Investigations of High Precision Terrestrial Laser Scanning with Emphasis on the Development of a Robust Close-Range 3D-Laser Scanning System

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1 DISS. ETH NO Investigations of High Precision Terrestrial Laser Scanning with Emphasis on the Development of a Robust Close-Range 3D-Laser Scanning System A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by HANS MARTIN ZOGG Dipl. Ing. ETH Zurich born October 16, 1978 citizen of Grabs, SG accepted on the recommendation of Prof. Dr.-Ing. Hilmar Ingensand, examiner Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas A. Wunderlich, co-examiner 2008

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3 III Abstract In recent years, numerous measurement systems and techniques have become available on the market for three-dimensional (3D) surveying of objects. Largely due to the increasing need of 3D-data, fast area-wide 3D-measurement methods are in high demand. In the world of surveying and the field of engineering geodesy, terrestrial laser scanning has been established as a newer measurement method for fast, area-wide 3D-surveying. Terrestrial laser scanners measure distances and angles to objects without any contact. The actual geometry information of the scanned object has to be derived from a resulting 3D-point cloud in post-processing. After the initial hype of terrestrial laser scanning, a slight disillusionment set in. Projects were not profitable or failed due to insufficient knowledge about laser scanning technology and its specifics. In addition, the hardware and software products available on the market often do not meet the requirements of specific applications. Thus, the selection of convenient applications for a particular terrestrial laser scanning system, the sensitivity in terms of environmental conditions, or the extensive post-processing of laser scanning data are just a few of the difficulties in using laser scanning technology. As a result, terrestrial laser scanning is rarely used for projects in engineering geodesy. Even though terrestrial laser scanning offers great potential, new fields of application have yet to be investigated. This thesis originated from a project addressing the development of a qualified measurement system based on terrestrial laser scanning for the surveying of underground utility caverns in the field of water and sewage engineering. There was no convenient measurement system available on the market when the project started in There are three main objectives of this thesis: the development of a cost-efficient robust close-range 3D-laser scanning system largely for surveying underground utility caverns, the calibrations and investigations of terrestrial laser scanners with focus on the newly developed measurement system, and the development of new fields of application for terrestrial laser scanning. Moreover, this thesis contributes to the area of terrestrial laser scanning by offering better knowledge on its integration into engineering geodesy. For the hardware development, the 2D-laser scanner SICK LMS by Sick AG was selected and implemented as a distance measurement unit measuring distances and angles. This unit is well known and established in industrial applications and in the field of robotics. In addition, all components that were used for the close-range 3D-laser scanning system were selected according to predefined requirements. These requirements were strongly related to the application of the measurement of underground utility caverns. Furthermore, this thesis shows that an appropriate calibration of the close-range 3D-laser scanning system the distance measurement unit specifically allows its application in the field of engineering geodesy. Thus, appropriate calibration routines were developed, and intensive additional investigations of the measurement systems enabled the verification of the measurement accuracy and performance. The close-range terrestrial 3D-laser scanner ZLS07 resulted from the development of a 3Dmeasurement system based on the terrestrial laser scanning technology. The ZLS07 is a robust and reliable measurement system that fulfils the requirements focused on surveying of underground utility caverns. Its specific limitations lie in the measurement range, accuracy, and angular resolution. However, the ZLS07 has been successfully established as a new measurement instrument at the surveying department of the city of Zurich. In addition to the hardware developments, an approach for automatic geometry modelling from 3D-point clouds was developed, tested, and discussed for post-processing 3D-point clouds of underground utility caverns. Furthermore, the ZLS07 was successfully used in other applications, such as the damage detection of an incinerator or the reverse engineering of technical constructions.

