Aktuelle Entwicklungen zur Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG

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1 Aktuelle Entwicklungen zur Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Wissenschaftlicher Teil der 11. ordentlichen Sitzung der GKGM, Karlsruhe Christoph Holst & Heiner Kuhlmann 15. April 2015 Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 1

2 Radioteleskop Effelsberg Form- und Brennweitenänderungen beeinflussen Signalweg Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 2

3 Elevationsabhängige Verformungen 1. gesamter Hauptreflektor: Variation der Brennweite 90 Elevation: Verflachung = Brennweite wird länger 0 Elevation: Zusammenfaltung = Brennweite wird kürzer 2. lokale Deformationsmuster auf der Oberfläche systematische Residuen von der best-fit Oberfläche Detektion mit Hilfe hochaufgelöster Punktwolke Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 3

4 Messtechnische Umsetzung Leica ScanStation P20 Auftreffwinkel, Sichtbarkeit, Symmetrie, Punktverteilung Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 4

5 Messtechnische Umsetzung Leica ScanStation P20 Auftreffwinkel, Sichtbarkeit, Symmetrie, Punktverteilung Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 4

6 Messkonzept und Vorverarbeitung Messkonzept Scannen der Oberfläche in 7 versch. Elevationen (90,75,60,45,30,15,7.5 ) Pro Scan ca. 500 Mio. Punkte Vorverarbeitung Segementierung, Ausreißereliminierung, Datenreduktion, Entfernung der perforierten Randbereiche Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 5

7 Auswerteansatz g(x i, p) = X i 2 + Yi 2 Z i = 0... Rotationsparaboloid 4f X i = [X i, Y i, Z i ] T... Koordinaten im Paraboloidsystem f... Brennweite X i = R ϕ,y R ϕ,x x i + X v... Transformation x i = [x i, y i, z i ] T... Koordinaten im Scannersystem ϕ x, ϕ y... Rotation X v = [X v, Y v, Z v ] T... Translation p = [X v, Y v, Z v, ϕ x, ϕ y, f ] T... Lage- & Form- Parameter Geodätisches Datum nicht fixiert kein räumlicher Zusammenhang zwischen Elevationen Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 6

8 Vorläufige Ergebnisse Residuals [mm] (75deg) Focal length [m] Elevation angle [deg] Y[m] X[m] Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 7

9 Vorläufige Ergebnisse Residuals [mm] (75deg) Focal length [m] Elevation angle [deg] Y[m] 0 10 systematische Abweichungen des Scanners vorhanden Aussagekraft von Brennweite und Residuen sehr beschränkt X[m] Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 7

10 Vorläufige Ergebnisse Residuals [mm] (75deg) Focal length [m] Elevation angle [deg] Y[m] 0 10 systematische Abweichungen des Scanners vorhanden Aussagekraft von Brennweite und Residuen sehr beschränkt X[m] Nutzung des Radioteleskops zur Kalibrierung Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 7

11 Systematische TLS-Abweichungen Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 8

12 Systematische TLS-Abweichungen = Witte / Schmidt, 2000 Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 8

13 Systematische TLS-Abweichungen = Witte / Schmidt, 2000 Nullpunktabweichung, Maßstab Zielachs-, Kippachs-, Höhenindexabweichung Horizontale / vertikale Exzentrizität der Zielachse Horizontale Exzentrizitäten der Stehachse Exzentrizitäten des horizontalen / vertikalen Teilkreises... Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 8

14 Endgültige Ergebnisse p = [X v, Y v, Z v, ϕ x, ϕ y, f, c, i, h, ε t,1, ε t,2, ε β,1, e z ] T... Lage-, Form- & Kalibrier- Parameter Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 9

15 Endgültige Ergebnisse p = [X v, Y v, Z v, ϕ x, ϕ y, f, c, i, h, ε t,1, ε t,2, ε β,1, e z ] T... Lage-, Form- & Kalibrier- Parameter Residuals [mm] (75deg) Focal length [m] Y[m] Elevation angle [deg] X[m] Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 9

16 Endgültige Ergebnisse p = [X v, Y v, Z v, ϕ x, ϕ y, f, c, i, h, ε t,1, ε t,2, ε β,1, e z ] T... Lage-, Form- & Kalibrier- Parameter Residuals [mm] (75deg) Focal length [m] Y[m] Elevation angle [deg] Kalibrierung erfolgreich?! X[m] Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 9

17 ... Aber... c i h ε t,1 ε t,2 ε β,1 e z [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mm] Kalibrierparameter sind nicht konstant Keine geometrisch interpretierbaren Ergebnisse Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 10

