WP Laserscanning. Vorlesung. Wilfried Korth

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1 WP Laserscanning Vorlesung Wilfried Korth HINWEIS: Das nachfolgende Skript soll die Vorlesung unterstützen. Es ist nicht auszuschließen, dass sich noch Fehler eingeschlichen haben. Ich bin für Hinweise zu solchen Fehlern aber auch für andere Anmerkungen und Verbesserungsvorschläge dankbar.

2 INHALTSVERZEICHNIS 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Erfassung von Bauwerken Handaufmaß Polaraufnahme Laserscanning Photogrammetrie Reflektorlose Entfernungsmessung Reflexion Einfluss von Zielgeometrie und Einfallswinkel Einfluss der Materialeigenschaften Einfluss der Atmosphärischen Bedingungen Laserscanner Abtastung Abtastung durch Servomotoren Abtastung durch Planspiegel Andere Abtastsysteme Gesichtsfeld Produktübersicht Arbeit mit dem Cyrax-Laserscanner (Leica HDS2500) Technische Daten Scannen mit dem HDS ScanControl-Grundfunktionen Erkennen von Targets Setzen eines Vertex ( natürlicher Passpunkt) Registrierung

3 2 ERFASSUNG VON BAUWERKEN 3 1 Einleitung Ende der 90er Jahre erhielt das Verfahren des terrestrischen Laserscannings Einzug in das Vermessungswesen. Anfangs nur im Nahbereich einsetzbar, kann inzwischen auch ein Entfernungsbereich von mehreren hundert Metern erfasst werden. Die Methode lässt sich weitgehend automatisieren und bildet eine ausgezeichnete Ergänzug zur terrestrischen Photogrammetrie. Inzwischen laufen eine Vielzahl von Entwicklungen, um auch die Datenweiterverarbeitung, vor allem die Modellierung, zu verbessern und auch zu automatisieren. 2 Erfassung von Bauwerken Ein Bauwerk ist (vereinfacht) ein künstliches von Menschenhand erbautes Objekt, das fest mit dem Erdboden verbunden ist und eine begrenzte Ausdehnung hat. Die Gründe, ein Bauwerk zu erfassen (untersuchen, vermessen, dokumentieren) können vielfältigsein: Überwachung baulicher Veränderungen Bestandspläne für Verkauf oder Wertermittlung zum Zweck der Bauforschung oder Denkmalpflege Die Erfassung von Bauwerken kann erfolgen als: Topografische Vermessung Darstellung in Karten bzw. topografischen Informationssystemen (Grundriss, Außenmaße). Maßstäbe kleiner 1:1000. Gebäudevermessung Einmessung von Gebäudeumrissen zu den Flustücksgrenzen, zur Führung im Liegenschaftskataster. Maßstäbe 1:1000 oder 1:500 (innerstädtisch). Bauvermessung Vermessungsleistungen vor, während oder nach einer Baumaßnahme (Absteckungen, Massenermittlungen,... ). Bauwerksüberwachung Ingeneurgeodätische Messung höchster Genauigkeit und Analyse der Bauwerksgeumetrie, durch (meist) mehrfache Messungen. Dokumentation von Veränderungen (Setzungen, Deformationen). Bauaufnahme Umfassende Dokumentation eines (evtl. kulturhistorisch bedeutsamen) Bauwerkes einschließlich der Bauwerksgeometrie. Zeichnungen dienen als Grundlage zur Dokumentation weiterer Merkmale (z.b. Schadensbefunde).

4 2 ERFASSUNG VON BAUWERKEN Handaufmaß - abgreifen von Maßen mit einfachen Messmitteln (Gliedermaßstab, Messband, Winkelprisma, Disto,... ) im Angesicht des Messobjektes - Herstellung einer Rohzeichnung (Handriss) während der Messung - Winkel nur aus Spannmaßen ableitbar, Streckengenauigkeit begrenzt (Ausnahme: Laserentfernungsmesser, z.b. Disto) - 3D-Aufmaß nicht wirtschaftlich möglich Beispiel für CAD-gestütztes Handaufmaß 2.2 Polaraufnahme - 3D tachymetrische Erfassung des Objektes - Punktbestimmung durch Richtungs- und Streckenmessung mit/ohne Reflektor oder durch 3D-Vorwärtseinschneiden - reflektorlose Streckenmessung sehr effektiv - aus den Messpunkten lässt sich die Topologie erstellen ( Linien & Flächen) - Beschränkung auf wesentliche Punkte erforderlich - einige motorisierte Tachymeter ermöglichen auch einfache Scans des Objektes Prinzip der Polaraufnahme

