Entwicklung, Kalibrierung und Evaluierung eines tragbaren direkt georeferenzierten Laserscanning Systems für kinematische Anwendungen

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1 Entwicklung, Kalibrierung und Evaluierung eines tragbaren direkt georeferenzierten Laserscanning Systems für kinematische Anwendungen Geodätische Woche 2015, Stuttgart Erik Heinz, Christian Eling, Lasse Klingbeil und Heiner Kuhlmann 16. September 2015 Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 1

2 Motivation wachsender Bedarf an räumlichen 3D-Daten terrestrisches Laserscanning (TLS) als Standardverfahren benötigt mehrere Standpunkte zur vollständigen Objekterfassung zeit- und kostenintensive Registrierung/Georeferenzierung Abhilfe: kinematisches Laserscanning mit direkter Georeferenzierung ( ) Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 2

3 Motivation direkte Georeferenzierung: Bestimmung von Position und Orientierung des Laserscanners mittels Zusatzsensorik Entwicklung eines tragbaren Systems mit erhöhter Mobilität! Gräfe (2007) ( ) ( ) Kukko et al. (2012) Glaus (2006) Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 3

4 87.5 mm Tragbares Laserscanning System direkte Georeferenzierungseinheit (GPS, IMU, Magnetfeldsensor) kombiniert mit einem low-cost 2D Laserscanner Gewicht < 1.5 kg (ohne Batterien, Metallrahmen), Größe dm bis m direkte Georeferenzierungseinheit GPS Antenne GPS Antenne 2D Laserscanner IMU Magnetfeldsensor 62 mm 62 mm Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 4

5 Direkte Georeferenzierungseinheit klein, leicht (240 g, ohne GPS Antennen/Batterien), echtzeitfähig Positions- und Orientierungsbestimmung in drei Schritten (σ Pos < 5 cm, σ Att < 0.5 1, 100 Hz) (1) RTK-GPS (Position) (2) GPS-Kompass (Kurswinkel) (3) GPS/IMU Integration (Position + Orientierung) Novatel OEM 615 GPS Empfänger Analog Devices ADIS IMU NI sbrio 9606 Prozessierungseinheit 4,5 cm Xbee Pro 868 Funkverbindung Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 5

6 87,5 mm 2D Laserscanner Eigenschaften des 2D Laserscanners Hokuyo UTM-30LX-EW (Impulslaufzeit) Arbeitsbereich bis 30 m (garantiert) Sichtfeld 270 mit 0,25 Winkelauflösung Geschwindigkeit 40 Profile/Sekunde Gewicht 210 g (ohne Kabel) Größe 62 mm 62 mm 87,5 mm low-cost Sensor (5475 $ 4889 ) Intensitäten, Multi-Echo-Technologie Genauigkeit im mm bis cm Bereich (abhängig von Entfernung & Umweltbedingungen) ( ) Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 6

7 Zeitsynchronisation hardware-basierte Zeitsynchronisation mit Triggerimpulsen PPS-Puls (Pulse per Second) SCS-Puls (Scanner Control Signal) Zeitstempel Position/Orientierung Zeitstempel Scanpunkt lineare Interpolation von Position/Orientierung auf die Scanpunkte Referenzstation Leica GPS 1200 Funk MSS-Plattform HMC 5883L Hokuyo ADIS Ublox LEA6T Novatel OEM 615 Xbee Pro 868 I²C SCS ETH SPI UART PPS UART UART National Instruments sbrio 9606 FPGA ISR DMA ISR DMA ISR DMA ISR DMA ISR DMA 400 MHz Prozessor Echtzeitbetriebssystem Speicherung der Scannerdaten Positions- und Orientierungsbestimmung Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 7

8 Systemkalibrierung Problemstellung Position und Orientierung der direkten Georeferenzierungseinheit beziehen sich nicht auf das Koordinatensystem des 2D Laserscanners 6 Freiheitsgrade unbekannt: α, β, γ, x, y und z x e y e = t x t y + R e n(l, B) R n b(φ, θ, ψ) R b s (α, β, γ) x s y s + x y z e t z z s z }{{}}{{} direkte Georeferenzierungseinheit 2D Laserscanner + Systemkalibrierung b-frame Z b Y b X b s-frame γ Z s Δx Δy Δz Y s β α X s Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 8