18 ... Aber... c i h ε t,1 ε t,2 ε β,1 e z [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mm] Kalibrierparameter sind nicht konstant Keine geometrisch interpretierbaren Ergebnisse Funktionales Kalibriermodell unzureichend! = Witte / Schmidt, 2000 (bearbeitet) Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 10

19 ... Aber... c i h ε t,1 ε t,2 ε β,1 e z [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mm] Kalibrierparameter sind nicht konstant Keine geometrisch interpretierbaren Ergebnisse Funktionales Kalibriermodell unzureichend! = Dirk Eling, Dissertation, 2009 Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 10

20 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell Wie sieht ein Laserscanner tatsächlich aus? Wie funktioniert die Lasergenerierung? Wie funktioniert die Strahlablenkung? Wie ist die geometrische Realisierung? Welche Effekte können vorliegen und wie wirken diese? Vorwärtsmodellierung Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 11

21 Vorwärtsmodellierung Abweichungen von... Distanzmesseinheit Laser Spiegel Achsen Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 12

22 Vorwärtsmodellierung Distanzmesseinheit Additionskonstante... Laser Horizontale Exzentrizität ev1 Vertikale Exzentrizität ev2 Vertikale Inorthogonalität lv1 Horizontale Inorthogonalität lv2... Spiegel Neigungsabweichung Φ... Achsen Indexabweichung des Vertikalkreises hv Exzentrizitäten der sekundären Rotationsachse eh1 und eh2 Vertikale Inorthogonalität der primären Rotationsachse i1 Horizontale Inorthogonalität der primären Rotationsachse i2... Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 13

23 Vorwärtsmodellierung Distanzmesseinheit Additionskonstante... Laser Horizontale Exzentrizität ev1 Vertikale Exzentrizität ev2 Vertikale Inorthogonalität lv1 Horizontale Inorthogonalität lv2... Spiegel Neigungsabweichung Φ... Achsen Indexabweichung des Vertikalkreises hv Exzentrizitäten der sekundären Rotationsachse eh1 und eh2 Vertikale Inorthogonalität der primären Rotationsachse i1 Horizontale Inorthogonalität der primären Rotationsachse i2... Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 13

24 Horizontale Exzentrizität ev 1 Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 14

25 Neigungsabweichung Φ vergleichbar mit Zielachsabweichung c beim Tachymeter Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 15

26 Vert. Inorthog. der prim. Rot.achse i1 Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 16

27 i1 = 2.5mgon Vert. Inorthog. der prim. Rot.achse i1 = 2.5mgon Tachymetrische Kippachsabweichung i = 2.5mgon Witte / Schmidt, 2000 nicht unmittelbar vergleichbar mit Kippachsabweichung i Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 17

28 Fazit 40 Residuals [mm] (75 deg) Systematische Effekte beim TLS vorhanden Auswirkungen bei vielen Anwendungen nicht vernachlässigbar Y[m] X[m] 40 Residuals [mm] (75 deg) Kalibrierung mit Tachymetermodell nur bedingt möglich Kalibrierfeld Radioteleskop evtl. geeignet Y[m] X[m] Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 18

29 Ausblick 1. Vorwärtsmodellierung der wesentlichen Effekte 2. Rückwärtsmodellierung zur Aufstellung eines Kalibriermodells 3. Kalibrierung anhand eines geeigneten Kalibrierfeldes Konfigurationsanalyse / Schätzbarkeit der Parameter Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 19

30 ! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Christoph Holst Institut für Geodäsie und Geoinformation, Uni Bonn Tel.: 0228/ Holst, Ch., Kuhlmann, H. (2014) Aiming at self-calibration of terrestrial laser scanners using only one single object and one single scan, J. Appl. Geodesy, 8 (4), S Holst, Ch., Tegelbeckers, J., Kuhlmann, H. (2014) Erkennung und Erklärung von systematischen Effekten beim TLS, In: Schriftenreihe DVW, Band 78, Terrestrisches Laserscanning 2014 (TLS 2014), Wißner Verlag, S Holst, Ch., Nothnagel, A., Blome, M., Becker, P., Eichborn, M., Kuhlmann, H. (2015) Improved area-based deformation analysis of a radio telescope s main reflector based on terrestrial laser scanning, J. Appl. Geodesy, 9 (1), S Christoph Holst 15. April 2015 Kalibrierung terrestrischer Laserscanner am IGG Folie 20