5 2 ERFASSUNG VON BAUWERKEN Laserscanning Kombination von reflektorloser Entfernungsmessung und Abtastung (=Scannen) - Ablenkung des Messstrahles in horizontaler und vertikaler Richtung - Abtastung des Objektes in (feinem) Raster - komplexe Geometrien des Objektes erfassbar - automatisierbar - Eckpunkte/Kanten meist nicht exakt erfasst - auch möglich, wenn Objekt schwer zugänglich, kompliziert strukturiert, sehr heiß/kalt, sehr weich, sehr empfindlich, sehr giftig/radioaktiv,... ist 3D-Laserscanning 2.4 Photogrammetrie - fotografisch erzeugte Abbildungen, Fotos, Videobilder - indirekte Messung nachträglich im Bild - Informationen in den Bildern stehen in sehr hoher Dichte zur Verfügung - nachträglich mehrfach unter verschiedenen Aspekten auswertbar - Bildaufnahme sehr schnell - auch möglich, wenn Objekt schwer zugänglich, kompliziert strukturiert, sehr heiß/kalt, sehr weich, sehr empfindlich, sehr giftig/radioaktiv,... ist - ausreichende Beleuchtung erforderlich, Tiefeninformationen gehen verloren, verkleinertes Zwischen-Modell als Informationsträger - Entzerrung möglich/erforderlich - Stereophotogrammetrie für räumliche Erfassung von Objekten möglich

6 3 REFLEKTORLOSE ENTFERNUNGSMESSUNG 6 Prinzip der Stereo- /Mehrbildphotogrammetrie 3 Reflektorlose Entfernungsmessung Für die Grundlagen zu Licht und Lasertechnik wird an dieser Stelle auf die Lehrveranstaltungen Physik und Instrumententechnik aus dem Grundstudium verwiesen. Grundsätzlich kann eine reflektorlose Streckenmessung auf zweierlei Art erfolgen: - als Impulslaufzeitverfahren und - als Phasendifferenzmessung. Die Leistungsfähigkeit moderner Laserentfernungsmesser lässt sich am Beispiel des DISTO (Leica) zeigen. Ähnliche Geräte werden auch von anderen Herstellern angeboten. Technische Parameter des DISTO: - Diodenlaser mit rotem Licht (λ = 675nm) - Modulationsfrequenz f = 50Mhz Feinmaßstab 3m; zusätzlich Grobmaßstab 1500m eindeutige Messung im Bereich bis 200m - Messgenauigkeit ±3mm (Herstellerangabe; maximal ±1, 5mm für das Spitzenmodell) - keine Retro-Reflektoren, die das Licht verlustfrei zurückwerfen, nötig (reflektorlos ist streng genommen nicht richtig, da die angemessenen Objekte das Licht reflektieren) 3.1 Reflexion Art der Rflexion abhängig von der Oberflächenrauigkeit glatte Oberflächen = Spiegelung raue Oberflächen = diffuse Reflexion

7 3 REFLEKTORLOSE ENTFERNUNGSMESSUNG 7 a) spiegelnde Reflexion b) diffuse Reflexion c) diffuse Reflexion mit Spiegelung Bei den meisten Oberflächen, die dem Nutzer bei der Bauaufnahme begegnen, ist die diffuse Reflexion anzunehmen. Spiegelungen führen dazu, dass die Messung fehlschlägt. Ein Einfluss auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung ist nicht zu erwarten (reflektierende Beschichtungen z.b. von Verkehrsschildern sind keine solchen spiegelnden Oberflächen!). Einfluss auf den zur Messung verwertbaren rückkehrenden Signalanteil haben die Strahldivergenz (bei Laserdistanzmessung sehr klein), die Zielgeometrie, der Einfallswinkel und die Materialeigenschaften. 3.2 Einfluss von Zielgeometrie und Einfallswinkel Wegen der Divergenz trifft der Messstrahl flächenhaft auf das Objekt (Leuchtkreis oder Leuchtellipse). Beim DISTO beträgt die Divergenz 40mgon, das entspricht ca. 2cm auf 30m Entfernung. Die typischen Ausprägungen der Reflexionsflächen können für Bauwerke in vier Klassen eingeteilt werden: Reflexionsflächen im Zusammenhang mit der Strahldivergenz Versuche haben gezeigt, dass eine Abhängkeit des Streckenergebnisses vom Einfallswinkel besteht, der beim DISTO allerdings unterhalb der Messgenauigkeit liegt.

8 3 REFLEKTORLOSE ENTFERNUNGSMESSUNG 8 Messabweichungen zum Mittel in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Laserstrahls auf eine Wand Bei Geräten, die anders als der DISTO nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeiten, sind größere, nicht zu vernachlässigende Abweichungen festgestellt worden. Untersuchungen zur Reflexion an konvexen und konkaven Kanten zeigen ebenfalls Streckenmessfehler: Messabweichungen zum Mittel in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Laserstrahls auf eine konkave und konvexe Kante Bei Geräten die mit Impulslaufzeitverfahren arbeiten, wurden ebenfalls wieder größere Abweichungen festgestell. Pauscahlisierend kann festgestellt werden: Streckenmessungen auf eine konvexe Kante oder Ecke werden systematisch zu kurz gemessen. Streckenmessungen auf eine konkave Kante oder Ecke werden systematisch zu lang gemessen. Diese Abweichungen steigen mit der Entfernung (da die Strahldivergenz einen größeren Leuchtkreis verursacht)! Ausrundungseffekt bei der reflektorlosen Entfernungsmessung Ziele, die Stufen darstellen oder extremes Streiflicht führen meist zu grob falschen Messergebnissen.

