Novel method to determine laser scanner accuracy for applications in civil engineering / Nuevo método para determinar la exactitud de escáner láser para aplicaciones en ingeniería civil

Artículo patrocinado por Extraco, Misturas, Lógica, Enmacosa e Ingeniería InSitu, dentro del proyecto SITEGI, cofinanciado por el CDTI. (2012). 

Article sponsored by Extraco, Misturas, Lógica, Enmacosa and Ingeniería Insitu inside the SITEGI project, cofinanced by the CDTI. (2012)

Autores / Authors : HIGINIO GONZALEZ-JORGE, MERCEDES SOLLA, JULIA ARMESTO, PEDRO ARIAS 

Close Range Remote Sensing and Photogrammetry Group,

Department of Natural Resources and Environmental Engineering,

School of Mining Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain

Resumen / Abstract

Uno de los aspectos más importantes de controlar la condición de estructuras de ingeniería civil es la deformación de la supervisión. Escáneres láser 3D muestran algunas ventajas relacionadas con el control de deformaciones inesperadas que no pueden controlarse con estaciones totales o niveles. Fichas de datos técnicos proporcionados por los fabricantes de láser dan la precisión de las mediciones de punto único, aunque estas cifras pueden mejorarse utilizando algoritmos de guarnición. 

Este trabajo representa un novedoso procedimiento técnico utilizado para detectar la exactitud real que puede lograrse utilizando técnicas de montaje superficial. Esta técnica se basa en el desplazamiento de una placa de aluminio por medio de un actuador de precisión. Cambio producido en la placa se mide por un escáner láser y una estación total. Exactitud se evalúa como la diferencia entre los valores indicados por el actuador y las previstas en los instrumentos geodésicos.

El procedimiento ha sido probado con un escáner de láser RIEGL LMS Z390i y una estación total Leica TCR 1102. Los resultados obtenidos están muy cercanos en ambos casos y representan valores de precisión inferior a 1 mm. Estos resultados confirman las posibilidades del sistema para detectar pequeñas deformaciones RIEGL. Se puede concluir que este sistema puede ser utilizado en el monitoreo de estructuras de ingeniería civil.

Por otro lado, el único punto de medición exhibe una precisión de alrededor de 6 mm y confirma los datos proporcionados por el fabricante del escáner láser.

One of the most important aspects of controlling the condition of civil engineering structures is the deformation monitoring. 3D laser scanners show some advantages related to the controlling of unexpected deformations which cannot be monitored with total stations or levels. Technical datasheets provided by laser manufacturers give the accuracy of single point measurements, although these figures can be improved using fitting algorithms. This paper depicts a novel technical procedure used to detect real accuracy that can be achieved using surface fitting techniques. This technique is based on the displacement of an aluminum plate by means of a precision actuator. Shift produced in the plate is measured by a laser scanner and a total station. Accuracy is evaluated as the difference between the values given by the actuator and those provided for the geodetic instruments.

The procedure has been tested using a laser scanner RIEGL LMS Z390i and a total station Leica TCR 1102. The results obtained are very close in both cases and depict values of accuracy less than 1 mm. These results confirm the possibilities of the RIEGL system to detect small deformations. It can be concluded that this system can be used in the monitoring of civil engineering structures.

On the other hand, the single point measurement exhibits an accuracy around 6 mm and confirms the data provided by the manufacturer of the laser scanner.

