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Wenn LiDAR Daten georeferenziert werden, um eine Punktwolke zu erstellen, muss jedes Bild mit präzisen Navigationsdaten gepaart werden. Die relative Verschiebung und Ausrichtung zwischen dem LiDAR-Gerät und dem Navigationsgerät (INS) muss bekannt sein. Wenn diese Winkel nicht genau gemessen werden können, ist es schwierig, eine optimale Leistung zu erzielen. Dieser Prozess kann eine Herausforderung sein. Es gibt jedoch eine schnelle und effiziente datengesteuerte Methode, um die Position und Ausrichtung des LiDAR in Bezug auf das INS mit der Genauigkeit zu bestätigen, die erforderlich ist, um die bestmöglichen Daten zu erhalten. Hier erfahren Sie, wie Sie das Rätsel der INS- und LiDAR-Kalibrierung lösen können: ....mit Daten.
Mobile Kartierung - OXTS xNAV550 INS und Velodyne LiDAR
Die Bedeutung der LiDAR- und INS-Kalibrierung
LiDAR bietet in der Regel eine hohe Genauigkeit von mehreren Zentimetern pro Bild. Diese Art von Genauigkeit in einer georeferenzierten Punktwolke zu erreichen, ist viel schwieriger. Dazu sind sehr präzise Navigationsdaten erforderlich. Wir können uns schnell ein Bild davon machen, wie genau dies sein muss, indem wir eine kleine Winkelapproximation nehmen und die Reichweite mit dem Winkelfehler multiplizieren, um einen Positionsfehler in den betrachteten Objekten zu erhalten. Bei einer Entfernung von 50 m haben wir einen Fehler von etwa 9 cm, wenn wir einen Orientierungsfehler von nur 0,1° in einer Achse haben (0,09 = 50 x 0,1° x 2π/360).
Sie sehen also, dass die Reichweite den Fehler vervielfacht und daher sehr empfindlich auf den Orientierungsfehler reagiert. Daher muss die INS- und LiDAR-Kalibrierung so genau wie möglich sein.
Ein INS-Gerät kann typischerweise Navigationsdaten mit einem Fehler von 0,1° im Kurs ausgeben.
Die Navigationsdaten sind eindeutig der begrenzende Faktor, wenn es darum geht, präzise Daten in Ihrer Punktwolke zu erhalten. Aber es gibt noch eine weitere Komplikation. Bei der Kombination von LiDAR- und Navigationsdaten ist eine Beziehung zwischen den Geräten erforderlich. Vermessungsingenieure, die die Position eines Punktes in der Punktwolke berechnen, würden die folgende Formel verwenden:
Position und Ausrichtung des Navigationsgeräts in der Welt + Verhältnis des LiDAR-Geräts zum Navigationsgerät + Position des Punktes in Bezug auf das LiDAR-Gerät.
Die Beziehung zwischen den Geräten beinhaltet eine Drehung. Dies führt zu einer zusätzlichen Orientierungsunsicherheit, die auf dem gleichen Genauigkeitsniveau liegen muss wie die Genauigkeit des Steuerkurses und der Neigung/Rolle, sonst wird sie zum neuen Engpass für die Genauigkeit der Punktwolke.
Dies gilt für alle Vermessungsgeräte, die ein separates Navigationsgerät verwenden und Objekte aus der Ferne betrachten, nicht nur für LiDAR.
Die Fähigkeit, diesen Winkel mit der gleichen Genauigkeit zu messen, ist entscheidend für die endgültige Genauigkeit der Punktwolke.
Das Bild hier ist ein Beispiel für ein Hardware-Diagramm, das die INS-Position im Verhältnis zum LiDAR-Sensor zeigt. Dieses Bild wurde aus OXTS Georeferencer - unserer LiDAR-Georeferenzierungssoftware - aufgenommen.
Diagramm zur Darstellung des Positionsfehlers eines Objekts aufgrund eines Orientierungsfehlers
Ein schlecht kalibrierter Aufbau zeigt dasselbe Objekt in verschiedenen Bildern unterschiedlich an, und wenn diese Bilder georeferenziert werden, ist die Punktwolke unscharf.