9 3 REFLEKTORLOSE ENTFERNUNGSMESSUNG Einfluss der Materialeigenschaften Die Rauhigkeit einer Oberfläche hat direkten Einfluss auf das Reflexionsverhalten (siehe Abschnitt 3.1). Die Farbe eines Materials hängt davon ab, welche Wellenlängen durch das Material absorbiert und welche reflektiert werden. Die Materialfarbe ist streng genommen keine physikalische Eigenschaft sondern ist rein psychologisch zu betrachten. Sie hat nur Einfluss auf die Streckenmessung indem sie die Empfangsleistung des zurückkehrenden Lichtes beeinflusst. Reflektanz ist das Verhältnis zwischen der zurückgestreuten und der eingestrahlten Lichtleistung. Werte für die Reflektanz können nur empirisch bestimmt werden. Spektrale Reflektanz einiger Spiegelmaterialien (links) und von Farbpigmenten (rechts). Die menschliche Wahrnehmung kann die spektrale Reflektanz einer Oberfläche für den eingesetzten Laser-Entfernungsmesser nur eingeschränkt beurteieln! Hohe Reflektanz Niedrige Reflektanz Titanoxyd 99% Platinschwarz 0,1% Bariumsulfat 97% schwarzer Samt 0,4% Magnesiumoxyd 96% Ruß 0,8% Gips 80% schwarzes Tuch 1,5% weißes Schreibpapier ca. 70% schwarzes Papier 5,0% Die am Entfernungsmesser empfangene zurückgestreute Lichtleistung ist nicht nur von der Reflektanz, sondern auch von der Entfernung und vom Einfallswinkel abhängig. Der Einfluss der Reflektanz auf die Messgenauigkeit ist gering. Das Materials selbst (seine Struktur) hat dagegen Einfluss auf die Genauigkeit:

10 4 LASERSCANNER 10 Einfluss des Materials auf die reflektorlose Entfernungsmessung 3.4 Einfluss der Atmosphärischen Bedingungen Es hier wird auf die Lehrveranstaltung Instrumententechnik (1./2. Semester verwiesen). 4 Laserscanner Laserscanner bestehen aus: Laser-Entfernungsmesser und optisch/mechanischem Abtastsystem zur Laser-Entfernungsmessung vgl. Abschnitt Abtastung Zeitoptimierung erforderlich! (z.b. 1000x1000 Bildpunkte in 15 Minuten ca. 0,001s Zeit für jede einzelne Messung) diskrete Abtastfolgen mit geringen Abtastinkrementen und großer Überdeckung erforderlich 1D-Entfernungsmessung + 2D-Positionierung = 3D-Messsystem Abtastung durch Servomotoren Abtastung nach dem Tachymeterprinzip hohe Genauigkeit der Positionierung, aber langsam Abtastmuster ist räumlich nicht gleich aufgelöst (Bewegungen in konstanten Winkelschrittweiten)

11 4 LASERSCANNER 11 Abtastsystem nach dem Tachymeterprinzip Abtastmuster beim Tachymeterprinzip Abtastung durch Planspiegel ein Abtastystem lässt sich auch durch zwei Spiegel oder Prismen realisieren Drehung der Spiegel durch Schrittmotoren kontinuierliche Drehung des Planspiegels (180 Drehung = 360 Abtastung) Abtastsystem Über zwei Planspiegel Andere Abtastsysteme Abtastung mit Spiegelpolygonen

12 4 LASERSCANNER 12 Kombination aus verschiedenen Systemen 4.2 Gesichtsfeld Es können verschiedene Arten des Gesichtsfeldes unterschieden werden: Arten von Gesichtsfeldern 4.3 Produktübersicht Technische Kriterien: Systemkriterien von Laserscannern Reichweite Scanner soll einen großen Dynamikbereich die Reflektivität betreffend aufweisen (5% bis 99%) Abtastrate/Auflösung angestrebt werden möglichst kleine Abtastschrittweiten, aber Messzeit wächst quadratisch mit der Schrittweite Strahldivergenz Räumliche Auflösung sollte auf die Strahldivergenz abgestimmt sein (mindestens

