Terrestrisches Laserscanningwebarchiv.ethz.ch/geometh-data/student/sensorik/200506_Vorlesungen/10... · 2 7/ 47 Institut für Geodäsie and Photogrammetrie – ETH Zürich Einführung

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Geodätische Sensorik Zürich, 30. Januar 2006

Terrestrisches

Laserscanning

Thorsten Schulz

Zürich, 30. Januar 2006Institut für Geodäsie and Photogrammetrie – ETH Zürich

Theorie

• Einführung

• Übersicht Terrestrische Laserscanner

• Geräteuntersuchungen

• Anwendungsbeispiele------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Praxis

• Scannen mit „Imager 5003“ von Zoller+Fröhlich

• Auswerten mit Cyclone von HDS Leica-Geosystems

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Institut für Geodäsie and Photogrammetrie – ETH Zürich

Gliederung

Terrestrisches Laserscanning

Geräte-untersuchungen

Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung

Zürich, 30. Januar 2006

Laserscanning (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Definition:• Eine Methode der Geodäsie, bei der Objekte mit Hilfe von punktweisen

Entfernungsmessungen erfasst werden. Es gibt terrestrisches Laserscanning, bei dem ein Messgerät Kontakt zur Erdoberfläche hat. Und es gibt flugzeuggetragenes Laserscanning, bei dem die Sensoren in einem Flugzeug oder Hubschrauber (und Satelliten) installiert werden.

flugzeuggetragenes (airborne) Laserscanning• seit den 80er Jahren• für Geländemodelle / Oberflächenmodelle (Genauigkeiten > 1cm)• LiDAR (LIght Detection And Ranging)

terrestrisches Laserscanning• seit den späten 90er Jahren• aufgrund der Technologie-Fortschritte der letzten Jahre (Scan-

Geschwindigkeit, Genauigkeit, Rechnerleistung, …) heute interessant für Anwendungen in der Ingenieurgeodäsie

• für verschiedene Anwendungen (Genauigkeiten < 1cm)

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Einführung (1)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



FunktionsprinzipLaserstrahl fungiert als Trägerwelle, die

• von Laserquelle (z.B. Diode) emittiert,• an Objekten reflektiert und• in Empfangseinheit ausgewertet wird

Auf Trägerwelle werden Frequenzen aufmoduliert (Modulationsfrequenzen), die Signalinformationen enthalten (analog zur „klassischen Distanzmessung“ mittels EDM).

Techniken der Distanzmessung• optische Triangulation (bis wenige Meter, Genauigkeit <1mm)• Phasendifferenz (bis ca. 100m, Genauigkeit <1cm)• Time of Flight ( bis ca. 1km, Genauigkeit: [mm] bis [cm])

Distanzmessung beeinflusst den Anwendungsbereich

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Einführung (2)


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Distanzmessung

Reflektorlose Distanzmessung auf natürliche Objekte (keine Reflektoren oder Prismen mit Totalreflexion)(meist) keine internen Mehrfachmessungen, sondern Einzelmessungen (single shots)Geschwindigkeit der Distanzmessung limitiert die Frequenz des Scannens:

Time of Flight: relativ langsam, keine hohe Scanfrequenz (unter 50.000 Messungen pro Sekunde, teilweise „nur“ ca. 2.000 Hz)Phasendifferenz: recht schnell, hohe Scanfrequenz (über 100.000 Messungen pro Sekunde möglich)

Genauigkeit der Distanzmessung abhängig vom Signal-Rausch-Verhältnis (Intensität des reflektierten Laserstrahls), beeinflusst von

Distanz („Intensität umgekehrt proportional zur Distanz zum Quadrat“)

Auftreffwinkel (da keine Totalreflektionen wie bei Prismen)Objekteigenschaften (Rauhigkeit, Farbe, Material, …)

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Einführung (3)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Winkelmessung

Encoder definieren den Scan-Abstand (Sampling Interval).Kann von Operator meist selber gewählt werden – und muss nicht in horizontaler und vertikaler Richtung identisch sein.zeitunkritisch (eine Encodermessung nimmt bedeutend weniger Zeit ein als eine Distanzmessung)„genauigkeitsunkritischer“ als die Distanzmessung (lediglich abhängig von der Auflösung des Encoders – unabhängig von äusseren Einflüssen und Objekteigenschaften)

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Einführung (4)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


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Einführung (5)


Prinzipien des Scannens

Unterteilung in zwei grosse Gruppen• „Camera“ – Scanner

• „Panorama“ – Scanner

Camera – Scanner• begrenztes Field of View (analog einer Kamera)

• Optik / Ablenkspiegel bewegen sich um zwei senkrecht stehende Achsen (aber keine Rotation!)