1. Introduction / Introduction 

El número y la complejidad de las actuales infraestructuras de ingeniería civil hace necesario utilizar precisa, rápida y confiables sistemas de monitoreo para garantizar la seguridad durante la construcción y operación. Uno de los aspectos más importantes es controlar las deformaciones en los túneles, puentes, presas, etc.. Los procesos de convergencia en túneles dependen de la entrega en forma de tensiones después de la excavación y por lo tanto, describe la deformación de la masa de la roca circundante y de apoyo, independientemente de cualquier enfoque de estrés modelos y medidas. Los valores de convergencia son típicamente de 0,1 mm a 5 mm/día hasta la estabilización del túnel [1, 2]. Deformación en puentes es importante en las pruebas de carga para evaluar la resistencia a la fatiga y la capacidad de carga. Valores alrededor de 20 mm son comunes en estas pruebas [3-6]. Monitoreo de la deformación en presas es también un tema de interés. El comportamiento real puede diferir de los valores iniciales en la etapa de diseño para las diferencias entre el diseño propuesto y la estructura construida, supuestos estructurales modeling and analysis, fatiga del material, terremotos, etc.. Valores de deformación alrededor de 20 mm pueden medirse. Estas deformaciones se correlacionan con la altura del nivel del agua de la presa [7, 8]. Otras estructuras de ingeniería con requisitos importantes en el seguimiento de deformación son las laderas de los caminos [9, 10].Instrumentación geodésico como niveles precisos, estaciones totales, escáneres láser terrestre y sistemas de posicionamiento globales puede utilizarse para estos trabajos de inspección. Estas técnicas son especialmente útiles como herramientas de inspección en aplicaciones de ingeniería civil, donde el acceso físico a la estructura no es posible o generalmente implica alto riesgo para los operadores. Los métodos topográficos clásicos basados en los ángulos y las distancias son muy comunes e incluyen instrumentación como niveles y estaciones totales con exactitudes alrededor de 0.5–2 mm. La precisión depende de la distancia de trabajo y las especificaciones técnicas de los instrumentos. Sensores de contacto que comprende inclinómetros, dial indicadores, extensómetros, reflectores y códigos de barras de precisión completan la unidad de medida. Sistemas de satélites de navegación global (GNSS) se utilizan en algunas aplicaciones como el monitoreo de las grandes represas [11, 12]. Sin embargo, esta técnica tiene dos limitaciones principales: exactitud es una magnitud variable que depende del número de satélites, la geomorfología, la densidad y la distribución de la vegetación y no se puede utilizar en interiores (aplicaciones del túnel). Por otro lado, la precisión límites de GNSS son alrededor de 1 cm horizontalmente y 2 cm verticalmente. Los métodos topográficos clásicos funcionan en un número relativamente pequeño de puntos individuales. Esta situación hace que los modelos resultantes utilizados para análisis geométrico deben ser simplificado fuertemente.

En consecuencia, no se puede proporcionar cobertura de área completa. Las técnicas sin contacto de topografía y documentar las estructuras edificadas han evolucionado significativamente en la última década. Escáner láser 3D y Fotogrametría son los principales exponentes de esta evolución: ambos proporcionan nubes de puntos de miles o millones de coordenadas con precisión milimétrica. Estas técnicas superan algunas de las desventajas de los métodos tradicionales de geodésicas en topografía estructuras civiles. En este sentido, escáneres láser terrestre muestran simplicidad de uso y alta velocidad de adquisición de datos [13]. Permiten un completo modelo geométrico de la estructura que se obtendrán y no es necesario discretiza el objeto por puntos de referencia [14, 15]. Este hecho permite la detección de deformaciones inesperadas.Escáner de láser de precisión de tiro solo es más pobre que la obtenida con estaciones totales. Valores alrededor de 5 – 10 mm pueden ser alcanzado [16]. Generalmente son considerados como inadecuados para el monitoreo de deformaciones estructurales debido a la naturaleza sutil de algunas deformaciones. Sin embargo, cabe señalar que el promedio de la precisión del objeto superficial improces los resultados. Algunos autores divulgan que modelado de datos de escáner láser terrestre podría lograr precisión hasta a 20 veces superior de la precisión de coordenadas monopunto [17]. Este resultado está cerca de los obtenidos para las deformaciones clásicas en estructuras de ingeniería civil. En esta situación, las especificaciones técnicas de los sistemas suelen incluyen datos de precisión que no se pueden extrapolar fácilmente a la precisión requerida para medir una deformación real. Los datos de las especificaciones técnicas incluyen precisión de punto único. Sin embargo, las deformaciones deben obtenerse de los datos de conexión de la superficie. En este trabajo se propone un procedimiento de laboratorio basado en el desplazamiento de un actuador electromecánico de precisión para evaluar la exactitud de la medición de la deformación, previa a la adquisición de datos de campo. El objetivo de este procedimiento es contribuir a la evaluación de la instrumentación antes la selección final. Otra aplicación del procedimiento es detectar una posible necesidad de recalibración en los sistemas. Este procedimiento fue aplicado a la detección de precisión de láser terrestre sistema RIEGL LMS Z390i y se comparó con los resultados proporcionados por la estación total Leica TCR 1102.