13 4 LASERSCANNER 13 doppelte Strahldivergenz). Sonst könnnen unerwünschte Korrelationen entstehen. Zusammenspiel von Schrittweite und Spotgröße Messgeschwindigkeit entscheidend abhängig von Art des Streckenmessverfahrens (Impulsverfahren dauert länger, Phasendifferenzverfahren ist sogar kontinuierlich denkbar) Messgenauigkeit Richtungsgenauigkeit wird durch die Ablenkeinheit bestimmt Streckenmessgenauigkeit ist abhängig vom Streckenmessverfahren Geräteübersicht (Stand 01/2007): Die nachfolgenden Informationen sind größtenteils aus den Quellen der Hersteller entnommen. Es handelt sich damit zumeist um Werbetexte. Dies ist bei der Bewertung der Formulierungen zu berücksichtigen. Vollständigkeit kann natürlich nicht garantiert werden. Zoller und Fröhlich Imager Der Laserscanner Imager 5006 der Firma Zoller + Fröhlich arbeitet - anders als die meisten Laserscanner - nach dem Phasenvergleich. Der Messbereich erstreckt sich vertikal vom Zenit bis etwa Schrägstellung des Stativs. Horizontal werden 360 abgedeckt. Eine Horizontierung des Gerätes ist nicht erforderlich. Die Geräteposition wird über eine räumliche Orientierung nach bekannten Fixpunkten ermittelt (wie bei der Photogrammetrie). Für eine Messung werden ca.100 sec benötigt. Nach Herstellerangaben werden die gemessenen Raumpunkte mit einer Genauigkeit von 3 mm auf 20 m erfasst. Das Ergebnis einer Messung sind Koordinaten (x, y, z) und Intensität.Die hohe Punktdichte erzeugt ein nahezu fotografisches Abbild der Situation. Zur architekturgerechten Auswertung kann die Punktwolke entweder direkt zerschnitten werden, oder man legt zunächst geometrische Figuren (Ebenen) hinein und erzeugt danach die Planprojektionen Grundriss, Schnitt und Ansicht

14 4 LASERSCANNER 14 durch Schneiden des 3D-Modells mit der entsprechenden Projektionsebene. - Eindeutigkeitsbereich bis 79 Meter - Sehr geringes Punktrauschen in der gesamten Punktwolke - Hohe Genauigkeit im Millimeterbereich - Auflösung bis zu Punkte/360 - Kablelloser Betrieb durch interne Datenspeicherung und integrierte Stromversorgung - Elektronischer Neigungssensor - Bluetooth-, Ethernet- und USB-Schnittstellen - Bedienfeld mit Display am Imager Kompakte und leichte Bauweise - Befestigung auf Wild/Leica Dreifuss Zoller und Fröhlich Profiler Ähnlich dem Imager, aber Profilvermessung von bewegter Trägerplattform aus (2D) z.b für Tunnelvermessung. Messprinzip des Profilers Eine 360 -Profilmessung wird realisiert mittels Kombination des punktuell arbeitenden Lasermesssystems LARA mit einer eindimensionalen Ablenkeinheit. Durch Rotation des Umlenkspiegels um die optische Achse des Lasermesssystems erfolgt eine Profilvermessung. Die Drehzahl des Spiegels wird festgelegt und bestimmt die Anzahl der vermessenen Profile pro Sekunde. Jedes dieser 360 -Profile besteht aus einzelnen Messpunkten (jeweils Entfernungswert und Intensitätswert), entsprechend der Abtastrate des Lasermesssystems bis zu max Bildpunkte je Sekunde. Die erzielte Winkelgenauigkeit basiert direkt auf dem Winkelgeber. Eine flächendeckende Erfassung (Vermessung von Tunnel, Straßen etc.) eines ausgedehnten Umgebungsausschnitts wird durch Profilmessung während der Fahrt durch die Umgebung, senkrecht zur Fahrtrichtung realisiert. Örtlich aufeinanderfolgende Profile (Helix) werden zum Bild angeordnet, wobei sich je nach Geschwindigkeit des Trägerfahrzeugs der laterale Abstand zwischen zwei Profilen variieren lässt. Die Helix ist vergleichbar mit einer Spiralfeder. Callidus CP

15 4 LASERSCANNER 15 Callidus misst die Distanz nach der Pulslaufzeit. Der Messbereich erstreckt sich vertikal von Horizontal werden 360 erfasst. Der Messkopf kann auch ohne Stativ eingesetzt werden und Überkopf scannen. Zur Messung muss das Gerät nicht horizontiert werden. Für die Messung kann die Geräteposition frei gewählt werden. Durch eine Art Bündelblockausgleich - ähnlich der Photogrammetrie oder über das tachymetrische Verfahren des Polaren Anhängens mittels Prismen ist eine Positionsbestimmung möglich. Dies ist jedoch für die Auswertung nicht unbedingt erforderlich, jedoch sehr komfortabel. Die Messdauer beträgt 5 Minuten oder mehr und ist abhängig von der gewählten Scanauflösung und den eingestellten Kameraoptionen. Nach Herstellerangaben werden die gemessenen Raumpunkte mit einer Genauig- keit von 2 mm auf 10 m erfasst. Das Ergebnis einer Messung sind Koordinaten x, y, z. Weiterhin können Remissionsdaten erfasst werden. Mit der im Messkopf befindlichen Kamera kann die Auswertung der Punktwolke fotografisch unterstützt werden. Außerdem dient sie der Bilddokumentation. Zur architekturgerechten Auswertung werden zunächst geometrische Primitive (Ebene, Kugel, Zylinder) in der Punktwolke konstruiert. Ebenen kön- nen automatisch erzeugt werden. Die eigentliche Planprojektion (Grundriss, Schnitt oder Ansicht) erhält man durch Schneiden dieses 3D-Oberflächenmodell mit einer entsprechenden Ebene und dem Export in CAD-Systeme.