9 Y s [m] Z e [m] Systemkalibrierung Lösungsansatz Kalibrierfeld mit unterschiedlich orientierten Ebenen (Georeferenzierung des Feldes mittels 3D TLS und Passpunkten) simultanes, statisches Abscannen möglichst vieler Ebenen mithilfe des Systems aus unterschiedlichen Entfernungen und Blickwinkeln Ebenenpunkte (3D Scanner Leica ScanStation P20) Profilpunkte (2D Scanner Hokuyo UTM-30LX-EW) X s [m] X e [m] Y e [m] Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 9

10 Systemkalibrierung Lösungsansatz Scanpunkte des Systems müssen die Ebenengleichungen erfüllen g 1 : x e y e z e n x 1 =! 0 T n y n z Ebenen werden über die georeferenzierten 3D TLS-Punkte definiert g 2 : s e sin z e cos r e s e sin z e sin r e s e cos z e n x 1 =! 0 g 1 und g 2 als Bedingungsgleichungen in einem Gauß-Helmert Modell Varianzkomponentenschätzung für einzelne Beobachtungsgruppen T n y n z Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 10

11 Systemkalibrierung Ergebnisse Genauigkeiten im Bereich von mm und 1 /10 Translationen x m y m z m σ x m σ y m σ z m Rotationen α β γ σ α σ β σ γ Korrelationen unter 15 %, d.h. gute Trennbarkeit der Parameter x y z α β γ x y z α β γ Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie

12 Evaluierungsmethode Vergleich der kinematischen Punktwolken mit georeferenzierten statisch gescannten TLS-Referenzpunktwolken Soll-Ist-Vergleiche (Cloud-to-Cloud/C2C & Cloud-to-Mesh/C2M) in zwei Testfeldumgebungen (Klein-Altendorf/Poppelsdorfer Schloss) δ [cm] m -12 Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 12

13 Ergebnisse Soll-Ist-Vergleiche # Anzahl # Anzahl ~ 7 mm Klein-Altendorf < 68.4 % 4000 < 85.3 % 2000 < 97.8 % < 99.5 % δ (C2C) [cm] δ (C2M) [cm] # Anzahl # Anzahl Poppelsdorfer Schloss ~ 1.5 cm < 48.3 % ~ 9.5 cm < 78.2 % 500 < 93.5 % < 97.5 % δ (C2C) [cm] δ (C2M) [cm] d = 5.4 m δ (C2C) δ (C2M) d = 11.7 m δ (C2C) δ (C2M) Mittelwert (2.72 cm) 0.53 cm Mittelwert (6.53 cm) cm Median (1.91 cm) 0.10 cm Median (5.22 cm) cm STD (2.81 cm) 3.43 cm STD (5.41 cm) 8.12 cm RMS 3.91 cm 3.47 cm RMS 8.47 cm 8.21 cm Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 13

14 Varianzfortpflanzung Abschätzung der Systemgenauigkeit über Varianzfortpflanzung Nutzung der Parametergenauigkeiten und Varianzkomponenten Konsistenz: abgeschätzte und tatsächliche Genauigkeit σ 3D [cm] 20 abgeschätzte Genauigkeit tatsächliche Genauigkeit Poppelsdorfer Schloss Klein Altendorf d [m] Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 14

15 Ergebnisse Botanischer Garten Fläche von etwa m 2 mit rund 6.2 Millionen aufgenommen Mehrfach-Scan aller Bereiche (Punktwolke geometrisch konsistent!) Zeitaufwand ca Min. (Punktwolke direkt georeferenziert!) 50 m Oben rechts: ( ) Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 15

16 Ergebnisse Poppelsdorfer Schloss kinematischer Scan der Fassade am Poppelsdorfer Schloss in Bonn 20 m Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 16

17 Fazit und Ausblick Gewinn der Arbeit Entwicklung eines einsatzfähigen tragbaren Laserscanning Systems geometrische Systemkalibrierung in einem selbst installierten Kalibrierfeld mit einer Genauigkeit von wenigen mm und 1 /10 Systemgenauigkeit liegt im Bereich von cm bis dm (Parametergenauigkeiten/Varianzkomponentenschätzung vs. Soll-Ist-Vergleiche) Verbesserungspotential Kalibriermethode noch recht zeit- und kostenintensiv Kalibrierfeld nicht fest installiert, Auswertung wenig automatisiert systematische Abweichungen in den Punktwolken enthalten Ursachen nicht abschließend geklärt Ausblick: Aufbau eines Testfeldes zur Kalibrierung und Evaluierung von Mobile Mapping Systemen Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Erik Heinz Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn Tel.: 0228/ Erik Heinz 16. September 2015 Entwicklung eines tragbaren und direkt georeferenzierten Laserscanning Systems Folie 18