Kalibrierung des Zielfernrohrs
Es ist nicht einfach, die Drehung des LiDAR gegenüber dem INS auf 0,1° genau zu messen. Das Entwerfen und Erstellen von CAD-gedruckten Montageanordnungen kann teuer und zeitaufwändig sein und bietet eine unflexible Lösung. Die effizienteste Methode zur Kalibrierung der Drehung des LiDAR in Bezug auf das INS ist die Verwendung einer datengesteuerten Methode, bei der georeferenzierte Daten und ein Algorithmus zur Berechnung der Drehung verwendet werden, die die beste Punktwolke ergibt.
OXTS hat eine Methode entwickelt, mit der eine kurze Vermessung einiger Kalibrierungsziele separat (oder als Teil einer längeren Vermessung) durchgeführt werden kann, die dazu dient, die Rotation in der Nachbearbeitung auf den Genauigkeitsgrad zu kalibrieren, den die georeferenzierten Daten bieten.
Die Methode ist einfach: Es werden zwei flache, quadratische Reflexionsziele aufgestellt. Das mit dem LiDAR ausgestattete Fahrzeug wird dann so manövriert, dass es die Ziele über einen Zeitraum von 3-10 Minuten vermisst, bis ein angemessenes Bild der Ziele georeferenziert werden kann. Bei den Zielen kann es sich um einfache Holzbretter mit reflektierendem Klebeband handeln.
Der Benutzer muss die Software nur auf die Stelle richten, an der sich die Ziele in einem Querschnitt der Punktwolke befinden.
OXTS-Georeferenzierung
Die Software OXTS Georeferencer sucht in den georeferenzierten Daten nach den zu den Zielen gehörenden Reflexionspunkten und verwendet dann einen Algorithmus zur Berechnung der Drehung, die die Ziele so flach wie möglich macht.
Dies alles geschieht mit minimalen Eingaben des Benutzers und minimaler Einrichtungszeit. Alles, was erforderlich ist, ist eine starre Befestigung zwischen den Geräten, damit sie sich nicht relativ zueinander bewegen können. Wenn die Hardware-Einrichtung unverändert bleibt, muss die Kalibrierung nicht wiederholt werden.
"Als Ingenieur kenne ich kein einfaches Werkzeug, das die Winkel zwischen INS und LiDAR auf ein Zehntelgrad genau messen könnte. OXTS hat dieses Problem auf elegante Weise gelöst, indem es die bereits vorhandenen Werkzeuge für die LiDAR-Vermessung verwendet. Der schwierigste Teil ist die Durchführung einer zehnminütigen Datenerfassung zwischen zwei reflektierenden Zielen (die billig und einfach zu bauen sind). Angesichts der gut dokumentierten OXTS-Anleitungen ist der nächste Schritt eine einfache Angelegenheit, die gesammelten Datendateien in OXTS Georeferencer auszuwählen und die Schaltfläche "Run Boresight Calibration" zu drücken. Es ist wirklich so einfach, und nach Angabe der berechneten Winkel hat sich die Genauigkeit der Punktwolke deutlich verbessert, sogar für das menschliche Auge sichtbar.
Zusammenfassend
Ein unkalibrierter Aufbau kann leicht der Grund für Ungenauigkeiten in einer georeferenzierten Punktwolke sein. Neben Navigationsdaten mit sehr hoher Orientierungsgenauigkeit muss auch die Rotation zwischen LiDAR und INS auf Grad genau bekannt sein. Dies zu erreichen, kann sehr schwierig sein. Die effektivste und effizienteste Methode zur Kalibrierung der Hardware-Einrichtung ist die Verwendung der georeferenzierten LiDAR-Daten selbst in einem datengesteuerten Verfahren. Durch eine kurze Vermessung von Reflexionszielen kann die Einrichtung innerhalb von Minuten kalibriert werden, so dass sie für hochpräzise Vermessungen bereit ist.
Kontakt zu OXTS zur Diskussion über die Boresight-Kalibrierungsfunktion in OXTS Georeferencer.
Bleiben Sie auf dem Laufenden in Sachen Vermessung und Kartierung bei OXTS
Wir bei OXTS arbeiten ständig an neuen und innovativen Produkten und Funktionen, um den Erhebungsprozess Schritt für Schritt zu optimieren.
Wenn Sie möchten, dass wir uns mit Ihnen in Verbindung setzen, um den OXTS Georeferencer, die Boresight-Kalibrierung oder eines unserer vermessungsspezifischen INS-Geräte zu besprechen, dann füllen Sie das nebenstehende Formular aus und einer unserer Mitarbeiter wird sich mit Ihnen in Verbindung setzen.
