TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz

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1 TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Terrestrisches Laserscanning , Fulda Christoph Holst & Heiner Kuhlmann Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn Jens-André Paffenholz & Ingo Neumann Geodätisches Institut, Leibniz Universität Hannover

2 Motivation Aufgabe: Erstellung eines 3D-Modells von der Außenfassade des Poppelsdorfer Schlosses Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 2

3 Motivation Erster Auftragnehmer Statische Aufnahme Ca. 20 Standpunkte Registrierung über Zielzeichen => Messdauer: ca. 3 Tage Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 3

4 Motivation Zweiter Auftragnehmer Kinematische Aufnahme Bewegung 2 m/s => Messdauer: ca. 3 Stunden Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 4

5 Motivation Entscheidung klar? Unterschiede in Messdauer: Tage vs. Stunden Unterschiede in Punktwolkengenauigkeit: mm vs. cm dm => insb. Innere Genauigkeit Punktwolkenkonsistenz Unterschiede in Auflösung: mm vs. mm dm => Was sind die Anforderungen? Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 5

6 Messstrategien Messdauer vs. Genauigkeit Entwicklung geeigneter Messstrategien Statisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Kinematisches Laserscanning Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 6

7 Motivation => Aufgabe: Geometrische 3D-Erfassung der Gebäude Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 7

8 Gliederung Statisches Laserscanning Kinematisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 8

9 Statisches Laserscanning Quelle: Kern (2003) 3D-Scan von mehreren Standpunkten Unterschiedliche Koordinatensysteme Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 9

10 Statisches Laserscanning 3D-Scan von mehreren Standpunkten => Registrierung der untersch. Koordinatensysteme Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 10

11 Registrierung von 3D-Einzelscans X j X 0 R3( z ) R2( y ) R1( x ) x R(,, ) x y z j Rotationswinkel: Translation:,, x X 0 y z X Y Z T Ausgangssystem: Zielsystem: x X j j x X y z Y T j Z T j Quelle: Heunecke, Kuhlmann, Welsch, Eichhorn, Neuner (2013), S. 260 ff. => Bestimmung der 6 Transformationsparameter Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 11

12 Registrierung von 3D-Einzelscans Zielzeichenbasiert Softwarebasiert Hardwarebasiert Ebene Zielzeichen: SW-, BW-, Auto-Targets Räumliche Zielzeichen: Kugeln, Zylinder Punktkorrespondenzen: ICP Objektkorrespondenzen: Kugeln, Ebenen, Zylinder Teilregistrierung: GNSS, Neigungssensoren, Kompass Komplettregistrierung: GNSS, TPS, INS Quelle: Paffenholz (2012) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 12

13 Messstrategien Träger statisch Einzelscan 3D statisch Registrierung statisch zielzeichen- / softwarebasiert hardwarebasiert Messstrategie statisch Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 13

14 Genauigkeitsbetrachtung 1. Unsicherheit aus Laserscanner 2. Unsicherheit aus Registrierung Wunderlich et al. (2013), TU München, Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie, Heft 20 Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 14

15 Unsicherheit aus Laserscan Temperatur, Luftdruck, Atmosphäre Farbe, Reflektivität, Rauhigkeit, Netzkonfiguration Objekt Instrument Einfallswinkel, Distanz, Zufällige und systematische Abweichungen: => Streckenmessung: Nullpunktabweichung, Maßstab, => Strahlablenkung: Inorthogonalitäten, Exzentrizitäten, Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 15

16 Unsicherheit aus Registrierung => Beeinflusst nur Überlappungsbereich Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 16

17 Messdauer Beurteilung der Messstrategien statisch mm cm dm m Punktwolkengenauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 17

18 Anwendungen Deformationsanalysen, kleine Objekte, Detaillaufnahmen, Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 18

19 Fazit Statisches Laserscanning Meistens müssen mehrere Standpunkte nacheinander besetzt werden => zeitaufwändig Registrierung von kompletten 3D-Punktwolken => Inkonsistenzen nur an den Überlappungsbereichen Hohe Redundanz bei Registrierung => hohe Genauigkeit => Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen und ohne Zeitbeschränkung Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 19

20 Gliederung Statisches Laserscanning Kinematisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 20

21 Kinematisches Laserscanning 2D-Scans von kinematischem Träger Bewegung während der Aufnahme Registrierung über Zusatzsensorik Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 21

