Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning auf die Parameterschätzung deformierter Flächen
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- Jakob Grosse
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1 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning auf die Parameterschätzung deformierter Flächen 17. Internationaler Ingenieurvermessungskurs in Zürich Christoph Holst & Heiner Kuhlmann 17. Januar 214 Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 1
2 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Ziel: Aufdeckung elevationsabhängiger Oberflächenveränderungen Auswirkung: verbesserte VLBI-Analysen Scannen der Oberfläche in 7 versch. Elevationen Pro Scan ca. 35 Mio. Punkte Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 2
3 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Ergebnisse 1. Residuen: lokale Deformationen 2. Brennweiten: globale Deformation Christoph Holst 17. Januar w[mm] 1 y[m] Auswertung jeder Punktwolke 1. Ausreißereliminierung 2. Ausd unnung auf ca. 5, Punkte (Raster) 3. Approximation eines Rotationsparaboloids x[m] 2 Einfluss der r aumlichen Punktverteilung beim Laserscanning 4 1 Folie 3
4 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Auswertung jeder Punktwolke 1. Ausreißereliminierung 2. Ausdünnung auf ca. 5, Punkte (Raster) 3. Approximation eines Rotationsparaboloids Ergebnisse 1. Residuen: lokale Deformationen 2. Brennweiten: globale Deformation Brennweite [m] Elevation [ ] Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 3
5 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Auswertung jeder Punktwolke 1. Ausreißereliminierung 2. Ausdünnung auf ca. 5, Punkte (Raster) 3. Approximation eines Rotationsparaboloids Ergebnisse 1. Residuen: lokale Deformationen 2. Brennweiten: globale Deformation Brennweite [m] Elevation [ ] Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 3
6 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Auswertung jeder Punktwolke 1. Ausreißereliminierung 2. Ausdünnung auf ca. 5, Punkte (Raster) 3. Approximation eines Rotationsparaboloids Ergebnisse 1. Residuen: lokale Deformationen 2. Brennweiten: globale Deformation Brennweite [m] Elevation [ ] Warum Bias? Warum Variationen im Bias? Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 3
7 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Analyse der Punktverteilung komplette Punktwolke ausgedünnte Punktwolke Sehr hohe Punktdichte im Zentrum automatische Gewichtung dieser Bereiche Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 4
8 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Analyse der lokalen Deformationen 9 Elevation 3 Elevation Größenordnung lokaler Deformationen variabel Positionen lokaler Deformationen variabel Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 5
9 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg Analyse der lokalen Deformationen 9 Elevation 3 Elevation Punktverteilungen gewichten Deformationen Bias Variierende Position der Deformationen verändert diese Gewichtung Variationen im Bias Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 5
10 Motivation Deformationsuntersuchungen am Radioteleskop Effelsberg lokale Deformationen im Zentrum großer Unterschied in Punkdichte größerer Bias lokale Deformationen am Rand geringer Unterschied in Punktdichte kleinerer Bias Brennweite [m] Elevation [ ] Die Messgeometrie, insb. die räumliche Punktverteilung, verfügt über Bias der Parameterschätzung, wenn lokale Deformationen vorhanden sind Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 6
11 Motivation Übertragung auf die Allgemeinheit Ersatzproblem Abtastung einer deformierten Oberfläche Positionen, Formen und Größen lokaler Deformationen unbekannt Punktlage und -genauigkeit abhängig von Messgeometrie Ziel: Parametrisierung abgetasteter Oberflächen Y [m] Y [m] Die Messgeometrie, insb. die räumliche Punktverteilung, beeinflusst die Parameterschätzung Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 7
12 Gliederung 1) Mathematische Analyse der Situation 2) Optimierung der Parameterschätzung 3) Ausblick auf weitere Strategien 4) Fazit Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 8
13 1) Mathematische Analyse der Situation 2) Optimierung der Parameterschätzung 3) Ausblick auf weitere Strategien 4) Fazit Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 9
14 2D-Beispiel: Gerade Flächenapproximation Beobachtungen: l = [s 1,t 1,...,s n,t n ] T Parameter: p = [m,b] T Funktionsgleichung: m s sin(t) +b = s cos(t) }{{}}{{} x y Σ ll = σ 2 s,1 σ 2 t... σ 2 s,n σ 2 t σ s,i =.5mm+.1mm/m s i σ t = 125µrad 8mgon Y [m] Genauigkeit [mm] s t Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 1
15 Flächenapproximation Parameterschätzung über strenges Gauß-Helmert Modell Zielfunktion f(l,p) : m s sin(t)+b s cos(t) = Linearisierte Zielfunktion B (v ˆv)+A (p ˆp)+f(l+ˆv,ˆp) = Jacobi-Matrizen A = f p l+ˆv,ˆp B = f l l+ˆv,ˆp Widersprüche Parameterschätzung Verbesserungen Update [ k ˆp w = B ˆv+f(l+ˆv,ˆp) ] = [ BΣll B T A A T ˆv = Σ ll B T k ˆp = ˆp+ ˆp ] 1 [ w ] Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 11