The number and complexity of the current civil engineering infrastructures makes it necessary to use accurate, fast and reliable monitoring systems to ensure the safety both during construction and operation. One of the most important aspects is controlling the deformations in tunnels, bridges, dams, etc. Convergence processes in tunnels depend of the re-arrangement of stresses just after the excavation, and hence describes the deformation of the surrounding rockmass and of support, independently of any stress-focusing models and measurements. Convergence values are typically from 0.1 mm to 5 mm /day until the tunnel stabilization [1, 2]. Deformation in bridges is important in load tests to evaluate the fatigue resistance and assess the load carrying capacity. Values around 20 mm are common in these tests [3–6]. Deformation monitoring in dams is also a topic of interest. The actual behavior may differ from the initial values computed at the design stage for differences between the proposed design and built structure, assumptions in structural modeling and analysis, material fatigue, earthquakes, etc. Deformation values around 20 mm can be measured. These deformations correlate with the water level height of the dam [7, 8]. Other engineering structures with important requirements in deformation monitoring are the slopes of the roads [9, 10].

Geodetic instrumentation such as precise levels, total stations, global positioning systems and terrestrial laser scanners can be used for these inspection works. These techniques have become especially useful as inspection tools in civil engineering applications, where physical access to the structure is not possible or usually involves high risk to operators. The classical topographic methods based on angles and distances are very common and include instrumentation such as levels and total stations with accuracies around 0.5–2 mm. The accuracy depends on the working distance and the technical specifications of the instruments. Contact sensors comprising inclinometers, dial gauges, extensometers, reflectors and precision bar codes complete the measurement unit. Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are used in some applications such as the monitoring of large dams [11, 12]. However, this technique has two main limitations: accuracy is a changeable magnitude which depends on the number of satellites, geomorphology, density and distribution of vegetation and it cannot be used indoors (tunnel applications). On the other hand, the precision limits of GNSS are around 1 cm horizontally and 2 cm vertically. The classical topographic methods operate at a relatively small number of single points. This situation causes that the resulting models used for geometric analysis have to be strongly simplified. Consequently, full area coverage cannot be provided.

Non-contact techniques for surveying and documenting built-up structures have evolved significantly in the last decade. 3D laser scanning and close range photogrammetry are the main exponents of this evolution: both provide point clouds of thousands or millions of coordinates with millimeter accuracy. These techniques overcome some of the disadvantages of traditional geodetic methods in surveying civil structures. In this sense, terrestrial laser scanners show simplicity of usage and high speed of data acquisition [13]. They allow a complete geometrical model of the structure to be obtained and it is not necessary to discretize the object by reference points [14, 15]. This fact enables the detection of unexpected deformations. Single shot accuracy laser scanning is poorer than that obtained with the total stations. Values around 5–10 mm can be achieved [16]. They are usually considered as inadequate for the monitoring of structural deformations due to the subtle nature of some deformations. However, it should be noted that the average of the precision from the object surface improces the results. Some authors report that modeled terrestrial laser scanner data could achieve accuracy up to 20 times as high as that of the single point coordinate precision [17]. This result is close to those obtained for the classical topographic methods and makes the system reliable to be used in the inspection of deformations in civil engineering structures. In this situation, technical specifications of the systems typically include accuracy data that cannot be easily extrapolated to the accuracy required for measuring a real deformation. The data of the technical specifications include single point accuracy. However, deformations must be obtained from the fitting data from the surface. In this work, a laboratory procedure based on the displacement of a precision electromechanical actuator is proposed to evaluate the accuracy of deformation measurement, prior to the field data acquisition. The aim of this procedure is to contribute to the evaluation of the instrumentation before the final selection. Another application of the procedure is to detect a potential need of recalibration in the systems. This procedure was applied to the accuracy detection of terrestrial laser scanning system RIEGL LMS Z390i and it was compared with the results provided by the Leica TCR 1102 total station.