22 Beispiel eines kinematischen Trägers MoSES Uni BW München Quelle: Gräfe (2007) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 22

23 Kinematische Träger: zu Land, Topcon Scanable Google Finnish Geodetic Institute Google Sinning Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 23

24 Kinematische Träger: zu Wasser Scanable Finnish Geodetic Institute EUROSENSE Finnish Geodetic Institute Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 24

25 Kinematische Träger: und zu Fuß p3dsystems CSIRO Google Trimble Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 25

26 Beispiel eines kinematischen Trägers Handgetragenes System Uni Bonn 2D-Laserscanner Hokuyo UTM-30LX-EW: Impulslaufzeitverfahren, Intensitätswerte, Multi- Echo) Zusatzsensorik: Absolute Sensoren: GPS, Magnetfeldsensor Relative Sensoren: IMU Quelle: Heinz et al. (2015) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 26

27 2D-Abtastung und Registrierung 2D-Profilmessung durch Laserscanner Kinematischer Träger => Jeder einzelne Scanpunkt p s in neuem Sensorkoordinatensystem s Transformation ins Bodysystem b und anschließend ins übergeordnete Koordinatensystem g p g = T b g (ts )T s b p s => Registrierte 3D-Punktwolke (evtl. georeferenziert) => Registrierung von Einzelpunkten 1. Systemkalibrierung (T b s ) 2. Zeitsynchronisation (t s ) 3. g Trajektorienschätzung (T b ) Quelle: Kuhlmann & Klingbeil (2016) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 27

28 Registrierung: Systemkalibrierung Gesucht: Transformationsparameter T s b zwischen versch. Sensorkoordinatensystemen s und Bodysystem b => Systemkalibrierung Siehe auch Vortrag Paffenholz et al. Quelle: Kuhlmann & Klingbeil (2016); Heinz et al. (2015) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 28

29 Registrierung: Zeitsynchronisation Jeder Sensor hat eigene Abtastrate t i, teilweise nicht konstant => Keine zeitliche Referenz zwischen Messungen Quelle: Kuhlmann & Klingbeil (2016) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 29

30 Registrierung: Trajektorie Koppelortung mit relativen und absoluten Sensoren Trjaketorienschätzung T b g zur Transformation des Bodysystems b in übergeordnetes Koordinatensystem g Tachymeter IMU GNSS Filter (Kalman, Partikel, ) Magnetfeldsensor 2D-Scans T b g (ts ) 3D-Punktwolke Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 30

31 Messstrategien Träger statisch kinematisch Einzelscan 3D statisch 2D kinematisch Registrierung statisch zielzeichen- / softwarebasiert kinematisch hardwarebasiert Messstrategie statisch kinematisch Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 31

32 Genauigkeitsbetrachtung 1. Unsicherheit aus Laserscanner Wunderlich et al. (2013), Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie, Heft 20 Oft werden 2D-Profillaserscanner eingesetzt Klingbeil et al. (2014), TLS 2014, Fulda => Unsicherheit aus Laserscanner vergleichbar mit statischem Fall Falls günstigere (insb. leichtere) Laserscanner eingesetzt werden: schlechtere Genauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 32

33 Genauigkeitsbetrachtung 2. Unsicherheit aus Registrierung Jeder Scanpunkt wird einzeln registriert Durch kinematische Registrierung geringere Redundanz => Genauigkeit und Konsistenz der Punktwolke geringer Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 33

34 Messdauer Beurteilung der Messstrategien statisch kinematisch mm cm dm m Punktwolkengenauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 34

35 Beispiel Maschinenhalle: statisch Registrierung über Zielzeichen (inkl. Georeferenzierung) Genauigkeit Punktwolke: mehrere Millimeter Quelle Foto: Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 35

36 Beispiel Maschinenhalle: kinematisch Cloud2Cloud-Vergleich zu statischem Laserscan: Abweichungen < 12cm Unsicherheit hauptsächlich aus Registrierung: insb. systematische GPS- Abweichungen Quelle: Heinz et al. (2015) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 36

