Untersuchungen zu geeigneten Feldverfahren zur Überprüfung Terrestrischer Laserscanner

Transkript

1 Untersuchungen zu geeigneten Feldverfahren zur Überprüfung Terrestrischer Laserscanner Prof. Dr.-Ing. Wolffried Wehmann, HTW Dresden, FB Vermessungswesen/Kartographie 1 Prüfungen Terrestrischer Laserscanner an der HTW Dresden An der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) (HTWD) werden seit drei Jahren Untersuchungen zur Prüfung terrestrischer Laserscanner mit Geräten verschiedener Hersteller durchgeführt, die sich bisher vor allem auf Prüfungen im Sinne einer Annahmeprüfung erstreckten. Dazu wurden zwei Prüffelder eingerichtet, die praktisch alle erforderlichen Prüfungen von Terrestrischen Laserscannern ermöglichen. Ein hochgenaues Testfeld befindet sich in einer geschlossenen Halle im Laborgebäude Schnorrstraße der HTW Dresden. Das Gebäude ist eine ca. 70 m lange, 5 m breite und fast 1 m hohe Industriehalle, in der sich mehrere Labore der HTWD mit zahlreichen bodennahen Einbauten befinden. Das Testfeld wurde als hierarchisches Netz in vier Stufen so angelegt, dass es jederzeit erweiterbar ist. Aufbauend auf einem Basisnetz aus sechs stabil vermarkten Bodenpunkten mit einer 3D-Koordinatengenauigkeit von besser als 1,0 mm im Hallenboden wurden als zweite Ordnung je ein Passpunktnetz für Scanner der Firma Trimble (weiße Trimble-Kugeln vor einem dunklen Hintergrund), Riegl (Passmarken aus Reflexfolie des Typs Riegl Flat) und Leica (Zielmarken) in unterschiedlichen Höhen von 1 bis 9 m über dem Hallenboden signalisiert (siehe Abbildung 1). Die 3D-Genauigkeit dieser insgesamt 35 Punkte ist besser als 1,8 mm /WEHMANN 008/. Abb.1: Übersicht über das Prüfmarkennetz für Scanner der Firma Trimble Da die Punkte der Passpunktnetze meist zur Standpunktbestimmung bzw. zur Stationierung der Scanner verwendet und somit nicht direkt für Genauigkeitsuntersuchungen genutzt werden, wurde als dritte Ordnung ein weiteres Prüfmarkennetz aus 80 gut anzielbaren Zielmarken über die Hallen verteilt vermarkt und koordinatenmäßig mit nahezu gleicher Genauigkeit bestimmt. Um realistische Ergebnisse über die erreichbaren Genauigkeiten von schwieriger erfassbaren topographischen Detailpunkten zu erhalten, wurde weiterhin ein Netz sogenannter natürlicher Punkte in der gleichen Halle installiert. Es besteht aus etwa 30 markanten Schrauben, Nieten oder Metallecken, die alle mit einer räumlichen Punktgenauigkeit von besser als 4 mm bestimmt wurden. Sie sind bedingt durch ihre unterschiedliche Form ungenauer anzielbar und können von Scannern nicht automatisch als Zielmarken extrahiert, sondern nur als Punktwolkenobjekte erfasst werden. Damit können für unterschiedlich gut scannbare Ziele Lage-, Höhen- und 3D-Punktgenauigkeiten aus Soll-Ist-Koordinatenvergleichen sowie daraus abgeleitet Strecken- und Winkelgenauigkeiten für zu untersuchende Scanner und somit gerätebezogene Systemgenauigkeiten objektiv ermittelt werden. In dieser Halle erfolgen weitere Untersuchungen zum Auflösungsverhalten an einem dreidimensionalen Siemensstern, zu Kanteneffekten und Einflüssen unterschiedlicher Ziele (Art, Farbe, Oberflächenrauigkeit und Reflexionsvermögen der Zielmaterialien) mit speziellen Vorrichtungen. Um maximale Reichweiten von Laserscannern unter Praxisbedingungen abzuleiten und um erreichbare Punktgenauigkeiten über große Entfernungen objektiv beurteilen zu können, wurde im

2 HTW-Campus ein zusätzliches Reichweitentestfeld im Entfernungsbereich von 150 m bis 150 m angelegt. Hierzu wurden Klebemarken für unterschiedliche Scannertypen an Gebäuden in der Umgebung angebracht und tachymetrisch auf wenige Zentimeter genau in einem einheitlichen Koordinatensystem bestimmt. Zusätzlich wurden auch die Koordinaten von Gebäudepunkten wie Ecken und Wandkanten aufgemessen, um Passstrecken bilden zu können. Als Instrumentenstandpunkt dienen im gleichen Netz bestimmte Punkte auf dem Dach des Zentralgebäudes der HTW Dresden (Bodenpunkte und ein Messpfeiler) /WEHMANN 008/. Eine Netzübersicht ohne die Erweiterungen von 008 enthält Abbildung. Abb. : Übersicht über das Reichweitentestfeld der HTW (Hintergrundbild: Google Earth) In diesem Jahr konzentrierten sich die Untersuchungen zusätzlich auf die Erprobung bzw. Entwickung einfacher Feldverfahren zur nutzerseitigen Überprüfung von Terrestrischen Laserscannern. Diese sollten möglichst schnell und ohne größere Hilfsmittel oder koordinatenmäßig bekannte Prüffelder erfolgen. Damit kann jeder Gerätenutzer seinen Scanner regelmäßig überprüfen und feststellen, ob dieser Scanner uneingeschränkt einsatzbereit ist bzw. die vom Hersteller angegebenen Genauigkeitsgrenzwerte einhält. Andernfalls ist das Instrument zum Hersteller oder zu einer Servicewerkstatt zur Kalibrierung oder Reparatur einzuschicken. Untersuchungen zu Feldtestverfahren für Terrestrische Laserscanner Da es für Terrestrische Laserscanner zurzeit noch keine standardisierten Prüfverfahren als sogenannte Simplified test procedures gemäß ISO gibt, wurden in den letzten Monaten insgesamt drei einfache Verfahren mit den Scannern ScanStation und HDS 000 von Leica sowie dem LMS Z40i von Riegl untersucht. Zwei Verfahren basieren auf einem Vorschlag von Gottwald (FH Nordwestschweiz) und Tüxsen (Leica) und wurden 007 in Muttenz im Rahmen einer Diplomarbeit /GOTTWALD 008/ erfolgreich getestet. Ein drittes Verfahren wurde vom Autor selbst entwickelt. Alle drei Verfahren sind einfach auszuführen und können innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden..1 Das Crossed Double Distance Verfahren (CDP) nach Gottwald und Tüxsen Bei diesem Zweidistanzverfahren oder Crossed Double Distance Prodedure (CDP) erfolgt die Scannerprüfung von zwei Standpunkten zu zwei annähernd rechtwinklig zueinander liegenden Teststrecken, wobei die Zielmarken oder 4 sich in einer signifikant anderen Zielhöhe im Vergleich zu den anderen drei Marken befinden sollten (möglichst mehrere Meter höher). Auf Station 1 wird der Scanner in der Verlängerung der Linie 1- aufgestellt, um von diesem Standpunkt aus

