Análise comparativa de métodos pré-estabelecidos de calibração de laser scanner terrestre

Autores

¹Corrêa, S.P.L.P.; ²Lima, L.B.; ³dos Santos, A.P.

¹UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA Email: sabrina.correa@ufv.br
²UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA Email: lucas.b.lima@ufv.br
³UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA Email: afonso.santos@ufv.br

Resumo

Com o recente avanço de tecnologias relativas ao levantamento de pontos tridimensionais a partir do aperfeiçoamento de equipamentos topográficos, a técnica de varredura a laser surge como alternativa para os levantamentos terrestres, com um vasto potencial de aplicação na área de cartografia, principalmente na criação de modelos digitais em 3D. Atualmente, existe uma grande variedade de equipamentos, com tecnologias distintas e consequentemente, diferentes níveis de acurácia. Por isso, sua escolha depende diretamente da finalidade do levantamento. Para a manutenção de qualquer equipamento, há a exigência de que seja realizada sua calibração, ou seja, o processo pelo qual são aplicadas metodologias para a minimização de erros sistemáticos. A complexidade deste processo varia com o equipamento. Nota-se, portanto, que a calibração de um laser scanner terrestre (LST) é uma tarefa complexa, porém extremamente necessária para a maior confiabilidade dos resultados. Desta maneira, o objetivo deste trabalho é realizar a análise e comparação de diferentes métodos de calibração de LST presentes na literatura, dentre eles, o método de calibração ponto-a-ponto (point based), método de calibração por plano (plane based), o método de calibração por cilindro (cylinder based) e algumas variações de parâmetros utilizados. Todos métodos exigem parâmetros de calibração, os quais definirão o nível de correlação com a orientação exterior, OE (translação em X, Y, Z, e os ângulos de rotação omega, phi e kappa). Tais parâmetros alteram a calibração de maneira significativa, dependendo da forma a serem utilizados. Além disso, para plena realização do procedimento de calibração, é necessário o ajustamento dos dados obtidos, independentemente do método em uso. Ressalta-se que por questões de propriedades do instrumento e patentes, os erros de calibração e os parâmetros de orientação muitas vezes não são divulgados. Sendo assim, para a realização da calibração de um LST, é necessária a estimativa de um erro pré-estabelecido através da suposição dos parâmetros considerados. Por fim, aplica-se o ajustamento a partir dos mínimos quadrados e obtêm-se os parâmetros de calibração e orientação do LST. Esta análise permitiu investigar os principais padrões de calibração existentes e as suas variações dependendo dos resíduos encontrados, métodos estatísticos utilizados ou tipos de parâmetros empregados. Notou-se que sempre há correlação entre os parâmetros de calibração (PC) e orientação (PO), portanto, um dos pontos a serem investigados é a menor correlação entre eles, o que resulta numa melhor calibração. Além disso, investiga-se a percentagem de melhoria dos desvios padrões dos parâmetros de OE, assim como a seleção dos melhores PC a serem utilizados na calibração. Em todos os casos, as componentes a serem corrigidas são a distância e ângulos horizontais e verticais, que são os parâmetros de orientação exterior parametrizados, ou seja, parâmetros obtidos através de equações que utilizam os parâmetros de orientação exterior (X, Y, Z, omega, phi, kappa). Entre os PC, os que mais se mostraram significantes são os erros de offset da distância (a0), de eixo de colimação (b1), do eixo limbo horizontal (b2), e de círculo da vertical (c0). Cada PC tem maior correlação com um determinado PO. Além disso, é mostrado que se considerados todos os PC, a calibração pode não ser tão boa quanto se considerados apenas selecionados PC, como por exemplo os parâmetros a0 e b1. A melhora nestes casos pode variar em pelo menos 10% do desvio padrão dos PO e em questões gráficas, as funções de erro se tornam mais próximas a uma reta comparadas às funções senoidais iniciais apresentadas na literatura. Alguns trabalhos propõem novas sugestões para o método ponto a ponto por possuir uma metodologia morosa e complexa, tornando-a impossível de ser realizada em campo, além de ser indispensável a aplicação do conhecimento técnico durante sua execução. Por outro lado, a calibração por plano exige menor complexidade apesar de apresentar menor confiabilidade, enquanto a calibração por cilindro atualmente se encontra em estudos de forma a possibilitar uma maior confiabilidade da metodologia em campo. Através dos resultados encontrados por essa análise, conclui-se que a calibração ponto a ponto ainda é o melhor método proposto por apresentar maior melhoria do equipamento, assim como a utilização de parâmetros selecionados para cada tipo de LST. É altamente recomendado que haja maiores estudos no assunto visto que este tópico ainda é recente e, portanto, ainda não há um método definitivo a ser adotado.

Keywords

laser scanner; calibração; erros sistemáticos

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