Panorama – Scanner• Field of View nur durch Bauweise / Konstruktion beschränkt

• Optik / Ablenkspiegel rotieren (!) um zwei senkrecht stehende Achsen


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Praktisches Vorgehen

Aufnahme (analog zur „traditionellen“ Photogrammetrie)• Vorbereiten der Aufnahme (Standpunkte, Passpunkte, etc.)• Messen / Scannen des Objektes von meist mehreren Standpunkten• Verknüpfung der Scans von den verschiedenen Standpunkten

(Registrierung)

Registrierung• Verknüpfungspunkte (natürlich oder künstlich)• Verknüpfungsobjekte (bereits modelliert)• überlappende / sich überschneidende Punktwolken

Auswertung & 3D - Modellierung• Ableitung mathematischer Informationen (Volumen-, Massen- und

Abstandberechnungen• 3D - Modellierung (inkl. texture mapping)

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Einführung (6)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Laserscanning bedeutet:• Laserscanner + 3D-Auswertesoftware

Vorteile:• hohe Messgeschwindigkeit• hohe Punktdichte• flächenhafte Erfassung• 4D-Koordinaten (x,y,z plus Intensitätswert)

Nachteile:• teure Technologie (Hardware + Software)• keine direkte Erfassung markanter Punkte• hoher Zeitaufwand beim Modellieren (Postprocessing)

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Einführung (7)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


HDS Leica Geosystems (Schweiz)

Produkte-Familie• HDS 2500• HDS 3000• HDS 4500

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Übersicht Terrestrische Laserscanner (1)


Spezifikationen

Reichweite: ~100mGenauigkeit: ±6mm (<50m)Geschwindigkeit: 1000 pixel/sec

Spezifikationen

Reichweite: ~100mGenauigkeit: 6mmGeschwindigkeit: 1800 pixel/sec

Spezifikationen

vgl. Z+F (Imager 5003)


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


HDS Leica Geosystems (Schweiz)

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Übersicht Terrestrische Laserscanner (1a)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Riegl (Österreich)

Produkte-Familie• Imaging-Sensors• Profiler-Sensors

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Spezifikationen

Reichweite: ~800mGenauigkeit: ~1cmGeschwindigkeit: 12.000 pixel/sec

Spezifikationen


Spezifikationen

Reichweite: ~15mGenauigkeit: ~5mmGeschwindigkeit: 24.000 pixel/sec


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


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Riegl (Österreich)

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Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Mensi (Frankreich)

Produkte-Familie• S-Serie (optische Triangulation)

S10, S25• GS-Serie (Time of Flight)

GS100, GS200• GX-Serie

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Spezifikationen

Reichweite: ~200mGenauigkeit: ~1cmGeschwindigkeit: 5000 pixel/sec

Spezifikationen

Reichweite: <350mGenauigkeit: ~1cmGeschwindigkeit: 5000 pixel/sec


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Mensi (Frankreich)

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Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Zoller+Fröhlich (Deutschland)

Produkte-Familie• Profiler Sensors• Imaging Sensors

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Geschwindigkeit: 33 rps

Spezifikationen


Geschwindigkeit: 900 rps


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Zoller+Fröhlich (Deutschland)

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Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


iQSun (Deutschland) – bzw. FARO

Produkte-Familie• FARO LS 880 HE80

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Spezifikationen



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


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Optech (Kanada)

Produkte-Familie• ILRIS-3D

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Spezifikationen



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Optech (Kanada)

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Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Nahbereichsscanner

MensiMinoltaSteinbichler u.a.

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Spezifikationen

Reichweite: 0.6-1.2mScan Area: max. 1.3 x 1.1 mGenauigkeit: ~1mmGeschwindigkeit: 0.3 - 2.5 sec/scan

Spezifikationen



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



22 / 47Terrestrisches Laserscanning


Nahbereichsscanner


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Laserscanner „Imager 5003“ von Zoller+Fröhlich

Distanzmesssystem• static mode• scanning mode• long-run stability• Auftreffwinkel• verschiedene Materialien

Encoder- / Winkelmesssystem

Instrumentenfehler• Exzentrizität Scanzentrum• Taumelfehler• Ziel- und Kippachsenfehler

Für hohe Genauigkeitsansprüche (Ingenieurvermessung) Kenntnis über Genauigkeiten und Instrumentfehler notwendig


Geräteuntersuchung (1)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Laserscanner „Imager 5003“ von Zoller+Fröhlich

Funktionsprinzip

• Rotation um zwei Achsen (Panorama-Scanner):• Aufnahme von Profilen (vertikal und horizontal), Camera-Scans und

