Erkennung und Erklärung von systematischen Effekten beim TLS
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- Charlotte Berger
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1 Erkennung und Erklärung von systematischen Effekten beim TLS DVW-Seminar TLS 2014, Fulda Christoph Holst, Jessica Tegelbeckers & Heiner Kuhlmann 11. Dezember 2014 Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 1
2 Aufdeckung systematischer Effekte Rückwärtsmodellierung systematischer Effekte Vorwärtsmodellierung systematischer Effekte Fazit und Ausblick Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 2
3 Radioteleskop Effelsberg Form- und Brennweitenänderungen beeinflussen Signalweg Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 3
4 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 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 4
5 Messtechnische Umsetzung Leica ScanStation P20 Auftreffwinkel, Sichtbarkeit, Symmetrie, Punktverteilung Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 5
6 Messtechnische Umsetzung Leica ScanStation P20 Auftreffwinkel, Sichtbarkeit, Symmetrie, Punktverteilung Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 5
7 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 Segmentierung, Ausreißereliminierung, Datenreduktion, Entfernung der perforierten Randbereiche Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 6
8 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 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 7
9 Vorläufige Ergebnisse Focal length [m] Residuals [mm] (75deg) Elevation angle [deg] Y[m] X[m] Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 8
10 Vorläufige Ergebnisse Focal length [m] Residuals [mm] (75deg) Elevation angle [deg] Y[m] 0 systematische Effekte des Scanners symmetrisch zum Scannerkoordinatensystem Aussagekraft von Brennweite und Residuen sehr beschränkt X[m] Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 8
11 Vorläufige Ergebnisse Focal length [m] Residuals [mm] (75deg) Elevation angle [deg] Y[m] 0 systematische Effekte des Scanners symmetrisch zum Scannerkoordinatensystem Aussagekraft von Brennweite und Residuen sehr beschränkt X[m] Trennung von Effekten und Deformationen? Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 8
12 Aufdeckung systematischer Effekte Rückwärtsmodellierung systematischer Effekte Vorwärtsmodellierung systematischer Effekte Fazit und Ausblick Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 9
13 Rückwärtsmodellierung Residuals [mm] (75deg) Y[m] ? X[m] (Kalibrierung) Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 10
14 Systematische Effekte Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 11
15 Systematische Effekte = Witte / Schmidt, 2000 Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 11
16 Systematische Effekte = Witte / Schmidt, 2000 Nullpunktabweichung, Maßstab Zielachs-, Kippachs-, Höhenindexabweichung Horizontale / vertikale Exzentrizität der Zielachse Horizontale Exzentrizitäten der Stehachse Exzentrizitäten des horizontalen / vertikalen Teilkreises... Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 11
17 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 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 12
18 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 Focal length [m] Y[m] Residuals [mm] (75deg) Elevation angle [deg] X[m] Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 12
19 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 Focal length [m] Y[m] Residuals [mm] (75deg) Elevation angle [deg] Trennung von Effekten und Deformationen! X[m] Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 12
20 Endgültige Ergebnisse Mean Residuals of Panels [mm] (75deg) Mean Residuals of Panels [mm] (15deg) Y[m] 0 Y[m] X[m] X[m] Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 13
21 ... 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 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 14
![... Aber... c i h ε t,1 ε t,2 ε β,1 e z [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mgon] [mm] 45 0.41 17.29 1.45 2.62-6.62 2.46-1.92 30 0.40 35.71-12.53-0.05-12.42 1.66 2.](/docs-images/48/24492311/images/22-0.png "27 Kalibrierparameter sind nicht konstant Keine geometrisch interpretierbaren Ergebnisse Kalibriermodell zur Rückwärtsmodellierung unzureichend! = www.leica-geosystems.")