2. Materiales y métodos / Materials and methods

El procedimiento experimental diseñado para evaluar la precisión de los sistemas de escaneo láser se basa en tres pilares fundamentales: un dispositivo, adquisición de datos y procesamiento. Un escáner de láser y una estación total son los instrumentos utilizados para realizar la adquisición geométrica. Un dispositivo actuador provoca un desplazamiento preciso de una placa para simular pequeñas deformaciones. Las mediciones se realizan en diferentes gamas. La figura 1 muestra un esquema del sistema.

The experimental procedure designed to evaluate the accuracy of laser scanning systems is based on the three main pillars: a device, data acquisition and processing. A laser scanner and a total station are the instruments used to perform the geometric acquisition. An actuator device causes a precise displacement of a plate to simulate small deformations. Measurements are performed at different ranges. Figure 1 shows a scheme of the system.

Fig. 1. Experimental arrangement.

El dispositivo consta principalmente de un accionador electromecánico que produce un cambio preciso de un avión blanco. El actuador de precisión es una fase lineal PLS-85 (Micos) que está diseñado principalmente para aplicaciones de precisión. Rodamientos de rodillos garantizan muy altos rigidez de la guía. Es impulsado por un tornillo de la bola de recirculación y equipado con un motor de pasos de DC. Dos sensores hall limitan el recorrido a 52 mm.La rectitud del sistema es 2 μm, echada μrd 90, yaw μrd 90, 1,3 kg de peso y punto repetibilidad 1 μm. El sistema es controlado mediante un programa de Matlab desarrollado específicamente para este propósito por ordenador. Una precisión de ángulo recto montaje fromThorlabs se utiliza para fijar el objetivo del avión (placa de aluminio) al actuador. La placa de aluminio puede medirse fácilmente por el láser en el sistema y la estación total.Las dimensiones de la placa de aluminio son 100 mm × 100 mm × 2 mm. Todo el sistema está montado sobre un trípode topográfico.Procesamiento y adquisición de datos deben reproducir las condiciones de medición del sistema durante la inspección real de deformaciones en un puente, túnel, presa, pendiente, etc..Parámetros metrológicos (algoritmos de resolución, gama o procesamiento de escáner láser) deben mantenerse constantes para producir resultados comparables. El examen que se realiza en nuestro laboratorio utiliza un láser escáner sistema RIEGL LMS Z-390i y una estación total Leica TCR 1102. Temperatura y humedad relativa son monitoreados e introducidos en el software de control del escáner láser para establecer la corrección relacionada con la ecuación de Edlén y la relación entre el índice de refracción del aire y la velocidad de la luz [18]. El software de control del escáner láser permite introducir la temperatura y humedad relativa de datos para corregir el alcance de la medida.Es la única manera de introducir el operador humano. El procedimiento que adoptamos aquí utiliza una unidad de teledetección ambiental situada en el barrio del escáner láser.