Panorama-Scans• Für jeden Messpunkt: 3D-Koordinaten plus Intensitätswert• Reichweite: bis max. 56m• Geschwindigkeit: bis max. 625.000 Punkte/sec• Scannen in verschiedenen Auflösungs-Modi (sampling interval)





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


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Distanzmesssystem

• Phasenvergleichsverfahren

• Trägerwelle mit λ = 780 nm

• Auflösung der Mehrdeutigkeiten (Ambiguities) mittels zweier Grobfrequenzen (je nach ausgewähltem Messbereich):

• bis 25.2 m: Wellenlänge λ ∼ 54 m (Messbereich „Close“)• bis 53.5 m: Wellenlänge λ ∼ 108 m (Messbereich „Far“)

• Verbesserung der Grobdistanz über eine Feinfrequenz bis auf wenige Millimeter Genauigkeit:

• Wellenlänge λ ∼ 6.7 m





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Distanzmesssystem – „static mode“

Versuchsaufbau• Kalibrier-Messbahn (52m)

liefert Sollwerte (Interferometer)• Vergleich von Solldistanzen

mit gemessene Distanzen• Zieltafel: weisse Tafel mit

schwarzer Skala

Ergebnisse• Abweichungen innerhalb 10mm• mögliche systematische Effekte:

AdditionskonstanteMassstäbe (positives und negatives Vorzeichen)fehlerhafte Werte in der “look up table”





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Distanzmesssystem – „scanning mode“

Versuchsaufbau• äquivalent zu static mode• Zielobjekt: kalibrierte Kugeln

Durchmesser Kugel 1: 12cm Durchmesser Kugel 2: 15cm

Ergebnisse (höchste Scan-Auflösung)• Abweichungen innerhalb 10mm• Additionskonstante (ca. 4mm)• Distanzen zu Kugeln mit

“fixed” diameter besser als “free” diameter

Kugeln gut verwendbar bis 15m





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Distanzmesssystem – „long-run stability“

Versuchsaufbau• Scan- Modus: static• bekannte Distanzen• Beobachtungsdauer: 3h




Ergebnisse• zeit- (temperatur-) abhängiges

Verhalten• Differenzen bis zu 1cm


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Distanzmesssystem – Auftreffwinkel

Intensität (I) des reflektierten Laserstrahls beeinflusst von:

• Distanz ( I ~ 1/s2 )• Auftreffwinkel (vgl. Lambert- Gesetz)• Materialeigenschaften (Farbe, Rauhigkeit, etc.)

Das Signal-Rausch-Verhältnis ist entscheidend für die Genauigkeit der Distanzmessung

Untersuchungen des Einflusses des Auftreffwinkels

• weisse Zieltafel mit speziellem Teilkreis um spezifische Winkel drehbar

Differenzen steigen an mit abnehmendem Auftreffwinkel





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Distanzmesssystem – Verschiedene Materialien

Untersuchte Materialien

Styropor (Dicke von 2 cm und 5 cm)HolzMetallWeisse Zieltafel (als Referenzziel)

Ergebnisse:

Systematische Effekte• Styropor: durchlässig (bis

zu 1.5 cm – abhängig von Rauhigkeit und Körnung)

• Metall: bis ca. 35 m Intensität zu hoch für genaue Messungen

Nahezu gleiche Ergebnisse für Holz und die weisse Zieltafel





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


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Encoder - / Winkelmesssystem

Versuchsaufbau• 3D-Trajektorie der Kalibrier-Messbahn (genau bekannt)• unabhängig von Distanzgenauigkeit • Zielobjekt: kalibrierte Kugeln• Vergleich von 3D-Position der Kugel (Zentrum) zu Sollposition

der Kalibrier-Messbahn

Ergebnisse (höchste Scan-Auflösung)• Abweichungen bis 15m innerhalb von 2mm





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Instrumentenfehler – Exzentrizität Scanzentrum

Zu beachten bei Wiederholungsmessungen vom gleichen Beobachtungspunkt (vgl. Deformationsanalyse)

3 Arten:Exzentrizität des Scannerfusses

• Richtung zum Zentrum des Zylinders mit Sollrichtungen vergleichen

Exzentrizität der Rotation (in Horizontalebene)• Beobachten eines Zieles auf Scanner (Ergebnis: Kreis!)

