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Laserscanning aktueller Stand in Forschung und Entwicklung Karl Kraus Institute of Photogrammetry and Remote Sensing (I.P.F.), Vienna University of Technology www.ipf.tuwien.ac.at Neues gegenüber dem Vorjahr Beispiele vor allem aus dem Pulkauprojekt (N) Gebude und Spezifisches zum Hochgebirge erst am Nachmittag

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Laserscanning � aktueller Stand in Forschung und Entwicklung

Karl Kraus

Institute of Photogrammetry and Remote Sensing (I.P.F.), Vienna University of Technology

www.ipf.tuwien.ac.at

� Neues gegenüber dem Vorjahr

� Beispiele vor allem aus dem Pulkauprojekt (NÖ)

� Gebäude und Spezifisches zum Hochgebirge erst am Nachmittag

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 2

Geo-Referencing

Observations�heights of the control points

�height differences of parallel plane patches calculated from neighbouring points in adjacent strips

Unknowns�heights for all the tie points

�heights for all the control points

�additional parameters for the compensation of the systematic errors

Improvement of the homogeneity in the overlapping areas by a factor between 2 and 4

=> Extension to 3D (with structure line elements) and modelling the flight path, etc.

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Geo-Referencing

�Control Point� = a few tilted planes

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 4

Projekt Pulkautal

Differenzmodell der Laserscanner-Streifen 10 und 11

nach der simultanen Höheneinpassung

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 5

Derivaton of DTMsRobust Linear Prediction

271 control points:

σ = ±18cm

point distance : ~3.1m

σ = ±29cm

point distance: ~1m

=> point density is the most important parameter

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 6

Derivation of DTMs (cont.)Robust linear prediction in a hierarchical approach

a) Creation of a data pyramid (lowest point with its xyz-co-ordinates in a regular grid)

b) DTM generation in the coarse level

c) Coarse DTM with a tolerance band

d) DTM generation in the fine(r) level

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 7

Derivation of DTMs (cont.)

Laser scanner data with the gaps after the elimination of theoff-terrain points

Kamptal in NÖ, Department of WaterManagement, Hydrology and Hydraulic EngineeringBOKU - University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna)

Quality Overlays� distance between each grid point and the next point of the original data set

� variances in small cells derived from the differences between the elevation of the original points and the elevation of the DTM at the same locations

� the density of the points also in this small cells

� σ in each grid point

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 8

Projekt Pulkautal

[Punkte/m2] [Punkte/m2]

Punktdichte der original Laserscanner-Punktwolke

Punktdichte der Bodenpunkte

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 9

Projekt Pulkautal (cont.)

Abstandsmodell für die Bodenpunkte

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Projekt Pulkautal (cont.)

Mittlere Residuen zwischen Laserpunkten und DGM

ursprüngliche Laserpunkte Bodenpunkte

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Projekt Pulkautal (cont.)

Manuelle photogrammetrischeDatenerfassung

Photogrammetrisches DGM

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 12

Projekt Pulkautal (cont.)

Laserscanner-DGM Orthophoto

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 13

Projekt Pulkautal (cont.)

� Photogrammetrie �Modell-Patches�

� Scanlag in ALS

� Kanten in Photogrammetrie

� Kleinformen in ALS

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 14

Accuracy and Geomorphologic Quality of Laser Scanner DTMs

Empirical elevation accuracy of LaserScan DTM

tanα . . . Terrain slopen . . . Average number of points per square meter

[ ]

⋅+±= ασ tan1206n

cmz

For flood risk area the accuracy of the positionof the border of predicted flood is of central interest:

ασσ

tanz

xy =

e.g. σz = +/- 12 cm σxy = +/- 25 m ! (tan α = 5%o)

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 15

Accuracy and Geomorphologic Quality of Laser Scanner DTMs (cont.)

Flood risk area (project of the Lower-Austrian Govermental Administration)

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 16

Geomorphologic Quality of Laser DTMs� only a point cloud� point density is the important parameterWavelike surfaces with a minimal wave length Lmin

Scanning theorem

∆ ≈ Lmin/3

Derivation of breaklines from the point cloud

minimal crown width Bmin

∆ ≈ Bmin/2

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 17

Surface Break Lines

Hybrid DTM consisting of a regular raster with 3D vectors

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Surface Break Lines (cont.)

How to get the relevant 2D break lines?

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 19

Surface Break Lines (cont.)

Automatic procedure: rain simulationSemiautomatic procedurea. Manual digitization as 3D lines in photogrammetic stereomodels

Almtal

Upper-Austria

Govermental

Administration

BEV: The entire territory of Austria* image scale 1:15 000, 21 cm camera* σz = +/- 45 cm (too bad)* σxy = +/- 25 cm (good enough)

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 20

Data Reduction

� The very high density of points is a great advantage for improving the quality

� but there are difficulties in the data management.

Derivation in each grid point of the dense DTM:

� radius R of the curvature

� slope tanα

� allowable distance E in order to keep dZ less than threshold dZmax

Idea of progressive sampling

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 21

Data Reduction (cont.)

Small example

Wienerwald

MA 41 der

Stadtverwaltung

Wien

Typical example

� 4 millions of grid points

� user defined threshold dZmax = 25cm

� 1.3 million of the reduced points

� 4.75 minutes on a 2 GHz computer including the output in ASCII

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 22

Monitoring Flooding Catastrophes

Monoplotting

Different types of images, geo-referenced by GPS and IMU:

� Digital frame camera

� One-line scanner

� Three-line scanner

� Amateur camera (with oblique axes)

� Microwave sensors (for extreme weather conditions in flooding periods)

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 23

Monitoring Flooding Catastrophes (cont.)

Scenario� Actual water level and the 3D border lines of the

flood, corresponding to the time when the images have been taken

� Based on short-term prognoses of precipitation,prediction of the rise in water level

� Increase of the actual water level by the predicted rise ⇒ Surface at the predicted water level

� Intersection of the surface of the predicted water level with the precision DTM

⇒ Areas at immediate risk can be plotted

⇒ Catastrophe management can take important decisions and can inform those affected.

A vision: After taking the images final results within one day

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Additional Features Relevant to Hydraulics and Hydrology

Model without structure lines:- grid width: 50 m- 55.000 points

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 25

Additional Features Relevant to Hydraulics and Hydrology (cont.)

Hydrological analysis:- drainage

dark-blue: valleylight-blue: watershed

developed by:

Rieger W.

Gajski D.

Molnar L.

Dorninger P.

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 26

Additional Features Relevant to Hydraulics and Hydrology (cont.)

Hydrological analysis:- lakes (depressions)- rivers

⇒ structure lines

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Valles Marineris on the Mars:-10° x 10° = 593 x 593 km-grid width: 463 m / Pixel

Mars Global Surveyor (NASA)1997 � 2001

MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter)

330 m point distances in profiles

Additional Features Relevant to Hydraulics and Hydrology (cont.)

orthophotoz-coding

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 28

Additional Features Relevant to Hydraulics and Hydrology (cont.)

Valles Marineris on the Mars:- 10° x 10° = 593 x 593 km- grid width: 463 m / Pixel

river analysisorthophotoz-coding

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 29

Additional Features Relevant to Hydraulics and Hydrology (cont.)

Valles Marineris on the Mars:- 10° x 10° = 593 x 593 km- grid width: 463 m / Pixel

depressionsriver analysisorthophotoz-coding

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Karl Kraus Laserscanning - aktueller Stand in Forschung und Entwicklung 30

Additional Features Relevant to Hydraulics and Hydrology (cont.)

Perspective view:

- z-coding

- MOC � orthophoto

- lakes and rivers