TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Terrestrisches Laserscanning 2015 07.12.2015, Fulda Christoph Holst & Heiner Kuhlmann Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn Jens-André Paffenholz & Ingo Neumann Geodätisches Institut, Leibniz Universität Hannover Motivation Aufgabe: Erstellung eines 3D-Modells von der Außenfassade des Poppelsdorfer Schlosses Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 2 Motivation Erster Auftragnehmer • Statische Aufnahme • Ca. 20 Standpunkte • Registrierung über Zielzeichen => Messdauer: ca. 3 Tage Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 3 Motivation Zweiter Auftragnehmer • Kinematische Aufnahme • Bewegung 2 m/s => Messdauer: ca. 3 Stunden Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 4 Motivation Entscheidung klar? • Unterschiede in Messdauer: Tage vs. Stunden • Unterschiede in Punktwolkengenauigkeit: mm vs. cm…dm => insb. Innere Genauigkeit Punktwolkenkonsistenz • Unterschiede in Auflösung: mm vs. mm…dm => Was sind die Anforderungen? Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 5 Messstrategien Messdauer vs. Genauigkeit Entwicklung geeigneter Messstrategien Statisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Kinematisches Laserscanning 07.12.2015 Folie 6 Motivation => Aufgabe: Geometrische 3D-Erfassung der Gebäude Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 7 Gliederung • Statisches Laserscanning • Kinematisches Laserscanning • Stop & go Laserscanning • Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 8 Statisches Laserscanning Quelle: Kern (2003) • 3D-Scan von mehreren Standpunkten • Unterschiedliche Koordinatensysteme Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 9 Statisches Laserscanning • 3D-Scan von mehreren Standpunkten => Registrierung der untersch. Koordinatensysteme Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 10 Registrierung von 3D-Einzelscans X j X 0 R 3 ( z ) R 2 ( y ) R1 ( x ) x j R ( x , y , z ) • Rotationswinkel: • Translation: x , y , z X0 X 0 Y0 • Ausgangssystem: x j x • Zielsystem: X j X Z0 T y z Tj Y Quelle: Heunecke, Kuhlmann, Welsch, Eichhorn, Neuner (2013), S. 260 ff. Z j T => Bestimmung der 6 Transformationsparameter Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 11 Registrierung von 3D-Einzelscans Zielzeichenbasiert Softwarebasiert Hardwarebasiert Ebene Zielzeichen: Punktkorrespondenzen: Teilregistrierung: SW-, BW-, Auto-Targets ICP GNSS, Neigungssensoren, Kompass Räumliche Zielzeichen: Objektkorrespondenzen: Komplettregistrierung: Kugeln, Zylinder Kugeln, Ebenen, Zylinder GNSS, TPS, INS Quelle: www.technet-gmbh.de; Paffenholz (2012) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 12 Messstrategien Träger Einzelscan statisch 3D statisch statisch Registrierung zielzeichen- / softwarebasiert hardwarebasiert Messstrategie statisch Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 13 Genauigkeitsbetrachtung 1. Unsicherheit aus Laserscanner Wunderlich et al. (2013), TU München, Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie, Heft 20 2. Unsicherheit aus Registrierung Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 14 Unsicherheit aus Laserscan Temperatur, Luftdruck, … Atmosphäre Farbe, Reflektivität, Rauhigkeit, … Netzkonfiguration Objekt Einfallswinkel, Distanz, … Instrument Zufällige und systematische Abweichungen: => Streckenmessung: Nullpunktabweichung, Maßstab, … => Strahlablenkung: Inorthogonalitäten, Exzentrizitäten, … Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 15 Unsicherheit aus Registrierung => Beeinflusst nur Überlappungsbereich Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 16 Beurteilung der Messstrategien Messdauer statisch mm cm dm m Punktwolkengenauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 17 Anwendungen Deformationsanalysen, kleine Objekte, Detaillaufnahmen, … Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 18 Fazit Statisches Laserscanning • Meistens müssen mehrere Standpunkte nacheinander besetzt werden => zeitaufwändig • Registrierung von kompletten 3D-Punktwolken => Inkonsistenzen nur an den Überlappungsbereichen • Hohe Redundanz bei Registrierung => hohe Genauigkeit => Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen und ohne Zeitbeschränkung Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 19 Gliederung • Statisches Laserscanning • Kinematisches Laserscanning • Stop & go Laserscanning • Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 20 Kinematisches Laserscanning • 2D-Scans