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5 V Zusammenfassung In den letzen Jahren sind verschiedene neue Messsysteme und Messtechniken für die dreidimensionale (3D) Vermessung von Objekten auf dem Markt erschienen. Schnelle und flächendeckende Messmethoden sind wegen der stark steigenden Nachfrage nach 3D-Daten gesucht. Im Bereich der Vermessung und im Speziellen in der Ingenieurvermessung hat sich terrestrisches Laserscanning als eine neue Messmethode im Bereich der 3D-Vermessung etabliert. Terrestrische Laserscanner messen berührungslos Winkel und Distanzen. Das Resultat eines solchen Scans ist eine so genannte 3D-Punktwolke. Die gesuchten geometrischen Informationen des gescannten Objektes werden anschliessend im Post-Processing aus der 3D- Punktwolke abgeleitet. Terrestrisches Laserscanning erfuhr zu Beginn des neuen Jahrtausends kurz nach dessen Einführung im Bereich der Ingenieurvermessung einen grossen Aufschwung. Eine erste Ernüchterung liess jedoch nicht lange auf sich warten. Projekte blieben erfolglos oder misslangen wegen ungenügender Kenntnis über die Besonderheiten der neuen Messmethode. Zudem wurden häufig für terrestrisches Laserscanning ungeeignete Projekte durchgeführt. Ebenso wurde die aufwändige Auswertung der 3D-Punktwolken unterschätzt. Daher wird terrestrisches Laserscanning heutzutage eher selten für Projekte in der Ingenieurvermessung eingesetzt. Ausserdem können die auf dem Markt erhältlichen Hardware- und Software-Produkte die an ein Projekt geforderten Spezifikationen oft nicht erfüllen. Die vorgelegte Arbeit entstand aus einem Projekt zur Entwicklung eines geeigneten Messsystems basierend auf der Laserscanning-Technologie zur Ausmessung von Schachtkammern im Bereich des Wasser- und Abwasser-Ingenieurwesens. Drei Ziele werden mit dieser Arbeit speziell verfolgt: 1. die Entwicklung eines robusten terrestrischen Laserscanners für den Nahbereich zur Aufnahme von Schachtkammern; 2. die Kalibrierung und Untersuchung von terrestrischen Laserscannern im Allgemeinen und des neu entwickelten Laserscanners im spezifischen; 3. die Erschliessung von neuen Einsatzgebieten für terrestrisches Laserscanning im Bereich der Ingenieurvermessung. Zusätzlich soll diese Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis der Laserscanning-Technologie und deren Integration in das Gebiet der Vermessung leisten. Als Distanzmesssensor für das neue Messsystem wurde der Profilscanner SICK LMS von der Firma Sick AG ausgewählt. Dieser Sensor ist aus den Bereichen der Robotik und der industriellen Anwendungen (u.a. Sicherheitssysteme) bekannt. Anhand eines Anforderungskatalogs an das neue Messsystem wurden die Komponenten ausgewählt. Die Anforderungen sind fokussiert auf den Einsatz zur Vermessung von Schachtkammern. Weiter zeigt diese Arbeit, dass eine geeignete Kalibrierung der eingesetzten Komponenten und des gesamten Messsystems Anwendungen im Bereich der Ingenieurvermessung ermöglicht. Passende Kalibrierroutinen wurden dazu entwickelt. Intensive zusätzliche Untersuchungen des entwickelten Messsystems erlauben Aussagen zur Messgenauigkeit und Leistungsfähigkeit. Der terrestrische Laserscanner ZLS07 ist das Resultat der Entwicklung eines neuen Messsystems basierend auf der Laserscanning-Technologie. Der ZLS07 ist ein robuster und zuverlässiger terrestrischer Laserscanner, welcher die Anforderungen für die Aufnahme von Schachtkammern erfüllt. Die Grenzen des Laserscanners liegen in den Bereichen der maximalen Messdistanz, der Messgenauigkeit und der Winkelauflösung. Zusätzlich zu den Entwicklungen der Hardware wurde ein Ansatz zur automatisierten Auswertung von 3D-Punktwolken von Schachtkammern entwickelt und getestet. Der ZLS07 wird heutzutage erfolgreich bei der Vermessungsabteilung der Stadt Zürich eingesetzt. Neben der Aufnahme von Schachtkammern wurde der ZLS07 beispielsweise auch erfolgreich für die Bestimmung von Schadstellen in einem Verbrennofen oder für die Aufnahme von technischen Bauwerken eingesetzt.