Original paper

Calibration and Direct Georeferencing Analysis of a Multi-Sensor System for Cultural Heritage Recording

Hernández-López, David; Cabrelles, Miriam; Felipe-García, Beatriz; Lerma, José Luis

Abstract

A large amount of cultural heritage monuments and sites exist distributed worldwide that require easy to use, cheap and fast sensor orientation tools for recording, georeferencing, surveying and mapping. Ground control points are usually required on site for close range photogrammetry to achieve accurate surveys, limiting both the involvement of non-experts and the chance to know the right place of the monuments unless a ground reference system is considered. This paper presents the system calibration of an image-based multi-sensor system that integrates two consumer-grade cameras, one global navigation satellite system (GNSS) and one low-cost inertial system, i.e., a micro-electro-mechanical system (MEMS) based inertial measurement unit (IMU). The multi-sensor system is calibrated indoor regarding both the camera orientation parameters and the boresight (rotations and offsets) parameters of the two digital cameras. The boresight parameters will be used to correct the direct approach estimates. The performance of the system calibration is tested outdoor on an upside down pyramidal sculpture to deliver both accurate 3D points and high resolution 3D models. Both scenarios are considered free of magnetic anomalies. The results achieved with the GNSS/MEMS-IMU direct approach are compared with the indirect approach based on bundle block adjustment. Further extrapolations to object space through digital surface models are also determined. The testing of the system shows that GNSS/MEMS-IMU data are good enough to provide approximate exterior orientation parameters of the cameras but not to yield accurate 3D models (<1 - 2 cm) for cultural heritage applications.

Kurzfassung

Weltweit gibt es eine große Zahl an Denkmälern, die zum Kulturerbe zählen und für deren Aufnahme, Vermessung und Kartierung einfach handhabbare, preiswerte und schnelle Sensor-Orientierungswerkzeuge benötigt werden. Für eine genaue Vermessung durch Nahbereichsphotogrammetrie werden vor Ort Passpunkte benötigt, was die Einbeziehung von Nichtexperten, aber auch die absolute Positionierung eines Denkmals ohne zusätzliche Informationüber das Referenzsystem behindert. Dieser Beitrag präsentiert die Kalibrierung eines Multisensorsystems, welches zwei übliche digitale Kameras, einen Empfänger für ein globales Satelliten-Navigationssystem (GNSS) und eine kostengünstige inertiale Messeinheit (IMU) auf Basis von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) integriert. Dieses Multisensorsystem wird im Labor sowohl hinsichtlich der Orientierungsparameter der Kameras als auch hinsichtlich deren Verschiebung und Verdrehung relativ zu den Positions- und Lagesensoren kalibriert. Die kalibrierten Werte dieser Verschiebungen und Verdrehungen werden bei der direkten Georeferenzierung zur Korrektur der durch diese Sensoren bestimmten Position und Lage des Systems verwendet. Die Güte dieser Systemkalibrierung zur Gewinnung von genauen 3D Punkten und hochaufgelösten 3D Modellen wird außerhalb des Labors anhand einer auf dem Kopf stehenden pyramidenförmigen Skulptur untersucht. Beide Szenarien werden als frei von magnetischen Anomalien angesehen. Die Ergebnisse der direkten Georeferenzierung basierend auf den GNSS/MEMS-IMU Sensoren werden mit einer indirekten Methode unter Verwendung einer Bündelblockausgleichung verglichen und Extrapolationen im Objektraum durch digitale Oberflächenmodelle bestimmt. Die Untersuchung des Systems zeigt, dass die Daten der GNSS/MEMS-IMU Sensoren gut genug sind, um genäherte Parameter für die äußere Orientierung der Kameras zu liefern, aber noch nicht dafür ausreichen, sehr genaue 3D Modelle (<1 - 2 cm) für die Aufnahme von Kulturdenkmälern zu erreichen.

Keywords

multi-sensor systemcalibrationorientationcultural heritage