16 4 LASERSCANNER 16 Optech ILRIS-3D scanning/r OptechIlris3D Der Laserscanner ILRIS-3D setzt Maßstäbe in der 3D-Vermessung und Visualisierung von komplexen Strukturen, Bauwerken und Landschaften. Der Scanner besteht aus einem gepulsten Laser, einem Spiegelsystem, einer hochauflösenden digitalen Farbkamera (6 Megapixel), der Steuerungs- und Speichereinheit und arbeitet in allen Entfernungen (3-1500m) uneingeschränkt augensicher nach Laserklasse 1 (bzw. 1M bei Enhanced Range Option). Leica HDS 2500 (An der TFH vorhandenes Gerät, nicht mehr in der Produktionspalette von Leica!) Der Cyrax 3D Laser Scanner misst die Distanz nach der Pulslaufzeit. Der Messbereich eines Einzelscans erstreckt sich auf 40 x 40. Die Verknüpfung, Orientierung und Geo-Referenzierung erfolgt über automatisch gemessene Zielmarken oder Kugeln. Das Ergebnis umfasst lokale oder GK-Koordinaten und die Intensität der Messpunkte. Die 3D Genauigkeit einer Einzelmessung (Winkel- und Streckenmessung) beträgt 6 mm bei 50 m, mit einer Größe des Laserpunkts von 6 mm. Die typische Reichweite liegt bei 150 m. Objekte werden entfernungsunabhängig mit einem beliebig dichten Raster gescannt. Die Messgeschwindigkeit beträgt 1000 Punkte pro Sekunde. Cyclone TM gestattet die Verwaltung der Punktwolken in einer objektorientierten Datenbank sowie die automatische Verknüpfung einzelner Scans. Die resultierenden Punktwolken können mit einer Vielzahl von Softwaretools in formale 3D Modelle oder 2D Zeichnungen verarbeitet werden.

17 4 LASERSCANNER 17 Best-Fit Methoden erlauben die automatische Modellierung von geometrischen Primitiven (z.b. Ebenen, Zylinder, Kugeln, usw.). Bibliotheken mit festen Objekten ergänzen die Primitiven. Planungsdaten können in die Punktwolke importiert und auf Kollisionen geprüft werden. Cyclone COE Datentransfer ermöglicht den bidirektionalen, nahtlosen Wandel der Daten in solide Objekte innerhalb von AutoCAD und MicroStation. Virtual Surveyor TM erlaubt die topographische Bestandserfassung mittels Codelisten innerhalb der Punktwolke am PC. Geländeaufnahmen, Höhenlinienpläne und Volumenberechnungen werden über eine TIN-Vermaschung ausgewertet. CloudWorx TM bringt die reichhaltige und komplette 3D Punktwolke des Cyrax 3D Laserscanners direkt nach AutoCAD und MicroStation. Millionen von Punkten können so direkt in AutoCAD und MicroStation verarbeitet werden. Leica HDS htm Der Leica HDS3000 Scanner ist der erste vermesserfreundliche 3D-Laserscanner von Leica. Er macht das schnelle Erfassen von umfangreichen Felddaten für viele Anwendungen im Bereich der Vermessung und des Bauwesens möglich. Leica HDS6000 Merkmale des HDS3000: 360 x 270 Scanbereich, einzigartige Lösung mit zwei Fenstern Integrierte Digitalkamera für automatisch kalibrierte Bild-Overlays < 6mm Strahldurchmesser auf 50m < 6mm 3D Genauigkeit auf 50m Aufstellung auf bekanntem Punkt und Orientierung über Anschlussrichtung QuickScan Instrumententaste für einfache Definition des Scanbereiches Freie Auswahl der Scanauflösung innerhalb eines Scanvorganges Batterietausch während der Messung htm

