A Novel Method for Digitalisation of Test Fields by Laser Scanning

Abstract

In this article, a novel, media undisruptive method for the measurement of photogrammetric test fields using a laser tracker is presented. The new approach is precise and versatile in its application. It relies on image processing on the quasi continuous measurements of a hand-held laser scanner and laser tracker combination. The field of useful applications is large. In this article, we show the benefit in the field of camera calibration. Essential for highly accurate photogrammetric measurements is a careful calibration, since all cameras have optical distortions due to manufacturing processes of the lens. The calibration can be done by e.g.  using a test field. In some cases, 3D coordinates of the control points are necessary. These coordinates are often determined by photogrammetry itself and tacheometric angle measurements in advance. A scale, e.g.  a subtense bar, usually needs to be included which increases the measuring efforts. The method bases on the measured 3D point cloud of a test field. With this technique, not only the centers of all control points are accessible. Other geometric features can be chosen too. Since the point cloud consist of many single point measurements, every control point determination has already a high statistical redundancy. The 3D coordinates of every single control point are extracted from the point cloud, making an additional scale obsolete. Presently, the position accuracy is $\le 50\,{\upmu }{\text {m}}$ (MPE), which is mainly limited by the laser scanner used in this article. The here-presented technique can be applied to all kinds of shapes, dimensions, materials, numbers and arrangements of control points. Furthermore, it is a lot faster and easier to handle than the angle measurements of the tacheometer.

Zusammenfassung

Neue Methode für die Bestimmung von Testfeldern durch Laserscanning. In diesem Beitrag wird eine neuartige, medienbruchfreie Methode zur Vermessung photogrammetrischer Kalibrierfelder durch einen Lasertracker präsentiert. Der neue Ansatz ist hochgenau und vielseitig einsetzbar. Er beruht auf der Bildbearbeitung quasi-kontinuierlicher Messungen einer handgeführten Laserscanner und -trackerkombination. Die Anwendungsgebiete sind vielfältig. Die neue Methode wird in diesem Beitrag im Anwendungsfeld der Kamerakalibrierung vorgestellt. Ausschlaggebend für eine hochgenaue photogrammetrische Messung ist eine sorgfältige Kalibrierung, da alle Kameras durch den Herstellungsprozess optischen Verzeichnungen unterliegen. Die Kalibrierung kann z.B. durch ein Kalibrierfeld stattfinden. In manchen Fällen müssen hierfür die 3D-Koordinaten der Passpunkte ermittelt werden. Diese Koordinaten werden häufig durch die Photogrammetrie selbst und eine davor angefertigte tachymetrische Winkelmessung bestimmt. Für gewöhnlich muss ein Maßstab, wie z.B. eine Basislatte, mit einbezogen werden, was den Messaufwand vergrößert. Die neue Methode nutzt die gemessene 3D-Punktwolke eines Kalibrierfeldes. Mit dieser Technik können nicht nur die Zentren aller Passpunkte zugänglich gemacht werden. Andere geometrische Merkmale sind ebenfalls enthalten. Da die Punktwolken aus vielen einzelnen Messpunkten bestehen, weist jede Koordinatenermittlung bereits eine hohe statistische Redundanz auf. Die 3D-Koordinaten jedes einzelnen Passpunktes werden direkt aus der 3D-Punktwolke extrahiert, wodurch ein zusätzlicher Maßstab überflüssig wird. Aktuell ist die Punktbestimmungsgenauigkeit $\le 50\,{\upmu }\hbox {m}$ (MPE), hauptsächlich limitiert durch den in diesem Beitrag verwendeten Scanner. Die hier gezeigte Methode kann für alle Formen, Dimensionen, Materialien, Mengen und Anordnungen von Passpunkten verwendet werden. Zudem ist sie deutlich schneller und einfacher als die Winkelmessung mittels Tachymetrie.