Low-Cost vs. High-End Systeme im Vergleich 3D-Aufnahme der Ringwallanlage Lembecksburg auf der Nordseeinsel Föhr 1 / 37
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1 HCU HafenCityUniversität Universität für Baukunst und Metropolenentwicklung HAMBURGS NEUE UNIVERSITÄT Europas erste Universität für die bebaute Umwelt T. Kersten, M. Lindstaedt, K. Mechelke, D. Omelanowsky & J. Prenting Low-Cost vs. High-End Systeme im Vergleich 3D-Aufnahme der Ringwallanlage Lembecksburg auf der Nordseeinsel Föhr 1 / 37
2 15. Oldenburger 3D-Tage, Jade Hochschule Oldenburg, Februar 2016 Inhalt der Präsentation (1) Einführung (2) Ringwallanlage Lembecksburg (3) Datenerfassung (4) Datenauswertung & Resultate (5) Fazit & Ausblick 2 / 37
3 1. Einführung HCU im Einsatz für Archäologie-Projekte weltweit Aufgabe Objektdokumentation mit neuester Technologie Einsatz von High-End & Low-Cost 3D-Systemen Messkampagne (Projektwoche) auf Insel Föhr im Mai D-Dokumentation der Ringwallanlage Lembecksburg Praktische Tests mobiler 3D-Messsysteme Qualität? Projektunterstützung durch p3dsystems & Aerophoto HH Projektkooperation mit Archäologischem Landesamt SH 3 / 37
4 2. Ringwallanlage Lembecksburg Ort Insel Föhr, Landkreis Nordfriesland Arch. Ausgrabungen Keramik aus röm. Eisenzeit & Wikingerfundstücke Datierung Bau der Ringwallanlage ca. 8. Jahrhundert (vor Wikingerzeit) Google Maps Magnetikmessungen 2001 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Segschneider / 37
5 2. Ringwallanlage Lembecksburg Ort Insel Föhr, Landkreis Nordfriesland Arch. Ausgrabungen Keramik aus röm. Eisenzeit & Wikingerfundstücke Datierung Bau der Ringwallanlage ca. 8. Jahrhundert (vor Wikingerzeit) Google Maps Magnetikmessungen 2001 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 92 m Höhe 10 m 142 m Segschneider / 37
6 3. Datenerfassung Topographische Aufnahme mit Totalstation Leica TCRA1201 Topographische Aufnahme mit GNSS (Trimble S6 & Ashtech Solut.) Statisches terrestrisches Laserscanning mit IMAGER 5010 Mobiles terrestrisches Laserscanning mit dem portablen Scanningsystem von p3dsystems mit IMAGER 5010 Luftbildaufnahme mit einem Unmanned Aerial Vehicle (Hexacopter) Situation Gras nicht geschnitten Höhe Gras bis zu 40 cm! 6 / 37
7 3. Datenerfassung Topographische Aufnahme mit Totalstation Leica TCRA Topo-Punkte Innen Topo-Punkte Außen Scanner-Zielzeichen Systemkosten EUR 20K 7 / 37
8 3. Datenerfassung Topographische Aufnahme mit GNSS (Trimble R6 & Ashtech Solutions) Permanenter Signalverlust mit Ashtech-Rover wegen eines Kabels RTK mit Trimble R6 &VRS now Glatte Hänge (Abbruch) Ashtech-Referenzstation 8 / 37
9 3. Datenerfassung 45 Scan-Stationen Scan-Zeit (inkl. Umbau) ca. 12 Stunden an 2 Tagen Statisches terrestrisches Laserscanning mit IMAGER 5010 Scan-Auflösung 40 mm Punktgitter@ 30m (Grund: Targets) 4 Zielzeichen pro Standpunkt (außen) + Polygonzug (Wall) Systemkosten EUR 50K 9 / 37
10 3. Datenerfassung (2) Systemkomponenten des portablen Scanning-Systems von p3dsystems (1) (1) IMAGER 5010 (2) GNSS-Antenne/Empfänger (3) Inertial Measurement Unit (4) Tragegurt & Rucksack (5) Steuereinheit (Tablet) Systemkosten EUR 150K (4) (4) (5) (3) 10 / 37
11 3. Datenerfassung g Mio. Pkte 14:19 min m g4 41 Mio. Pkte 11:29 min m g Mio. Pkte 09:37 min 163,01 m g Mio. Pkte 09:08 min m 11 / 37
12 3. Datenerfassung g1 g4 g6 g7 12 / 37
13 3. Datenerfassung Resultat: Tracks 4 (3 Operatoren) Zeit 44 min 33 sec Daten 154 Mio. Punkte Strecke 1143,42 m 225 m 225 m 13 / 37
14 3. Datenerfassung Luftbildflug mit Unmanned Aerial Vehicle (Hexacopter, EUR ) Kamera Sony NEX-5 (16 mm Brennweite, 4592 x 3056 pix) Flugzeit 8 min 186 Fotos Manuelle Kontrolle wegen starkem Wind (steife Briese) Sky Hero Spy 750 Flughöhe 77m GSD 2,5cm Systemkosten EUR 5K Steuerung 3D Robotics Pixhawk 14 / 37
15 4. Datenauswertung & Resultate p3d systems/imager 5010 vs. UAV High-End-System Low-Cost-System 15 / 37
16 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung IMAGER Mio. Punkte Datenreduktion 1,15 Mio. Punkte 15 cm Punktabstand 16 / 37
17 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung IMAGER Mio. Punkte Datenreduktion 1,15 Mio. Punkte 15 cm Punktabstand Dreiecksvermaschung 2,3 Mio. Dreiecke (Datensatz 1) 17 / 37