Exzentrizität des Distanzmesssystem• Lage-Passpunktfeld (Bestimmung des Standpunktes und Vergleich mit

Sollkoordinaten)





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Instrumentenfehler – Taumelfehler (1)




Laserscanner als geodätisches Instrument (wie z.B. Tachymeter) ansehen

Versuchsaufbau

22iii yxs +=

∑=

=n

iisn

v1

1

ii svt −=

Leica Nivel 20 auf ScannerScanner um Stehachse gedrehtMessung der Neigungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen (x,y)Berechnung des Taumelfehlers (t) aus den Neigungsmessungen (x,y)

s – momentane Stehachsenschiefe

v – mittlere Stehachsenschiefe

t – Taumelfehler bei Position i


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



Behandlung des Taumelfehlers als harmonische Schwingung

Fourier Transformation zeigt die Parameter auf• Amplitude, Phasenwinkel, Frequenz und Trend

(Trend gibt die Stehachsenschiefe an)• Frequenz mit der grössten Amplitude repräsentiert den

Taumelfehler

3 Messreihen wurden beobachtet mit einem verschobenen Anfangswinkel von 60°





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



Ergebnisse:

Stehachsenschiefe näherungsweise konstantAmplituden nicht konstantPhasenwinkel korrelieren nicht mit dem verschobenen Anfangswinkel von 60° und sind nicht konstantEinfluss in einer Distanz von 60 m ca. 1 cm

Vermutung: Einfluss des Ungleichgewichts verursacht Deformationen des Dreifusses

Zur Verifizierung: Wiederholung der Untersuchung

Scanner auf stabilem Untergrund (Granitplatte) montiert




5kgGeräte-untersuchungen

Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



Ergebnisse der neuen Untersuchungen

Stehachsenschiefe konstantAmplituden konstantPhasenwinkel konstantEinfluss in einer Distanz von 60 m: auch ca. 1 cm

Taumelfehler nur reproduzierbar, wenn der Scanner auf stabilem Untergrund montiert ist





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


7

Instrumentenfehler

weitere Fehlereinflüsse:ZielachsenfehlerKippachsenfehler

Problem: Bei Tachymetern bekannte Messverfahren (z.B. Messung in zwei Lagen)für Laserscanner: analog anzuwenden bzw. spezielle Messanordnungen und Untersuchungen entwickeln





Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Anwendungen

Cultural Heritage (Kulturerbe, Denkmalschutz)Plants (Fabrikanlagen, meist Raffinerien – „Digitale Fabrik“)Reverse Engineering (Flächenrückführung, Nachbau):

• z.B. Automobil-, Flugzeug- und Schiffbau

Engineering Surveying• Deformationsanalyse: Tunnel, Staumauer, etc.• Massen-/ Volumenberechnungen (Erdbau)

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Anwendungsbeispiele



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Praktisches Vorgehen

Vorüberlegungen:• Was soll aufgenommen werden• Welche Punktdichte ist erforderlich• Welche Aufnahmeentfernungen sind sinnvoll• Welche Genauigkeiten sollen erreicht werden

Aufnahmesituation + Scannen:• Auswahl der Standpunkte• Auswahl von Verknüpfungspunkten („Registrierung“)

Auswerten + Modellieren• Registrierung durchführen• Punktwolken bearbeiten (manuell)• Modellierung / Berechnungen


Anwendungsbeispiele (1)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Beispiel: Cultural Heritage (Kapelle)

Aufnahmesituation

Planung Stand- und Verknüpfungspunkte(evtl. tachymetrische Einmessung der Verknüpfungspunkte – wenn Bezug zu vorhandenen Koordinatensystemen erforderlich)


Anwendungsbeispiele (1a)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



TachymetermessungenBestimmung eines Bezugssystem –evtl Einbindung in bestehende (Landes-) Systeme

Durchführung der Scans


Anwendungsbeispiele (1b)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



Bearbeiten der Scans (Punktwolken)


Anwendungsbeispiele (1c)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


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Bearbeiten der Scans (Punktwolken)


Anwendungsbeispiele (1d)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung



3D-Modellierung (plus „texture mapping“)


Anwendungsbeispiele (1e)



Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung




Beispiel: Ingenieurvermessung (Tunnel)

Vorgehen: analog zum vorigen Beispiel (Kapelle)pro Standpunkt Fein-Scans der Verknüpfungspunkte (Kugeln) und des Tunnels (Panoramascan)Standpunkte dicht zusammen: ca. 10m (Auftreffwinkel!)insgesamt: 11 Standpunkte plus Tunnelportale

Anwendungsbeispiele (2)


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung




Beispiel: Ingenieurvermessung (Tunnel)

Registrierung

3D-Punktwolke

Anwendungsbeispiele (2a)


Anwendungsbeispiele

Übersicht TLS

Einführung


Praxis

• Scannen mit „Imager 5003“ von Zoller+Fröhlich

• Auswerten mit Cyclone von HDS Leica-Geosystems




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