von kinematischem Träger • Bewegung während der Aufnahme • Registrierung über Zusatzsensorik Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 21 Beispiel eines kinematischen Trägers MoSES – Uni BW München Quelle: Gräfe (2007) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 22 Kinematische Träger: zu Land, … Topcon Scanable Google Google Finnish Geodetic Institute Sinning Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 23 Kinematische Träger: … zu Wasser … Scanable Finnish Geodetic Institute EUROSENSE Finnish Geodetic Institute Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 24 Kinematische Träger: … und zu Fuß p3dsystems CSIRO Google Trimble Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 25 Beispiel eines kinematischen Trägers Handgetragenes System – Uni Bonn • 2D-Laserscanner Hokuyo UTM-30LX-EW: Impulslaufzeitverfahren, Intensitätswerte, MultiEcho) Zusatzsensorik: • Absolute Sensoren: GPS, Magnetfeldsensor • Relative Sensoren: IMU Quelle: Heinz et al. (2015) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 26 2D-Abtastung und Registrierung • 2D-Profilmessung durch Laserscanner • Kinematischer Träger => Jeder einzelne Scanpunkt 𝐩𝐬 in neuem Sensorkoordinatensystem s • Transformation ins Bodysystem b und anschließend ins übergeordnete Koordinatensystem g g 𝐩g = Tb (t s )Tsb 𝐩𝐬 => Registrierte 3D-Punktwolke (evtl. georeferenziert) => Registrierung von Einzelpunkten 1. Systemkalibrierung (Tsb ) 2. Zeitsynchronisation (𝑡𝑠 ) g 3. Trajektorienschätzung (Tb ) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Quelle: Kuhlmann & Klingbeil (2016) 07.12.2015 Folie 27 Registrierung: Systemkalibrierung • Gesucht: Transformationsparameter Tsb zwischen versch. Sensorkoordinatensystemen s und Bodysystem b => Systemkalibrierung • Siehe auch Vortrag Paffenholz et al. Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Quelle: Kuhlmann & Klingbeil (2016); Heinz et al. (2015) 07.12.2015 Folie 28 Registrierung: Zeitsynchronisation • Jeder Sensor hat eigene Abtastrate 𝑡𝑖 , teilweise nicht konstant => Keine zeitliche Referenz zwischen Messungen Quelle: Kuhlmann & Klingbeil (2016) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 29 Registrierung: Trajektorie Koppelortung mit relativen und absoluten Sensoren GNSS Tachymeter • Trjaketorienschätzung Transformation des Bodysystems b in übergeordnetes Koordinatensystem g g Tb Magnetfeldsensor zur IMU … Filter (Kalman, Partikel, …) 2D-Scans g Tb (t s ) 3D-Punktwolke Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 30 Messstrategien Träger Einzelscan statisch kinematisch 3D statisch 2D kinematisch statisch kinematisch Registrierung zielzeichen- / softwarebasiert hardwarebasiert Messstrategie statisch Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz kinematisch 07.12.2015 Folie 31 Genauigkeitsbetrachtung 1. Unsicherheit aus Laserscanner Wunderlich et al. (2013), Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie, Heft 20 Klingbeil et al. (2014), TLS 2014, Fulda • Oft werden 2D-Profillaserscanner eingesetzt => Unsicherheit aus Laserscanner vergleichbar mit statischem Fall • Falls günstigere (insb. leichtere) Laserscanner eingesetzt werden: schlechtere Genauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 32 Genauigkeitsbetrachtung 2. Unsicherheit aus Registrierung • Jeder Scanpunkt wird einzeln registriert • Durch kinematische Registrierung geringere Redundanz => Genauigkeit und Konsistenz der Punktwolke geringer Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 33 Beurteilung der Messstrategien Messdauer statisch kinematisch mm cm dm m Punktwolkengenauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 34 Beispiel Maschinenhalle: statisch • Registrierung über Zielzeichen (inkl. Georeferenzierung) • Genauigkeit Punktwolke: mehrere Millimeter Quelle Foto: www.leica-geosystems.com Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 35 Beispiel Maschinenhalle: kinematisch • Cloud2Cloud-Vergleich zu statischem Laserscan: Abweichungen < 12cm • Unsicherheit hauptsächlich aus Registrierung: insb. systematische GPSAbweichungen Quelle: Heinz et al. (2015) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 36 Anwendungen Kartierung von Straßen Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 37 Fazit kinematisches Laserscanning • Größere Bereiche können schnell gescannt werden • Registrierung jedes einzelnen 2D-Scanpunktes separat => Ungenauigkeit der Registrierung verursachen Inkonsistenzen in gesamter Punktwolke • Redundanz bei kinematischer