16 Einfluss der Deformation Vorhandene Deformation von.5m Y [m] Y [m].5 Y [m] Unterschied: signifikant Schätzungen: nicht reproduzierbar Einfluss der Deformation abhängig von Messgeometrie Messgeometrie verfügt über Netzkonfiguration des Ausgleichs Analyse der Netzkonfiguration zur Ursachenklärung Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 12
17 Analyse der Netzkonfiguration Redundanzanteile r i Σ vv = g(a,b,σ ll ) Redundanzanteile: r i = [ Σ vv Σ 1 ll Kontrollierbarkeit einer Beobachtung: r i,s und r i,t ] i,i Redundanzanteile abhängig von... Punktverteilung Objektgeometrie Varianzen für Strecke und Winkel Einflussfaktoren h i Einflussfaktoren: h i = 1 r i Einfluss einer Beobachtung: h i,s und h i,t Einfluss eines Punktes: h i,st = h i,s +h i,t Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 13
18 Einfluss der Deformation Y [m] 2 Y [m] h i,s + h i,t 1.15 h i,s + h i,t Anteil Punkteinfluss... 5m 15m außerhalb Deformation 92% 63% innerhalb Deformation 8% 37% Wie ist mit dem Einfluss der Deformation umzugehen? Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 14
19 Mathematische Analyse der Situation Wie ist mit dem Einfluss der Deformation umzugehen? Berücksichtigung systematischer Abweichungen im funktionalen Modell Einfluss der Deformation abhängig von Messgeometrie Messgeometrie verfügt über Netzkonfiguration des Ausgleichs Idee: Optimierung der Netzkonfiguration zur Relativierung des Einflusses der Deformation Gauß-Helmert Modell Punktverteilung Punktausdünnung Varianzen Korrelationen Objektgeometrie Balancierung Robuster Ausgleich L1-norm RANSAC Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 15
20 Mathematische Analyse der Situation Wie ist mit dem Einfluss der Deformation umzugehen? Berücksichtigung systematischer Abweichungen im funktionalen Modell Einfluss der Deformation abhängig von Messgeometrie Messgeometrie verfügt über Netzkonfiguration des Ausgleichs Idee: Optimierung der Netzkonfiguration zur Relativierung des Einflusses der Deformation Gauß-Helmert Modell Punktverteilung Punktausdünnung Varianzen Korrelationen Objektgeometrie Balancierung Robuster Ausgleich L1-norm RANSAC Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 15
21 1) Mathematische Analyse der Situation 2) Optimierung der Parameterschätzung 3) Ausblick auf weitere Strategien 4) Fazit Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 16
22 Punktausdünnung Originale Punktwolke Punktverteilung abhängig von Messgeometrie Ausgedünnte Punktwolke Punktabstand gerastert (entlang Fläche) Rastergröße = maximaler Punktabstand benachbarter Punkte Y [m] Y [m] Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 17
23 Optimierung der Parameterschätzung 1.7 h i,s + h i,t 1.7 h i,s + h i,t Anteil Punkteinfluss... 5m 15m außerhalb Deformation 79% 79% innerhalb Deformation 21% 21% Unterschied Parameter: nicht signifikant Schätzungen: reproduzierbar Y [m] Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 18
24 1) Mathematische Analyse der Situation 2) Optimierung der Parameterschätzung 3) Ausblick auf weitere Strategien 4) Fazit Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 19
25 Ausblick auf weitere Strategien Gauß-Helmert Modell Punktverteilung Punktausdünnung Varianzen Korrelationen Objektgeometrie Balancierung Robuster Ausgleich L1-norm RANSAC Total Standard Deviation [mm] Y [mm] 5 5 Z [m] 5 1 Y [m] Z [m] Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 2
26 Ausblick auf weitere Strategien Deviation [mgon] Deviation [mgon] Deviation [mm] Vertical Angle ˆΘ Station No. Horizontal Angle ˆΦ Station No. Distance ˆD Station No. Deviation [mgon] Deviation [mgon] Deviation [mm] Vertical Angle ˆΘ Station No. Horizontal Angle ˆΦ Station No. Distance ˆD Station No. Original, Punktausdünnung, Korrelationen, Balancierung Original, L1-norm, RANSAC Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 21
27 1) Mathematische Analyse der Situation 2) Optimierung der Parameterschätzung 3) Ausblick auf weitere Strategien 4) Fazit Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 22
28 Fazit Ausgangssituation Parameterschätzungen auf Basis von Laserscans deformierter Oberflächen unterliegen einem Bias und sind nicht reproduzierbar Bias: Deformationen = systematische Abw. im funktionalen Modell Reproduzierbarkeit: Gewichtung Deformation Punktverteilung Erhöhung der Reproduzierbarkeit Manipulationen im kleinste Quadrate Ausgleich z.b. Punktausdünnung, Einfügung von Korrelationen Verringerung des Bias Robuste Ausgleichungen Finden und Löschen deformierter Punkte Parametrisierung der Deformationen Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 23
29 ! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Christoph Holst & Heiner Kuhlmann Institut für Geodäsie und Geoinformation, Uni Bonn Tel.: 228/ Christoph Holst 17. Januar 214 Einfluss der räumlichen Punktverteilung beim Laserscanning Folie 24
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