Efficient calibration strategies for panoramic terrestrial laser scanners

Abstract

Terrestrial laser scanner (TLS) measurements are unavoidably affected by systematic errors due to internal mechanical misalignments, while the calibration is the fundamental procedure for mitigating these effects and assuring the high measurement accuracy. Despite different existing calibration solutions, the practice of calibrating TLSs for the sake of quality assurance is rarely exercised. The main reason is the inefficiency of the existing solutions requiring considerable investments of time, funding and effort. Therefore, this thesis is dedicated to increasing the efficiency of the existing calibration approaches, development of further efficient calibration approaches, and aiding the selection of the appropriate calibration strategy. It can be separated into three main aspects: First, an optimized calibration field design is derived for the well-established target-based self-calibration approach. It comprises only a handful of targets and requires typically one hour for the calibration procedure, while at the same time assures trustworthy and comprehensive calibration. Second, as the stability of the calibration parameters is found to be one of the limiting factors, the first fully automatic in-situ calibration strategy was introduced in the response to identified efficiency related shortages of the existing in-situ calibration strategies. Finally, within the analysis of different calibration approaches, it was proven that the user-calibration of instruments can indeed improve the point cloud accuracy beyond the manufacturer’s initial factory calibration. Moreover, it is proven that, if necessary, user-calibration can even substitute the manufacturer’s calibration entirely. In the overall view, the findings and methods developed in this thesis contribute to the integration of the TLS calibration practices in the commercial applications and aid their wider acceptance.

<strong>Strategien zur effizienten Kalibrierung von terrestrischen Panoramalaserscannern </strong> <br> Messungen eines terrestrischen Laserscanners (TLS) sind unvermeidlich durch systematische Abweichungen beeinflusst, welche aus inneren Konstruktionsabweichungen im Scanner resultieren. Die Kalibrierung leistet den Beitrag diese Effekte zu reduzieren und eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen. Trotz unterschiedlicher existierender Kalibrierlösungen wird die Kalibrierung von TLS zur Qualitätssicherung nur selten ausgeübt. Der Hauptgrund dafür ist die Ineffizienz der bestehenden Lösungen, die einen erheblichen Aufwand an Zeit, Geld und Mühe erfordern. Aus diesem Grund widmet sich diese Arbeit der Effizienzsteigerung der bestehenden Kalibrieransätze, der Entwicklung weiterer effizienter Kalibrieransätze und der Unterstützung bei der Auswahl der geeigneten Kalibrierstrategie. Sie kann in drei Hauptaspekte unterteilt werden. Zunächst wird ein optimiertes Kalibrierfelddesign für den etablierten zielzeichenbasierten Selbstkalibrierungsansatz abgeleitet. Es umfasst nur eine Handvoll Zielzeichen und benötigt typischerweise eine Stunde für die Kalibrierung und generiert dennoch gleichzeitig zuverlässige und vollständige Kalibrierergebnisse. Zweitens wurde die erste vollautomatische In-situ-Kalibrierungsstrategie eingeführt, da sich die Stabilität der Kalibrierparameter als einer der limitierenden Faktoren herausgestellt hat. Damit wurde auf die identifizierten effizienzbedingten Mängel der bestehenden In-situ-Kalibrierungsstrategien reagiert. Schließlich wurde im Rahmen der Analyse verschiedener Kalibrierungsansätze nachgewiesen, dass die Anwenderkalibrierung von Instrumenten die Genauigkeit der Punktwolke tatsächlich über die ursprüngliche Werkskalibrierung des Herstellers hinaus verbessern kann. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass die Anwenderkalibrierung die Kalibrierung des Herstellers bei Bedarf sogar vollständig ersetzen kann. In der Gesamtbetrachtung tragen die in dieser Arbeit entwickelten Erkenntnisse und Methoden zur Integration der TLS-Kalibrierpraktiken in die kommerziellen Anwendungen bei und fördern deren breitere Akzeptanz.