Registrierung geringer => Genauigkeit geringer, systematische Abweichungen der Zusatzsensorik lassen sich nur teilweise detektieren => Anwendungen, bei denen Schnelligkeit eine größere Rolle als die Genauigkeit spielt Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 38 Gliederung • Statisches Laserscanning • Kinematisches Laserscanning • Stop & go Laserscanning • Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 39 Messstrategien Träger Einzelscan statisch kinematisch 3D statisch 2D kinematisch statisch kinematisch Registrierung zielzeichen- / softwarebasiert hardwarebasiert Messstrategie statisch stop & go statisch kinematisch Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz kinematisch 07.12.2015 Folie 40 Statisches stop & go Laserscanning Quelle: Kern (2003) • Statische 3D-Scans von kinematischem Träger • Statische Registrierung der Einzelscans Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 41 Anwendungen Erfassung von Fahrbahnoberflächen • Zusatzsensorik: 4 360°-Prismen (Tachymeter) • Höhere Genauigkeit durch Scanning während des Stillstandes Quelle: Heikkilä et al. (2010) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 42 Kinematisches stop & go Laserscanning • Kinematische 2D-Scans von kinematischem Träger • Statische + kinematische Registrierung der Einzelpunkte Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 43 Anwendungen: ProScan von p3d systems Aufnahme von Industrieanlagen: Genauigkeit wenige mm • Kinematische Phasen: 8-10 Sek; Statische Phasen: 3-5 Sek Quelle: www.p3dsystems.com Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 44 Beurteilung der Messstrategien statisch Messdauer statisch stop & go kinematisch kinematisch mm cm dm m Punktwolkengenauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 45 Fazit stop & go Laserscanning • Größere Bereiche können relativ schnell gescannt werden • Auch hier: Registrierung entscheidender Faktor für Genauigkeit der Punktwolke • Genauigkeiten im mm-Bereich erzielbar => mögliche Alternative für statisches Laserscanning => Anwendungen mit relativ hohen Genauigkeitsanforderungen und mit Zeitbeschränkung Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 46 Gliederung • Statisches Laserscanning • Kinematisches Laserscanning • Stop & go Laserscanning • Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 47 Fazit Statisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Kinematisches Laserscanning Messdauer Hauptfaktor: Registrierung! Unsicherheit => Messstrategie anwendungsbezogen wählen Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Christoph Holst & Heiner Kuhlmann Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn Jens-André Paffenholz & Ingo Neumann Geodätisches Institut, Leibniz Universität Hannover Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 49 Literatur • Gräfe, G. (2007): Kinematische Anwendungen von Laserscannern im Straßenraum, Dissertation, Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen • Heikkilä, R., Kivimäki, T., Mikkonen, M., Lasky, T.A. (2010): Stop & go scanning for highways – 3D calibration method for a mobile laser scanning system, 27th International Symposium on Automation and Robotics in Construction IARC 2010 • Heinz, E., Eling, C., Wieland, M., Klingbeil, L. & Kuhlmann, H. (2015): Development, Calibration and Evaluation of a Portable and Direct Georeferenced Laser Scanning System for Kinematic 3D Mapping, J. Appl. Geodesy, 9 (4) • Holst, C. (2015): Analyse der Konfiguration bei der Approximation ungleichmäßig abgetasteter Oberflächen auf Basis von Nivellements und terrestrischen Laserscans, Dissertation, Schriftenreihe des Instituts für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn, Nr. 51 • Kuhlmann, H. & Holst, C. (2016): Flächenhafte Abtastung mit Laserscanning, in: Handbuch Geodäsie, Springer, in Kürze veröffentlicht • Kuhlmann, H. & Klingbeil, L. (2016): Mobile Multisensorsysteme, in: Handbuch Geodäsie, Springer, in Kürze veröffentlicht • Paffenholz, J.-A. (2012): Direct geo-referencing of 3D point clouds with 3D positioning sensors, Dissertation, DGK C 689 • Wunderlich, T., Wasmeier, P., Ohlmann-Lauber, J., Schäfer, T., Reidl, F. (2013): Objektivierung von Spezifikationen Terrestrischer Laserscanner – Ein Beitrag des Geodätischen Prüflabors der Technischen Universität München, Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie, Heft 20 Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz 07.12.2015 Folie 50
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