Después de cada desplazamiento del actuador y la medición correspondiente con el escáner láser, las condiciones ambientales son comprobadas y reintroducidas en el software RIEGL para garantizar la calidad de las mediciones. Las gamas de medición del equipo geodésico evaluado son: 10, 25 y 50 m. Estos desplazamientos permiten medir longitudes de 0.1, 0.3, 0.6, 1.0, 3.0, 6.0, 10.0, 20.0 y 30.0 mm. Estos desplazamientos permiten medir desplazamientos de 0,1 mm (de 0 a 1 mm), 1 mm (de 1 a 10 mm) y diferentes intervalos (de 10 a 30 mm), así como mediciones repetidas, calculadas a partir de diferentes combinaciones de posiciones absolutas. Finalmente, el número total de combinaciones entre éstos establecieron posiciones da 42 desplazamientos. Este procedimiento se repitió para los tres rangos de medición. Desplazamiento máximo está limitado a 30,0 mm. Está claro que las deformaciones más grandes se pueden detectar perfectamente con el RIEGL LMS Z-390i. Parece más importante determinar el límite de medición para pequeñas deformaciones.Angulares diferencias entre las mediciones son muy pequeñas. Si tomamos en cuenta las distancias de 10, 25 y 50 m y el tamaño de la placa de aluminio (100 × 100 mm), los ángulos máximos de incidencia del rayo son 2,86 ° ° 1,14 y 0,57 °, respectivamente.

El escáner láser terrestre utilizado en este trabajo, RIEGL LMS Z-390i, clasificado como tiempo de vuelo (TOF), se compone de una fuente láser colimado que emite pulsos de rayo láser infrarrojo. Parte de la señal reflejada por la superficie del objeto a entrar en el sistema de láser y es recogida por el diodo detector que genera una señal eléctrica. El período de tiempo entre la emisión y recepción de la viga pulsada es medido por un reloj de cuarzo. Los TOF permite la distancia entre el objeto y los equipos de láser para medirla. La velocidad de la propagación de luz en el aire es conocida por una cierta temperatura, humedad relativa y presión. El sistema de medición de la distancia se combina con un deflector de rayo que señala el rayo hacia la superficie del objeto. La configuración de RIEGL consiste en un espejo giratorio que permite la exploración vertical y un servomotor que hace el mecanismo de rotación sobre el eje óptico de la exploración horizontal. Al mismo tiempo, la intensidad de la señal reflejada se almacena como un atributo de la intensidad de cada punto medido. Recoge información acerca de la reflectividad de un objeto y por lo tanto, información sobre las características espectrales de la cara sur del objeto. El RIEGL LMS Z-390i es un escáner de láser terrestre de largo alcance, con un rango de medición de 1,5 m hasta 400 m. La precisión nominal es de 6 mm a 50 m de distancia (condiciones de iluminación estándar). Longitud de onda de la viga es 1540 nm, con una tasa de adquisición entre 8000 y 11000 puntos por segundo. El campo de visión de este instrumento cubre 360 grados horizontal y 80 grados verticalmente. El stepwidth mínimo es 0,002 grados horizontal y verticalmente.

La estación total Leica TCR 1102 fue utilizada a efectos de comparación con los datos obtenidos por el láser sistema de escaneo. Cada posición del actuador también se controla por medio de 16 puntos tomados con la estación total. Especificaciones técnicas darán una precisión angular (horizontal y vertical) de 2 "y el máximo rango de medición de 3500 m a 80 m, dependiendo de si la medición se realiza mediante un prisma o en un modo de reflector. La exactitud de la medición de la distancia según ISO 17123-4 [19] es 2 mm 2 ppm (modo de medición estándar). Láser rojo (onda de 633 nm) se utiliza en la configuración de medida de fase.Estos instrumentos modulan el rayo láser y medir la diferencia de fase entre las señales emitidas y recogidas que es proporcional a las medidas de la gama.

The device mainly consists of an electromechanical actuator which produces a precise shift of a target plane. The precision actuator is a linear stage PLS-85 (Micos) which is mainly intended for precision applications. Cross-roller bearings guarantee very high guiding stiffness. It is driven by a recirculating ball screw and equipped with a DC stepper motor. Two hall sensors limit the travel range to 52 mm. 

The straightness of the system is 2 μm, pitch 90 μrd, yaw 90 μrd, weight 1.3 kg, and point repeatability 1 μm. The system is computer controlled using a Matlab program specifically developed for this purpose. A right angle precision mounting from Thorlabs is used to fix the plane target (aluminum plate) to the actuator. The aluminum plate can be easily measured by the laser scanning system and the total station. The dimensions of the aluminum plate are 100 mm×100 mm×2 mm. The whole system is mounted on a topographic tripod.