22 ... 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 Kalibriermodell zur Rückwärtsmodellierung unzureichend! = Witte / Schmidt, 2000 (bearbeitet) Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 14
23 Aufdeckung systematischer Effekte Rückwärtsmodellierung systematischer Effekte Vorwärtsmodellierung systematischer Effekte Fazit und Ausblick Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 15
24 Vorwärtsmodellierung Residuals [mm] (75deg) ? Y[m] X[m] Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 16
25 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? Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 17
26 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell 1. Schritt: Hersteller kontaktieren Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 18
27 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell 1. Schritt: Hersteller kontaktieren = Hilft nicht! Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 18
28 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell 1. Schritt: Hersteller kontaktieren = Hilft nicht! 2. Schritt: Selber überlegen Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 18
29 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell 1. Schritt: Hersteller kontaktieren = Hilft nicht! 2. Schritt: Selber überlegen Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 18
30 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell 1. Schritt: Hersteller kontaktieren = Hilft nicht! 2. Schritt: Selber überlegen Welche Effekte können vorliegen und wie wirken diese? Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 18
31 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell Abweichungen von... Distanzmesseinheit Laser Spiegel Achsen Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 19
32 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell 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 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 20
33 Gesucht: Geeignetes Kalibriermodell 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 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 20
34 Simulation der systematischen Effekte z Horizontale Exzentrizität Laser: ev1 = 1.5mm Neigungsabweichung Spiegel: Φ = 2.5mgon Vert. Inorthog. der prim. Rot.achse: i1 = 2.5mgon x t β s y Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 21
35 Simulation der systematischen Effekte z Horizontale Exzentrizität Laser: ev1 = 1.5mm Neigungsabweichung Spiegel: Φ = 2.5mgon Vert. Inorthog. der prim. Rot.achse: i1 = 2.5mgon x t β s y hier: xz-ebene I Abstand: 10m Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 21
36 Horizontale Exzentrizität ev 1 Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 22
37 ev1 = 1.5mm 2.0mgon β +2.0mgon 9.5mgon t 6.5mgon 1.5mm s +1.5mm Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 23
38 Neigungsabweichung Φ Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 24
39 Φ = 2.5mgon β = mgon t 5.0mgon 1.0mm s +1.0mm Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 25
40 Φ = 2.5mgon Neigungsabweichung Φ = 2.5mgon Tachymetrische Zielachsabweichung c = 5.0mgon Witte / Schmidt, 2000 Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 26
41 Φ = 2.5mgon Neigungsabweichung Φ = 2.5mgon Tachymetrische Zielachsabweichung c = 5.0mgon Witte / Schmidt, 2000 vergleichbar mit Zielachsabweichung c = 2 Φ Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 26
42 Vert. Inorthog. der prim. Rot.achse i1 Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 27
43 i1 = 2.5mgon 2.5mgon β 2.4mgon +4.0mgon t +6.5mgon 1.5mm s +1.5mm Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 28
44 i1 = 2.5mgon Vert. Inorthog. der prim. Rot.achse i1 = 2.5mgon Tachymetrische Kippachsabweichung i = 2.5mgon Witte / Schmidt, 2000 Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 29
45 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 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 29
46 Aufdeckung systematischer Effekte Rückwärtsmodellierung systematischer Effekte Vorwärtsmodellierung systematischer Effekte Fazit und Ausblick Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 30
47 Fazit und Ausblick Fazit Systematische Effekte beim TLS vorhanden Auswirkungen bei vielen Anwendungen nicht vernachlässigbar Rückwärtsmodellierung (Kalibrierung) mit Tachymetermodell nur bedingt möglich Ausblick Realistischere Vorwärtsmodellierung systematischer Effekte zur Aufstellung eines Scannermodells Einbeziehung von Abweichungen der Distanzmesseinheit, Laser, Spiegel und Achsen Scannerabweichungen resultierende Effekte Y[m] Y[m] Residuals [mm] (75 deg) X[m] Residuals [mm] (75 deg) X[m] Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 31
48 ! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Christoph Holst Institut für Geodäsie und Geoinformation, Uni Bonn Tel.: 0228/ Holst, Ch., Artz, T., Kuhlmann, H. (2014): Biased and unbiased estimates based on laser scans of surfaces with unknown deformations, J. Appl. Geodesy, 8 (3), S Holst, Ch., Dupuis, J., Paulus, S., Kuhlmann, H. (2014): Flächenhafte Deformationsanalysen mit terrestrischen und Nahbereichslaserscannern eine Gegenüberstellung anhand von Beispielen, Allgem. Verm. Nachr., 7/2014, S , Wichmann Verlag, Berlin 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., Kuhlmann, H. (2014): Impact of spatial point distributions at laser scanning on the approximation of deformed surfaces, Wieser, A. (Hrsg.): Ingenieurvermessung 14, Beiträge zum 17. Internationalen Ingenieurvermessungskurs, Zürich, S , Wichmann Verlag 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, ahead of print Holst, Ch., Zeimetz, Ph., Nothnagel, A., Schauerte, W., Kuhlmann, H. (2012): Estimation of focal length variations of a 100-m radio telescope s main reflector by laser scanner measurements, J. Surv. Eng., 138 (3), S Christoph Holst 11. Dezember 2014 Systematische Effekte beim TLS Folie 32
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