18 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung IMAGER Mio. Punkte Datenreduktion 1,15 Mio. Punkte 15 cm Punktabstand Dreiecksvermaschung 2,3 Mio. Dreiecke (Datensatz 1) Filterung (Datensatz 2) Punktwolke mit 20 cm Zellen & niedrigster Z-Wert pro Zelle 18 / 37
19 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung IMAGER 5010 Verteilungsdiagramm Z-Differenzen IMAGER cm & lowest 20 cm Totalstation Ø Abweich m / -0.25m Max. neg. Abw m / -0.99m Max. pos. Abw. 0.01m / 0.03m [m] 0 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 -1,1-1,2 15cm lowest 20cm 19 / 37
20 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung k-tls Auswertezeit 2 Stunden (bis unbereinigte Punktwolke) Zielzeichen auf Box Zielzeichen auf Stativ 20 / 37
21 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung k-tls Auswertezeit 2 Stunden (bis unbereinigte Punktwolke) Zielzeichen auf Box Zielzeichen auf Stativ 21 / 37
22 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung k-tls Störende Effekte durch Systemaufbau (Punkte gelöscht) 22 / 37
23 4. Datenauswertung & Resultate Qualitätskontrolle p3dsystems vs. Referenz (Totalstation) Bereinigte Daten Datensatz 1: 15 cm Punktabstand, Vermaschung mit 1.6 Mio. Dreiecken Datensatz 2: Punktwolke mit 20 cm Zellen & niedrigster Z-Wert pro Zelle [m] 23 / 37
24 4. Datenauswertung & Resultate Qualitätskontrolle p3dsystems vs. Referenz (Totalstation) Negativer systematischer Höhenshift (zur Referenz) Verteilungsdiagramm Z-Differenzen p3d 15cm & p3d lowest 20cm Totalstation 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 -1,1-1,2 15cm lowest 20cm Ø Abweich m / m Max. Abw m / m Min. Abw m / 0.06 m [m] 24 / 37
25 4. Datenauswertung & Resultate Agisoft PhotoScan Orientierung (Kamerakalibrierung + Bildorientierung) & Rekonstruktion (dense point cloud) ca. 35 min Qualität Medium 8.8 Mio. Punkte 5 Passpunkte Verbesserungen XY = 6mm, Z = 2mm 25 / 37
26 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung UAV Datensatz 1: Punktwolke mit 8.8 Mio. Punkten, Punktabstand 15 cm, Vermaschung 1.6 Mio. Dreiecke 26 / 37
27 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung UAV Datensatz 2: Punktwolke mit 20 cm Zellen & niedrigster Z-Wert pro Zelle Vermaschung mit 1.6 Mio. Dreiecken 27 / 37
28 4. Datenauswertung & Resultate Datenauswertung UAV Qualitätskontrolle UAV vs. Referenz (Totalstation) [m] Verteilungsdiagramm Z-Differenzen UAV 15cm & UAV lowest 20cm Totalstation ,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 -1,1-1,2 15cm Ø Abweich m / -0.25m Max. neg. Abw m / -0.99m Max. pos. Abw. 0.01m / 0.03m lowest 20cm 28 / 37
29 4. Datenauswertung & Resultate 3D-Vergleich UAV vs. p3d systems yellow = UAV blue = p3d systems Höhenshift UAV höher als p3d systems 29 / 37
30 4. Datenauswertung & Resultate 3D-Vergleich UAV vs. p3d systems Höhenshift UAV höher als p3d systems [m] 30 / 37
31 4. Datenauswertung & Resultate Qualitätskontrolle p3dsystems & UAV & TLS vs. Referenz Negativer systematischer Höhenshift (Grashöhe) zur Referenz Geländemodell p3d, TLS & UAV höher als Referenz Verteilungsdiagramm Z-Differenzen (Datensatz 2) p3d & UAV & TLS lowest Totalstation p3d UAV Imager TLS Ø Abw. [m] Abw. min [m] Abw. max [m] p3d UAV TLS ,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 -1,1-1,2 31 / 37
32 5. Fazit & Ausblick 3D-Aufnahme Ringwall High-End & Low-Cost Systeme Schnelle Generierung eines vermaschten 3D-Modells Zeiten TLS 25h, p3dsystems 5h, UAV 5h (mit PP) Resultat Höhenshift zu Referenzdaten durch hohes Gras Resultat Höhenshift von UAV höher als p3dsystems & TLS Passpunkte für UAV/TLS erforderlich p3dsystems GNSS Ergebnis Mobile Systeme effizienter Ergebnis UAV lukrative Alternative zu Laserscanning Zukunft kompakte, kleine, leistungsfähige mobile Systeme 32 / 37
33 7. Workshop CAA 2016 in Computer Applications & Quantitative Methods in Archaeology Februar / 37
34 34 / 37
35 Lösungen für eine Welt im Wandel Dreiländertagung D-A-CH der DGPF, OVG und SGPF 7. bis 9. Juni 2016 in Bern 35 / 37
36 36 / 37
37 HCU HafenCityUniversität Universität für Baukunst und Metropolenentwicklung HAMBURGS NEUE UNIVERSITÄT Europas erste Universität für die bebaute Umwelt Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Prof. Thomas P. Kersten HafenCity Universität, Labor für Photogrammetrie & Laserscanning, Überseeallee 16, D-20457, 37 / 37
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