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En LiDAR se georreferencian para producir una nube de puntos, cada fotograma debe emparejarse con datos de navegación precisos. El desplazamiento relativo y la orientación entre el dispositivo LiDAR y el dispositivo de navegación (INS) debe conocerse. Si no se miden con precisión estos ángulos, es difícil alcanzar un rendimiento óptimo. Este proceso puede resultar complicado. Sin embargo, existe un método rápido y eficaz basado en datos para confirmar la posición y orientación del LiDAR con respecto al INS, con el nivel de precisión necesario para obtener los mejores datos posibles. Aquí exploramos cómo puede resolver el enigma de la calibración del INS y el LiDAR....con datos.
Cartografía móvil - OXTS xNAV550 INS y Velodyne LiDAR
Importancia de la calibración LiDAR e INS
Los LiDAR suelen tener una precisión de varios centímetros por fotograma. Conseguir este tipo de precisión en una nube de puntos georreferenciada es mucho más difícil. Se necesitan datos de navegación muy precisos. Podemos hacernos una idea rápida de la precisión necesaria tomando una pequeña aproximación angular y multiplicando el alcance por el error angular para obtener un error de posición en los objetos vistos. A 50 m tenemos un error de unos 9 cm si tenemos un error de orientación de sólo 0,1° en un eje (0,09 = 50 x 0,1° x 2π/360).
Así, se puede ver que, debido a que el alcance multiplica el error, es muy sensible al error de orientación. Por lo tanto, la calibración INS y LiDAR debe ser lo más precisa posible.
Un dispositivo INS puede emitir datos de navegación con un error de 0,1° en su rumbo.
Los datos de navegación son claramente el factor limitante para obtener datos precisos en tu nube de puntos. Pero hay otra complicación. Cuando se combinan datos LiDAR y de navegación, es necesaria una relación entre los dispositivos. Los topógrafos que calculan la posición de un punto en la nube de puntos utilizarían la siguiente fórmula:
Posición y orientación del navegador en el mundo + relación del dispositivo LiDAR con respecto al dispositivo de navegación + Posición del punto con respecto al dispositivo LiDAR.
La relación entre los dispositivos incluye una rotación. Esto introduce una incertidumbre de orientación adicional que debe estar al mismo nivel de precisión que la precisión de rumbo y cabeceo/balanceo o se convertirá en el nuevo cuello de botella de la precisión en la nube de puntos.
Esto se aplica a todos los dispositivos topográficos que utilizan un dispositivo de navegación independiente y visualizan objetos a distancia, no sólo a los LiDAR.
La capacidad de medir este ángulo con la misma precisión es fundamental para la exactitud final de la nube de puntos.
La imagen es un ejemplo de diagrama de hardware que muestra la posición del INS en relación con el sensor LiDAR. Esta imagen fue tomada desde OXTS Georeferencer, nuestro software de georreferenciación LiDAR.
Diagrama que muestra el error de posición de un objeto debido a un error de orientación
Una configuración mal calibrada mostrará el mismo objeto de forma diferente en distintos fotogramas y, cuando éstos se georreferencien, la nube de puntos aparecerá borrosa.
Calibración de la mira
Medir la rotación del LiDAR con respecto al INS con una precisión de 0,1° no es fácil. Diseñar y construir montajes impresos en CAD puede resultar caro, llevar mucho tiempo y proporcionar una solución poco flexible. La forma más eficaz de calibrar la rotación del LiDAR con respecto al INS es utilizar un método basado en datos, utilizando datos georreferenciados y un algoritmo para calcular la rotación que proporciona la mejor nube de puntos.
El OXTS ha desarrollado un método por el cual se puede realizar por separado (o como parte de un estudio más largo) un breve estudio de algunos objetivos de calibración que se utiliza para calibrar la rotación en el posprocesamiento hasta el grado de precisión que ofrecen los datos georreferenciados.
El método es sencillo: se colocan dos objetivos planos, cuadrados y reflectantes. El vehículo, equipado con el LiDAR, maniobra entonces para observar los objetivos durante un periodo de 3 a 10 minutos hasta que se pueda georreferenciar una imagen adecuada de los objetivos. Los objetivos pueden ser tan simples como tablas de madera con cinta reflectante.
El usuario sólo tiene que señalar con el programa dónde se encuentran los objetivos en una sección transversal de la nube de puntos.
Georreferenciador OXTS
El software OXTS Georeferencer busca en los datos georreferenciados los puntos reflectantes pertenecientes a los objetivos y, a continuación, utiliza un algoritmo para calcular la rotación que hace que los objetivos sean lo más planos posible.
Todo esto se hace con una intervención mínima del usuario y un tiempo de configuración mínimo, todo lo que se requiere es un montaje rígido entre los dispositivos para que no puedan moverse uno respecto al otro. Si la configuración del hardware no cambia, no es necesario repetir la calibración.
"Como ingeniero, no conozco ninguna herramienta sencilla que pueda medir con precisión los ángulos entre el INS y el LiDAR con una precisión superior a una décima de grado. OXTS ha resuelto este problema con elegancia utilizando herramientas ya presentes en la topografía LiDAR. Lo más difícil es realizar una toma de datos de diez minutos entre dos objetivos reflectantes (baratos y fáciles de construir). Dadas las bien documentadas guías OXTS, el siguiente paso es una simple cuestión de seleccionar los archivos de datos recogidos en OXTS Georeferencer y pulsar el botón "Run Boresight Calibration". Después de especificar los ángulos calculados, la precisión de la nube de puntos mejoró notablemente, incluso a simple vista".
En conclusión
Una configuración no calibrada puede ser fácilmente la causa de la inexactitud de una nube de puntos georreferenciada. Además de los datos de navegación con una gran precisión de orientación, la rotación entre el LiDAR y el INS debe conocerse con una precisión de puntos de grado. Conseguirlo puede ser muy difícil. La forma más eficaz y eficiente de calibrar la configuración del hardware es utilizar los propios datos LiDAR georreferenciados en un método basado en datos. Realizando un breve estudio de objetivos reflectantes, la configuración puede calibrarse en cuestión de minutos y estar lista para la topografía de alta precisión.
Contactar con OXTS para hablar de la función de calibración Boresight en OXTS Georeferencer.
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En OXTS trabajamos continuamente en productos y funciones nuevos e innovadores destinados a agilizar el proceso de encuesta en todo momento.
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