18 4 LASERSCANNER 18 Der HDS6000 ist der Nachfolger des HDS4500. Der Leica HDS6000 ist ein extrem schneller Scanner, der sich besonders für Messungen von kurzen Strecken eignet. Durch die Verwendung des kontinuierlichen Lasers werden Datenraten von 100,000 bis 500,000 Punkte/Sek. erreicht. Der Vorteil der Geschwindigkeit und das Sichtfeld von 360 x 310 wird besonders bei Projekten mit minimalen Standzeiten, bevorzugt im Anlagenbau, Tunnelbau und bei der Erstellung einer Digitalen Fabrik genutzt. Merkmale des HDS6000 gegenüber HDS4500: 50 % höhere Reichweite, basierend auf Eindeutigkeitsbereich Neues kompaktes Design: Scanmodul, Bedieneinheit, Datenspeicher und Stromversorgung sind in einem Instrument integriert Neuer Neigungssensor ermöglicht klassische Vermessungsmethoden, wie die Polygonierung und Freie Stationierung Drei flexible Steuerungsmöglichkeiten: Integriertes Bedienfeld mit Display, kabelloser PDA oder Laptop zur absoluten Qualitätskontrolle Höhere Genauigkeit bei jeder Einzelmessung Doppelte Scandichte Trimble GX Der 3D-Laser der Firma Trimble arbeitet nach dem Pulsmessverfahren. Die Geräteposition wird über das Verfahren der Freien Stationierung (wie bei der Tachymetrie) bestimmt. Das Gerät enthält einen Zweachkompensator. Die gemessenen Raumpunkte (5000/s) werden mit einer Genauigkeit von 1,4 bis 3,6 mm erfasst (entfernungsabhängig). Das Ergebnis einer Messung sind Koordinaten x, y, z und Intensität. Zusätzlich zur Punktmessung kann eine Kamera verwendet werden, die die Auswertung der Punktwolke fotografisch unterstützt. Zur Auswertung wird die Punktwolke z.b. mit entsprechenden Projektionsebenen

19 4 LASERSCANNER 19 geschnitten, und die erzeugten Planprojektion (Grundriss, Schnitt oder Ansicht) werden an CAD-Systeme exportiert. Riegl LMS-Z420i, LMS-Z390, LMS-Z210ii Impulslaufzeit-Panorama-Scanner Entfernung bis 1000/300 m / Laser Class 1 Long-Range (LMS-Z420i): bis 1000m Entfernung, Genauigkeit 10mm High-Resolution (LMS-Z390): bis 300m Entfernung, Genauigkeit 6mm General Purpose (LMS-Z210ii): bis 650m Entfernung, Genauigkeit 10mm Repeatability 2 mm Messrate bis max pts / sec optionale Kamera Gesichtsfeld (max) 80 x 360 TCP/IP data interface wireless data transmission Steuerung durch Standard-PC oder Notebook I-SiTE 4400LR Impulslaufzeit-Panorama-Scanner Features of the 4400LR include: FARO LS880/840/420 Up to 700m range Built in battery with up to 3 hours continuous scanning time Dedicated ruggedised Hand Held Controller Automatic tilt compensator for levelling of scans High accuracy backsight telescope for locating scans into a coordinate system Built in high resolution camera (37 megapixels) Incredibly easy & intuitive to use tablet software GPS mounting thread

20 4 LASERSCANNER 20 Phasenvergleichs-Panorama-Scanner LS420 für mittlere Entfernungen (20m) LS840 augensicherer Scanner für Innenaufnahmen (40m) LS880 Outdoor und Long-Range-Scanner (80m) Genauigkeit 3mm Pixel/s optional Color-Kamera und Neigungssensor modulares System! Weitere Hersteller: DeltaShere: Konica-Minolta: Uni Stuttgart (!):

21 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) 21 5 Arbeit mit dem Cyrax-Laserscanner (Leica HDS2500) 5.1 Technische Daten HDS2500 3D LASER SCANNER GENERAL SPECIFICATIONS Instrument type User interface Scanner drive Optical viewer High-speed, high-accuracy laser radar Laptop PC Servo motor Integrated video camera SYSTEM PERFORMANCE SPECIFICATIONS Single point accuracy Position Distance Angle Modeled surface precision LASER SCANNING SYSTEM ±6 1.5m - 50m range, 1 Sigma ±4 mm, 1 Sigma ±60 micro-radians ±2 mm

22 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) 22 LASER TYPE Pulsed; proprietary microchip COLOR Green SAFETY Class II (ref. CFR 1040) SPOT SIZE < 6 mm from 0-50 meters RANGE Maximum up to 100m Recommended 1.5m - 50m (5%-100% diffuse reflectivity) SCAN RATE 1 full FOV full FOV SCAN DENSITY Selectability Independently selectable vertical and horizontal point-to-point measurement spacing Vertical 0.25mm minimum point-to-point spacing (@50m) Horizontal 0.25mm minimum point-to-point spacing (@50m) Scan column 1,000 points/column, max Scan row 2,000 points/row, max FIELD OF VIEW Vertical 40 (angle included) Horizontal 40 (angle included) Tripod mount 360 horizontal rotation +105 / 90 vertical rotation Volume of space addressed (max) 20,000 m 3 /scan (@6mm accuracy) 160,000 m 3 /scan (@100m range) SCANNING OPTICS Dual mirror, random access Protected by housing and glass shield VIDEO TARGETING 480 x 480 color resolution ELECTRICAL Power supply Power consumption Batteries Battery Life AC VAC, Hz DC 12V, nominal 100W Sealed lead acid 20 C, with two batteries ENVIRONMENTAL Operating Temperature Storage Temperature Lighting Humidity Shock 0 C to 40 C -25 C to 65 C Fully operational between bright sunlight and complete darkness Non-condensing atmosphere 50 G s (max to shipping case) PHYSICAL

