Systems für den HDS 4500

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1 Entwicklung eines remote-monitoring monitoring Systems für den HDS 4500 Jens-André Paffenholz, Ingo Neumann und Hansjörg Kutterer Geodätisches Institut Leibniz Universität Hannover Session: Laserscanning -Entwicklungen 6. Oldenburger 3D-Tage 2007 Optische 3D-Messtechnik - Photogrammetrie Laserscanning

2 Motivation - Terrestrische Laserscanner als Erweiterung ingenieurgeodätischer Sensorik - Erfassung des Regelverhaltens von Objekten - Detektion von (hochfrequenten) hf Bauwerksdeformationen - Datenerfassung - Berührungslos, linienhaft/flächenhaft und räumlich hochauflösend - Zeitlich hochauflösend durch Geräte mit Phasenvergleichsverfahren (Bsp. Leica HDS 4500 und 6000, Z+F Imager 5003 und 5006) - Problem der Auswertesoftware - Modellierung und Approximation geometrischer Objekte - Kaum Operatoren zur Analyse von Deformationen J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

3 Ziel - Programmsystem zur Erfassung und Analyse hochauflösender h Laserscannerdaten (Leica i HDS 4500) - Ableitung und Analyse des Regelverhaltens eines Objekts mit kontinuierlichen Scans (Basis Deskriptive Deformationsmodelle) ) - Berücksichtigung von Bewegungen des Laserscanners - Aufstellung im Deformationsgebiet - Äußere Einflüsse (Bsp. einseitige Sonneneinstrahlung) J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

4 Gliederung - Einleitung - Das Programmsystem re-mo Sys - Automatisierte Deformationsanalyse - Bestimmung von Zielmarkenkoordinaten - Ableitung von Differenzbildern - Möglichkeiten und Grenzen - Zusammenfassung und Ausblick J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

5 Einleitung Laserscanner Leica HDS 4500 Panorama-Scanner FoV Auflösung Reichweite / Eindeutigkeitsbereich 53.5m5m Datenerfassungsrate Kommunikation - Möglichkeiten 360 Hz x 310 V Hz x V Bis zu 500kHz - Berührungslose Messung auf verschiedene Oberflächen - Hochfrequente Messungen bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung 3mm (100% Reflexivität) 9mm (20% Reflexivität) Client-Server Prinzip via Firewire J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

6 Einleitung Deformationsanalyse - Deformationen: - Starrkörperbewegungen - Verformungen - Diskretisierung: - Geometrisch: punktuell, linien- und flächenhaft - Zeitlich: epochal, periodisch und kontinuierlich - Deskriptive Modelle: - Kongruenzmodell - Kinematisches Modell - Betrachtung Laserscanning Pro Minimierung nicht erfassbarer Objektdeformationen Großer Bereich in kurzer Zeit Kontra Erfasste Daten unstrukturierte Punktwolke Abstraktion des Objektes in der Auswertephase J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

7 Das Programmsystem re-mo Sys - Modulare Implementierung in Microsoft Visual C# Steuerung und Datenerfassung mit Laserscannern Leica HDS 4500 / Z+F Imager Kommunikation nach dem Client-Server-Prinzip - Projektbasierte Datenhaltung mit XML-Speicherung - Darstellung der 3D-Punktwolke als grauwertcodiertes Intensitätsbild + Automatisierte Deformationsanalyse auf Basis von Differenzbildern J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

8 Automatisierte Deformationsanalyse (1) Erfassung der Szene Passpunkte Nullepoche Initialisierung Monitoring Manuell Halbautomatisch ti Manuell Zielmarken in Abhängigkeit der zu erwartenden Deformationen Flächenhafte Erfassung: engmaschiges Punktraster Passpunkte Folgeepoche Integration Z+F Target-Fitting Algorithmus Pixelgenaue Zielmarkenmarkierung 3D-Helmert- Transformation Definition Abtastintervall Selektion des relevanten Ausschnittes Ableitung von Differenzbildern J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

9 Bestimmung von Zielmarkenkoordinaten Zur Zuverlässigkeitserhöhung: it Bestimmung der Koordinaten für acht weitere e Positionen Median der neun Positionen liefert Zielmarkenkoordinate Probleme: - re-mo Sys: - Keine visuelle Kontrolle des Target-Fitting Ergebnisses - Z+F LaserControl / Algorithmus: - Keine gesicherte Aussage über die Qualität der bestimmten Koordinaten J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

10 Automatisierte Deformationsanalyse (2) Erfassung der Szene Passpunkte Nullepoche Initialisierung Monitoring Vollautomatisch ti Vollautomatisch ti Vollautomatisch ti Startwerte des Algorithmus aus Kreuzkorrelation beider Intensitätsbilder Kreuzkorrelations- koeffizient liefert Güte der Zuordnung Passpunkte Folgeepoche Bewegungen des Laserscanners Einführung von i. Restriktionen ii. Kovarianzinformationen iii.übergeordnetes Koordinatensys. 3D-Helmert- Transformation Direkter Vergleich der Winkelinkremente Größenordnung der Deformation (Vorstufe) Ableitung von Differenzbildern J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

11 Ableitung von Differenzbildern (1) Bewusste Verschiebung um geringen Betrag Keine Bewegung zwischen Messepochen - Aufdeckbare Deformationen: - Starrkörperbewegungen - Verformungen (Torsion) - keine Aussagen zur Signifikanz der Differenzen J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

12 Ableitung von Differenzbildern (2) Bewusste Verschiebung um geringen Betrag Keine Bewegung zwischen Messepochen - Nachweis künstlicher Objektdeformationen weniger cm durch bewusste Bewegung eines Kleinbusses (Entfernung ca. 20m) J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

13 Möglichkeiten und Grenzen Möglichkeiten it Grenzen Erfassung einer Szene mit dem Leica HDS 4500 Automatisierte Bestimmung von Koordinaten für Z+F Zielmarken unter Laborbedingungen einwandfrei Zielmarkenentfernungen > 15m (fehlende Vergrößerung) Target-Fitting Algorithmus (fehlendes Unsicherheitsmaß / Qualitätsmaß) Ableitung Transformationsparameter zweier Epochen Nachweis von Objektdeformationen durch Differenzbilder J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

14 Zusammenfassung - re-mo Sys ermöglicht - Kommunikation nach dem Client-Server Prinzip - Automatischer Epochenvergleich zur Detektion von Deformationen anhand von Differenzbildern - Berücksichtigung g eines zwischen den Messepochen bewegten Laserscanners - Ableiten des Regelverhaltens eines Objekts durch hochauflösende Scans - Abweichungen vom Regelverhalten Anpassung des Messprogramms J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

15 Ausblick / Weiterentwicklungsmöglichkeiten - Algorithmus mit Qualitätsaussagen zur Zielmarkenkoordinatenbestimmung - Entwurf einer Zielmarke mit optimalen Eigenschaften zur Detektion in Intensitätsbildern (Bildanalyse: Kantenextraktion, Mustererkennung) - In-situ-Kalibrierung des Laserscanners zur Elimination des Einflusses der Achsenfehler auf die Winkelmessung - Integration ti von Auswertemethoden th der Zeitreihenanalyse ih - Aufbau eines Multisensorsystem J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,

16 J.-A. Paffenholz Entwicklung eines remote-monitoring Systems für den HDS 4500 Oldenburg,