37 Anwendungen Kartierung von Straßen Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 37

38 Fazit kinematisches Laserscanning Größere Bereiche können schnell gescannt werden Registrierung jedes einzelnen 2D-Scanpunktes separat => Ungenauigkeit der Registrierung verursachen Inkonsistenzen in gesamter Punktwolke Redundanz bei kinematischer Registrierung geringer => Genauigkeit geringer, systematische Abweichungen der Zusatzsensorik lassen sich nur teilweise detektieren => Anwendungen, bei denen Schnelligkeit eine größere Rolle als die Genauigkeit spielt Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 38

39 Gliederung Statisches Laserscanning Kinematisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 39

40 Messstrategien Träger statisch kinematisch Einzelscan 3D statisch 2D kinematisch Registrierung statisch zielzeichen- / softwarebasiert kinematisch hardwarebasiert Messstrategie statisch stop & go statisch kinematisch kinematisch Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 40

41 Statisches stop & go Laserscanning Quelle: Kern (2003) Statische 3D-Scans von kinematischem Träger Statische Registrierung der Einzelscans Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 41

42 Anwendungen Erfassung von Fahrbahnoberflächen Zusatzsensorik: Prismen (Tachymeter) Höhere Genauigkeit durch Scanning während des Stillstandes Quelle: Heikkilä et al. (2010) Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 42

43 Kinematisches stop & go Laserscanning Kinematische 2D-Scans von kinematischem Träger Statische + kinematische Registrierung der Einzelpunkte Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 43

44 Anwendungen: ProScan von p3d systems Aufnahme von Industrieanlagen: Genauigkeit wenige mm Kinematische Phasen: 8-10 Sek; Statische Phasen: 3-5 Sek Quelle: Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 44

45 Messdauer Beurteilung der Messstrategien statisch statisch stop & go kinematisch kinematisch mm cm dm m Punktwolkengenauigkeit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 45

46 Fazit stop & go Laserscanning Größere Bereiche können relativ schnell gescannt werden Auch hier: Registrierung entscheidender Faktor für Genauigkeit der Punktwolke Genauigkeiten im mm-bereich erzielbar => mögliche Alternative für statisches Laserscanning => Anwendungen mit relativ hohen Genauigkeitsanforderungen und mit Zeitbeschränkung Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 46

47 Gliederung Statisches Laserscanning Kinematisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Fazit Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 47

48 Fazit Statisches Laserscanning Stop & go Laserscanning Kinematisches Laserscanning Messdauer Hauptfaktor: Registrierung! Unsicherheit => Messstrategie anwendungsbezogen wählen Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 48

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Christoph Holst & Heiner Kuhlmann Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn Jens-André Paffenholz & Ingo Neumann Geodätisches Institut, Leibniz Universität Hannover Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 49

50 Literatur Gräfe, G. (2007): Kinematische Anwendungen von Laserscannern im Straßenraum, Dissertation, Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen Heikkilä, R., Kivimäki, T., Mikkonen, M., Lasky, T.A. (2010): Stop & go scanning for highways 3D calibration method for a mobile laser scanning system, 27 th International Symposium on Automation and Robotics in Construction IARC 2010 Heinz, E., Eling, C., Wieland, M., Klingbeil, L. & Kuhlmann, H. (2015): Development, Calibration and Evaluation of a Portable and Direct Georeferenced Laser Scanning System for Kinematic 3D Mapping, J. Appl. Geodesy, 9 (4) Holst, C. (2015): Analyse der Konfiguration bei der Approximation ungleichmäßig abgetasteter Oberflächen auf Basis von Nivellements und terrestrischen Laserscans, Dissertation, Schriftenreihe des Instituts für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn, Nr. 51 Kuhlmann, H. & Holst, C. (2016): Flächenhafte Abtastung mit Laserscanning, in: Handbuch Geodäsie, Springer, in Kürze veröffentlicht Kuhlmann, H. & Klingbeil, L. (2016): Mobile Multisensorsysteme, in: Handbuch Geodäsie, Springer, in Kürze veröffentlicht Paffenholz, J.-A. (2012): Direct geo-referencing of 3D point clouds with 3D positioning sensors, Dissertation, DGK C 689 Wunderlich, T., Wasmeier, P., Ohlmann-Lauber, J., Schäfer, T., Reidl, F. (2013): Objektivierung von Spezifikationen Terrestrischer Laserscanner Ein Beitrag des Geodätischen Prüflabors der Technischen Universität München, Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie, Heft 20 Christoph Holst, TLS im statischen, stop & go sowie kinematischen Einsatz Folie 50