Data acquisition and processing must reproduce the measuring conditions of the system during real inspection of deformations in a bridge, tunnel, dam, slope, etc. Metrological parameters (laser scanner resolution, range or processing algorithms) must be kept constant to produce comparable results. The test performed in our laboratory uses a laser scanning system RIEGL LMS Z-390i and a total station Leica TCR 1102. Temperature and relative humidity are monitored and introduced into the control software of the laser scanner to establish the correction related with the Edlén equation, and the relationship between the refractive index of air and the speed of light [18]. The control software of the laser scanner makes it possible to introduce temperature and relative humidity data to correct the range measurement. The only way to introduce it is by the human operator. The procedure we adopt here uses an environmental sensing unit located in the neighbourhood of the laser scanner. After each displacement of the actuator and the corresponding measurement with the laser scanner, the environmental conditions are checked and reintroduced in the RIEGL software to guarantee the quality of measurements. The ranges of measurement of the geodetic equipment evaluated are: 10, 25 and 50 m. These displacements make it possible to measure lengths of 0.1, 0.3, 0.6, 1.0, 3.0, 6.0, 10.0, 20.0 and 30.0 mm. These displacements make it possible to measure displacements of 0.1 mm (from 0 to 1 mm), 1 mm (from 1 to 10 mm) and different intervals (from 10 to 30 mm), as well as repeated measurements calculated from different combinations of absolute positions. Finally, the total number of combinations between these established positions gives 42 displacements. This procedure was repeated for the three ranges of measurement. Maximum displacement is limited to 30.0 mm. It is clear that larger deformations can be perfectly detected with the RIEGL LMS Z-390i. It appears most important to determine the measurement limit for small deformations. Angular differences between the measurements are very small. If we take into account the distances of 10, 25 and 50 m and the size of the aluminum plate (100 mm×100 mm), the maximum angles of ray incidence are 2.86°, 1.14° and 0.57°, respectively.

The terrestrial laser scanner used in this work, RIEGL LMS Z-390i, classified as time of flight (TOF), is composed of a collimated laser source that emits infrared laser beam pulses. Part of the signal reflected by the object surface re-enters the laser system and is collected by the detector diode which generates an electric signal. The period of time between the emission and reception of the pulsed beam is measured by a quartz clock. The TOF allows the distance between the object and the laser equipment to be measured. The velocity of light propagation in air is known for a certain temperature, relative humidity and pressure. The system for distance measurement is combined with a ray deflector which points the beam towards the object surface. The RIEGL configuration consists of a rotary mirror which allows vertical scanning and a servomotor that makes the mechanism rotate about the optical axis for the horizontal scanning. At the same time, the intensity of the reflected signal is stored as an attribute of the intensity for each measured point. It collects information about the reflectivity of an object, and consequently, information about the spectral characteristics of the surface of the object. The RIEGL LMS Z-390i is a long range terrestrial laser scanner,

with a range of measurement from 1.5 m to 400 m. The nominal accuracy is 6 mm at 50 m range (standard illumination conditions). Beam wavelength is 1540 nm, with an acquisition rate between 8000 and 11000 points per second. The field of view of this instrument covers 360 degrees horizontally and 80 degrees vertically. The minimum stepwidth is 0.002 degrees horizontally and vertically.

The Leica TCR 1102 total station was used for the purpose of comparison with the data obtained from the laser scanning system. Each position of the actuator is also monitored by means of 16 points taken with the total station. Technical specifications give an angular accuracy (horizontal and vertical) of 2" and maximum range of measurement from 3500 m to 80 m, depending on whether the measurement is performed using a prism or in a reflectorless mode. The accuracy of distance measurement according to ISO 17123-4 [19] is 2 mm + 2 ppm (standard measurement mode). Red laser (633 nm wavelength) is used in phase measurement configuration. These instruments modulate the laser beam and measure the phase difference between the emitted and collected signals which is proportional to the range measurements.

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