Laserscanner = Leica C10
σ1²/σ2²
STAAL MET
STAAL ZONDER
RUWE BAK-
STANDAARD
GLADDE
BETONNEN
NATUUR-
BETON
BETON
KLINKNAGELS
KLINKNAGELS
STEEN
BAKSTEEN
BAKSTEEN
GEVELBEKLEDING
STEEN PLINT
(PONTBRUG)
(TUNNELWAND)
STAAL MET
1
0,73
3,68
2,79
4,66
2,98
6,71
0,08
0,22
1
5,05
3,83
6,39
4,09
9,21
0,12
0,30
1
0,76
1,27
0,81
1,82
0,02
0,06
1
1,67
1,07
2,40
0,03
0,08
1
0,64
1,44
0,02
0,05
1
2,25
0,03
0,07
1
0,01
0,03
1
2,62
KLINK-NAGELS STAAL ZONDER KLINKNAGELS
RUWE BAKSTEEN
STANDAARD BAKSTEEN
GLADDE BAKSTEEN
BETONNEN GEVELBEKLEDING
NATUURSTEEN PLINT
BETON (PONTBRUG)
BETON (TUNNELWAND)
1
70
Tabel 22: Correlatiematrix voor Leica ScanStation 2 Laserscanner = Leica ScanStation 2 σ1²/σ2²
RUWE
STANDAARD
GLADDE
BETONNEN
NATUURSTEEN
BETON
BAKSTEEN
BAKSTEEN
BAKSTEEN
GEVELBEKLEDING
PLINT
(TUNNELWAND)
RUWE BAKSTEEN STANDAARD
1
1,00
1,13
2,04
25,00
0,10
1
1,13
2,04
25,00
0,10
1
1,80
22,09
0,09
1
12,25
0,05
1
0,00
BAKSTEEN GLADDE BAKSTEEN BETONNEN GEVELBEKLEDING NATUURSTEEN PLINT BETON
1
(TUNNELWAND)
71
7.10 Bijlage 10: Residuplots van de point-based user self-calibration
7.10.1 Leica C10
Figuur 27: Histogram van de residuen in verticale richting (Leica C10)
Figuur 28: Residuen in verticale richting in functie van de verticale richting (Leica C10)
Figuur 29: Residuen in afstandsmeting in functie van de verticale richting (Leica C10)
Figuur 30: Residuen in horizontale richting in functie van de verticale richting (Leica C10)
Figuur 31: Histogram van de residuen in afstandsmeting (Leica C10)
Figuur 32: Residuen in afstandsmeting in functie van de gemeten afstand (Leica C10)
73
Figuur 33: Residuen horizontale richting in functie van de gemeten afstand (Leica C10)
Figuur 34: Residuen verticale richting in functie van de gemeten afstand (Leica C10)
Figuur 35: Histogram van de residuen in Horizontale richting (Leica C10)
74
Figuur 36: Residuen in verticale richting in functie van de horizontale richting (Leica C10)
Figuur 37: Residuen in gemeten afstand in functie van de horizontale richting (Leica C10)
Figuur 38: Residuen in horizontale richting in functie van de horizontale richting (Leica C10)
75
7.10.2 Leica HDS6100 voor kalibratie
Figuur 39: Histogram van de residuen in verticale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 40: Residuen in verticale richting in functie van de verticale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 41: Residuen in afstandsmeting in functie van de verticale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
76
Figuur 42: Residuen in horizontale richting in functie van de verticale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 43: Histogram van de residuen in afstandsmeting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 44: Residuen in afstandsmeting in functie van de gemeten afstand (Leica HDS6100 voor kalibratie)
77
Figuur 45: Residuen horizontale richting in functie van de gemeten afstand (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 46: Residuen in verticale richting in functie van de gemeten afstand (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 47: Histogram van de residuen in horizontale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
78
Figuur 48: Residuen verticale richting in functie van de horizontale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 49: Residuen in gemeten afstand in functie van de horizontale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
Figuur 50: Residuen in horizontale richting in functie van de horizontale richting (Leica HDS6100 voor kalibratie)
79
7.10.3 Leica HDS6100 na kalibratie
Figuur 51: Histogram van de residuen in verticale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 52: Residuen in verticale richting in functie van de verticale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 53: Residuen in gemeten afstand in functie van de verticale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
80
Figuur 54: Residuen in horizontale richting in functie van de verticale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 53: Histogram van de residuen in gemeten afstand (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 54: Residuen in gemeten afstand in functie van de gemeten afstand (Leica HDS6100 na kalibratie)
81
Figuur 55: Residuen in horizontale richting in functie van de gemeten afstand (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 56: Residuen in verticale richting in functie van de gemeten afstand (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 57: Histogram van de residuen in horizontale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
82
Figuur 60: Residuen in verticale richting in functie van de horizontale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 61: Residuen in gemeten afstand in functie van de horizontale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
Figuur 58:Residuen in horizontale richting in functie van de horizontale richting (Leica HDS6100 na kalibratie)
83