23 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) 23 SCANNER Dimensions Weight POWER SUPPLY UNIT Dimensions Weight 15.8 D x W x 16.9 H including handles 20.5 kg(45 lbs), nominal D x 11 W x H 7.3kg (16 lbs), nominal AC configuration STANDARD ACCESSORIES Transport cases Tripod with spiked feet and pan and tilt mount for scan head Cables Scanner-to-power box - AC power cord - Ethernet-to-notebook Two batteries Battery charger (integrated with Power Supply Unit) Cyclone-SCAN software HARDWARE OPTIONS Laptop PC Special scan targets and target accessories Tripod with paddle feet Wheeled base for tripod w/ paddle feet Stand alone charger Service agreement for Cyrax 2500 PC PLATFORMS FOR MODELING PC SYSTEM REQUIRED (min) RECOMMENDED Processor 500 MHz Pentium II 1 GHz Pentium III RAM 256 MB 512 MB or more Hard disk 10 GB 40 GB Network card Ethernet Ethernet Video card SVGA 3-D OpenGL- acceleration Operating system Windows NT 4.1 (SP 6) Windows NT 4.1 (SP 6) Windows 2000 (SP 2) Windows 2000 (SP 2) Windows XP Professional Windows XP Professional Display 800x x768; true color

24 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) Scannen mit dem HDS ScanControl-Grundfunktionen Verbindung zwischen Scanner und Power-Box sowie zwischen Laptop und Scanner herstellen und Schutzklappen am Scanner entfernen Scanner an Power-Box einschalten (Kalibrierungsroutine startet automatisch) CYCLONE-Software starten = Datenbank im Navigator (unter SERVER ) wählen oder neu anlegen Scan-Programm starten (Doppelklick auf den Scanner unter SCANNER ) = Projekt wählen oder neu anlegen nach Aufleuchten der RDY Lampe (Scannerrückseite) Scanner verbinden 1 ; dabei darauf achten, dass der richtige Scanner ausgewählt wurde und dass die richtige IP Adresse am Laptop eingestellt ist Scanner auf das Objekt ausrichten, Foto aufnehmen (möglicherweise Belichtungszeit unter <Scanner Control><Adjust Exposure> ändern) im Foto den zu scannenden Bereich auswählen; Entfernung eingeben (Scene Range) ggf. nachmessen ( Probe ) und Scanauflösung festlegen (Sample Spacing) Starten des Scans Es können beliebig viele einzelne Scans in einer ScanWorld zusammengefasst werden, solange sich die Position des Scanners nicht verändert. Nach jedem Positionswechsel des Scanners (Drehung oder Kippung) muss eine neue ScanWorld angelegt werden, entweder manuell oder durch Betätigung des Buttons New Position 1 Der Verbindungsvorgang dauert nur sehr kurze Zeit. Wenn das Programm nach wenigen Sekunden nicht reagiert hat, ist ein Fehler aufgetreten, der manuell gesucht und behoben werden muss: Kabel prüfen, IP-Adresse prüfen, RDY-Lampe leuchtet noch nicht,... = Programm neu starten

25 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) Erkennen von Targets Bemerkung: Es ist sinnvoll das Scannen&Erkennen von Targets (Tie-Points) gleich im Gelände vorzunehmen und auch die Passpuntnummern korrekt zu vergeben. Die spätere Nachbearbeitung ist sehr mühevoll! Eine Situationsskizze mit den Scannerstandpunkten, den Aufnahmerichtungen und allen Passpunkten ist sehr hilfreich. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Erkennung der Targets durchzuführen: a) halbautomatisch (empfohlen) Nach der Fertigstellung des Scans durch Betätigen der Taste Open Viewer den Model-Space-Viewer öffnen die Targets nacheinander mit dem Multipick-Wekzeug markieren und im Scan Control Fenster <Scanner Control><Acquire Cyra Targets wählen> im darauf erscheinenden Acquire-Target-Fenster den Button Acquire Tie-Points From Picks oder <Strg+T> betätigen b) automatisch Nach der Fertigstellung des Scans durch Betätigen der Taste Open Viewer den Model Space Viewer öffnen, die gesamte Punktwolke markieren im Scan Control Fenster <Scanner Control><Acquire Cyra Targets> wählen im darauf erscheinenden Acquire-Target-Fenster den Button Search Tie-Points From Selected Cloud oder Alt+T betätigen Es werden nun alle Bereiche mit Reflexionswerten ähnlich denen der Targets vorgeschlagen 2. Der weitere Verlauf ist bei beiden Varianten analog. Die angewählten Punkte werden im Fenster aufgelistet. Man hat die Möglichkeit, ihnen die entsprechende Punktbezeichnung (ID) zuzuweisen. Ist dies geschehen kann der Button Acquire betätigt werden. Es beginnt der Feinscan der Marken und ihrer Mittelpunkt-Kreise, die Mittelpunkte werden berechnet und mit einem Vertex (türkisfarbenes 3D-Kreuz) versehen 3. 2 Hierbei kommt es häufig zu Fehlerkennungen. Entweder befinden sich einzelne Targets nicht unter den Kandidaten oder einige Kandidaten sind keine Targets. Eine Kontrolle bzw. das Herausnehmen oder Hinzufügen von Punkten ist also notwendig. 3 Wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, kann es nicht schaden, in die Punkte einzuzoomen und einen prüfenden Blick darauf zu werfen.

