Optimizing the Target-based Calibration Procedure of Terrestrial Laser Scanners

Abstract

Terrestrial laser scanner (TLS) measurements suffer from systematic errors due to internal misalignments. The magnitude of the resulting errors in the point cloud exceeds the magnitude of random errors in many applications. Hence, the task of calibration is important for using laser scanners at accuracy demanding applications. However, user-oriented calibration methods are still an active research subject. The majority of the work on this topic relies on the self-calibration of terrestrial laser scanners using targets. The existing solutions could benefit from further optimization, which would lead to a more efficient and user-friendly calibration process. This work aims at improving existing strategies for the target-based TLS calibration by improving the functional and stochastic model for TLS calibration, as well as conducting a sensitivity analysis to support the calibration field design. Based on the latter results, we implement a permanent calibration facility at the University of Bonn. The latter is used to calibrate a Leica ScanStation P20 terrestrial laser scanner. The success of the calibration is empirically demonstrated by reduced measurement errors at a typical TLS measurement example.

Messungen terrestrischer Laserscanner (TLS) weisen systematische Abweichungen aufgrund interner Ausrichtungsabweichungen auf. Die Größe der resultierenden Abweichungen in der Punktwolke übersteigt in vielen Anwendungen die Größe zufälliger Abweichungen. Um Laserscanner für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen einsetzen zu können, ist daher eine Kalibrierung des Instruments unerlässlich. Kalibrierprozesse, die der Nutzer selber durchführen kann, sind nach wie vor ein aktuelles Forschungsthema. Der Großteil der Arbeit zu diesem Thema beruht auf der Selbstkalibrierung von terrestrischen Laserscannern unter Verwendung von Zielzeichen. Vorhandene Lösungen sind oftmals wenig effizient und/oder wenig benutzerfreundlich; Optimierungen sind hier sinnvoll. Diese Arbeit zielt darauf ab, bestehende Strategien für die zielbasierte TLS-Kalibrierung durch Anpassungen im funktionalen und stochastischen Modell zu verbessern und eine Sensitivitätsanalyse zum Design des Kalibrierfelds durchzuführen. Basierend auf den letztgenannten Ergebnissen installieren wir ein permanentes Kalibrierfeld in einer Einrichtung der Universität Bonn. Für die Leica ScanStation P20 belegen wir den Erfolg der Kalibrierung empirisch durch reduzierte Messabweichungen bei einem typischen TLS-Messbeispiel.