Generation of 3D point clouds with terrestrial laser scanner: Georeferencing and quality evaluation

Abstract

Contexto: La técnica LiDAR (siglas del inglés Light Detection and Ranging) permite el modelado 3D de estructurascon un nivel de resolución inédito y precisión milimétrica. Esta tecnología está naturalmente relacionadacon la agrimensura, más aún cuando los modelos forman parte de espacios georreferenciados con respectoa sistemas de referencia geodésicos y verticales. Diferentes mediciones LiDAR deben ser vinculadas geométricamentecon técnicas topográficas clásicas o geodésicas como GNSS (por sus siglas en inglés), lo que condicionala calidad geométrica externa del modelo integrado. La comparación en el tiempo de modelos 3D deprecisión milimétrica requiere de un conocimiento de los sistemas de referencia con, por lo menos, el mismonivel de confianza. En consecuencia, la exactitud de las determinaciones debe ser validada.Método: Se relevaron dos edificios pertenecientes a la Universidad Nacional de la Plata mediante LiDAR terrestreestático, estos escáneres miden la superficie directamente visible y el relevamiento completo de unobjeto requiere de varias estaciones de registro; el producto final resulta del empate de los diferentes escaneos.Para ello existen distintas técnicas, la utilizada en este trabajo es la de elementos comunes identificablesdesde estaciones aledañas; los resultados son expresados en un marco de referencia terrestre a partir deuna poligonal de apoyo que involucró mediciones con estación total, nivel automático y equipos GNSS. Lacalidad de las nubes de puntos 3D obtenidas fue evaluada internamente a partir de los parámetros estadísticosdel procesamiento y en forma externa, lo anterior mediante las coordenadas de puntos de control obtenidascon métodos independientes.Resultados: La calidad geométrica interna de los puntos de las nubes generadas por el LiDAR terrestre estáticoTrimble TX5 fue estimada en 1 a 3 mm (1RMS). Las técnicas topográficas clásicas utilizadas en la poligonalde apoyo arrojaron una coherencia de 3 mm en cada una de las componentes, mientras que para la georreferenciaciónobtenida mediante mediciones GNSS fue de 1 cm.Conclusiones: La calidad geométrica interna de los puntos de las nubes generadas muestran la capacidad derepresentación de estos modelos 3D y su potencial para el análisis de deformaciones internas (como ángulosy distancias). Las diferentes nubes LiDAR 3D, inicialmente desvinculadas entre sí, pueden ser integradas a travésde métodos geodésicos-topográficos y georreferenciadas en un marco de referencia geodésico de calidadadecuada.Palabras clave: escáner laser terrestre, georreferenciación, nubes de puntos 3D.

Context: LIDAR technique allows the 3D modeling of structures with an unprecedented resolution and millimetric precision. This technology is naturally related to Surveying, even more when models are linked to geodesic and vertical reference systems. Diverse LIDAR surveys should be geometrically linked with topographic classic techniques or with geodetic methods such as GNSS. Such linkage conditions the geometric external quality of the integrated model. In order to compare 3D models of millimetric quality through time, the accuracy of the geodetic determinations should be validated. Method: Two buildings that belong to the National University of La Plata were surveyed with TLS (terrestrial laser scanning). These scanners measure the visible surface. Therefore, the complete survey of any complex object requires a series of stations of registration. The final product results from the spatial vinculation of the different adjacent point clouds. In order to do that, there are different techniques. The one used in this case is that of common elements identified from neighboring stations. The results referred to a terrestrial geodetic frame were obtained through a polygonal based on measurements of total stations, automatic level and GNSS. The quality of the 3D final point clouds obtained was assessed internally considering the processing statistical parameters, and externally through the coordinates of control points obtained with independent methods. Results: The internal geometric quality of the point clouds generated with the TLS Trimble TX5, was estimated in 1 to 3 millimeters (1RMS). The classical topographic techniques used in the polygonal gave a coherence of 3 mm in each components, while for the georeferencing obtained with GNSS measurements was 1 cm. Conclusions: The internal geometric quality of the 3D models shows the capacity of representation of LIDAR and its potential for internal deformations’ analysis. The different 3D point clouds, initially dissociated, can be integrated through geodetic-topographic methods, and expressed in a suitable geodetic reference frame. Keywords: terrestrial laser scanning, georeferencing, 3D point clouds. Language: Spanish.