26 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) Setzen eines Vertex ( natürlicher Passpunkt) Diese Funktion ist sinnvoll, um natürliche Punkte am Objekt genau zu definieren und durch tachymetrische Bestimmung als Passpunkt bei der Georeferenzierung/Registrierung zu verwenden. Man geht dabei wie folgt vor: nach Fertigstellung des Scans im Model Space View den gewünschten Punkt markieren im Menü <Scanner Control><Edit Script> wählen im Record Menü des Scanner Script Fensters Scan Around Pick Point wählen und die gewünschten Einstellungen der Ausdehnung und Auflösung vornehmen (der markierte Punkt bildet den Mittelpunkt des zu scannenden Bereiches) Starten des Scanvorganges im Model Space View den gewünschten Punkt genau anfahren und markieren im Menü <Create Object><Insert><Vertex> wählen; Eigenschaften werden angezeigt und Veränderungsmöglichkeiten gegeben; bestätigen mit Create Vergeben eines Punktkennzeichens (ID) für den gesetzten Vertex unter <Tools><Registration><Add Registration Label>

27 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) Registrierung Der Vorgang der Registrierung umfasst die Transformation von ScanWorlds eines Projektes in eine gemeinsame ScanWorld mit einem einheitlichen Koordinatensystem. Dies geschieht mit Hilfe von sog. Constraints (Zwänge: Paare äquivalenter Objekte in 2 Scan- Worlds wie Targets, Vertexes, Picked Points in Point Clouds oder bereits konstruierte Objekte). Ablauf: im Navigator das Projekt auswählen Anlegen eines Registration-Ordners (<Create><Registration>) und Öffnen Einlesen der zu registrierenden ScanWorlds (<ScanWorld><Add ScanWorld>) oder entsprechender Button ( ) Setzen der sogenannten Home-ScanWorld, auf die alle anderen transformiert werden (<Scan World><Set Home Scan World> oder entsprechenden Button ) a) Registration ohne Targets In der Registerkarte /ModelSpaces\ die beiden Model Spaces öffnen mit Multipick identische Punkte nacheinander in beiden ModelSpaces picken; diese Punkte sollen als Startwerte für die Berechnung dienen im Menü <Cloud Constraint><Add Cloud Constraints> wählen verschiedene Einstellmöglichkeiten der Parameter unter <Edit><Preferences> danach <Cloud Constraint><Optimize Cloud Alignment> Starten der Registrierung mit <Registration><Register> oder entsprechendem Button ( ) Ergebnisse der erfolgreichen Registrierung können unter <Registration><Show Diagnostics> eingesehen werden Übernehmen der Registrierung in eine Scan World mit <Registration><Create Scan World; Freeze Registration> oder entsprechendem Button ( ) Verwerfen oder Aufheben der Registrierung mit <Registration><Unfreeze Registration> oder entsprechendem Button ( ) Um einen neuen Model Space mit beiden registrierten Scan Worlds zu öffnen <Registration><Create and open Model Space> oder entsprechenden Button auswählen ( ) b) Registration mit Targets

28 5 ARBEIT MIT DEM CYRAX-LASERSCANNER (LEICA HDS2500) 28 In der Registerkarte /ModelSpaces\ die beiden ModelSpaces öffnen eine ScanWorld wird entweder automatisch oder wenn gewünscht vom Benutzer als Home-ScanWorld gesetzt (<Scan World><Set Home Scan World> oder entsprechenden Button dieser Home-ScanWorld ), die Transformation erfolgt in das System automatische Erfassung aller innerhalb der zu registrierenden Scan Worlds erkannten Targets mit <Constraint><Auto-Add Constraint> oder entsprechendem Button ebenfalls möglich: Öffnen der Control Spaces der entsprechenden Scan Worlds und manuelles Picken der gewünschten Targets, anschließend <Constraint><Add Constraint> optional kann mit <Constraint><Set Weight> oder entsprechendem Button ( ) eine Gewichtung der einzelnen Punkte vorgenommen werden Starten der Registrierung mit <Registration><Register> oder entsprechendem Button ( ) weiter wie unter a) c) Georeferenzierung(Transformation in ein lokales Koordinatensystem) Import der Koordinaten der Referenz- bzw. Passpunkte in eine gesonderte ScanWorld bspw. als Textdatei und Definition als Home ScanWorld weiter wie unter b) und dann wie unter a)