3 alle vier Ziemarken zu scannen. Danach wird der Scanner auf Station, die sich innerhalb der Linie 3-4 befindet, aufgebaut (siehe Abbildung 3) und es werden wiederum alle Zielmarken gescannt. Aus den Messwerten werden dann die Streckenlängen der Linien 1- und 3-4 aus den Scans beider Stationen ermittelt und schließlich mit den zulässigen Abweichungen verglichen. Abb. 3: Messungsanordnung der Crossed Double Distanz Procedure (CDP) Falls Scanner regelmäßig nach diesen Verfahren geprüft werden sollen, empfiehlt es sich zur schnellen und routinemäßigen Durchführung der Feldtests, das Testfeld mit fest vermarkten Punkten anzulegen. Um den Prüfalgorithmus unter Alltagsbedingungen nachzubilden, sollte sich das Feld im freien Gelände befinden, zumal sicherlich die meisten Anwender bei Punktabständen von 30 bis 50 m nicht über die Möglichkeit verfügen, diesen Test im Inneren von Gebäuden durchzuführen. Zur Untersuchung der Korrektheit der Testprozedur wurden die Testfeldpunkte an der HTWD zusätzlich koordinatenmäßig mit Millimetergenauigkeit bestimmt. Allerdings konnte bei den Untersuchungen in Dresden die Vorgabe eines Höhenunterschiedes für Target 4 im Vergleich zu den anderen drei Zielmarken nicht realisiert werden, sodass keine Prüfung der Geräte auf Vertikalwinkelfehler möglich war. Die Geräteprüfungen nach dem CDP-Verfahren wurden mit der ScanStation mit Kugeltargets (siehe Abbildung 4), mit dem HDS 000 und dem LMS Z40i mit den jeweils vom Hersteller empfohlenen Zielzeichen (Black-White Targets bzw. Reflexfolien) durchgeführt. Gottwald empfiehlt, Kugelziele als Zielzeichen zu verwenden, da sie fest aufgebaut bleiben können und von allen Seiten aus messbar sind und somit Fehler durch das Drehen der Zielzeichen ausgeschlossen werden können /Gottwald 008/. Deshalb wurden vier im Kegelsport übliche Kugeln angeschafft, zentrisch aufgebohrt, mit einem passenden Gewinde für Leica-Zapfen versehen und ausgemessen. Die Durchmesser dieser Kugeln schwanken zwischen 10,5 mm und 10,74 mm. Mit der ScanStation erfolgte der CDP-Test mehrfach so, dass alle Ziele von jedem Standpunkt aus mehrfach gescannt wurden, um grobe Messfehler auszuschließen. Weiterhin wurden die Kugeln erst als Punktwolke in der Aufnahme- und Auswertesoftware Cyclone gescannt und danach als Kugeln generiert. Zusätzlich wurden die Kugelziele als Sphere-Targets generiert und nochmals gescannt, um auf diesem Weg einen Vergleich zwischen der generierten Kugel und der festgelegten Kugel anstellen zu können. Die Auflösung der gescannten Kugeln als Punktwolke betrug 1 mm gescannt bzw. 1, mm bei Verwendung der Funktion Targeted Scan. Bei der Analyse der Ergebnisse der Streckenvergleiche gemäß CDP-Test traten Fehler im Bereich von einigen Zentimetern auf. Deren Ursache dürfte im Reflexionsverhalten der glänzenden Oberflächen dieser gelben Kugeln liegen, zumal die Messungen unter freiem Himmel und bei Sonnenschein durchgeführt wurden. Das bestätigten weitere Untersuchungen mit den mattweißen Targetkugeln, die von der Firma Trimble vertrieben werden. Deshalb sollten Prüfungen mit der ScanStation unter freiem Himmel entweder mit den zugehörigen Zielmarken oder zu Kugeln mit rauer, nicht reflektierender Oberfläche durchgeführt werden. Deren Farbe sollte am besten ein helles

4 Grau sein (Eierschale). Da der Scanner von der Firma Leica Geosystems nur über einen begrenzten Zeitraum ausgeliehen war, konnten keine Nachmessungen mit Leica-Targets erfolgen. Abb. 4: Messung des Feldtestverfahrens CDP mit der ScanStation Die beiden anderen untersuchten Scanner HDS 000 von Leica und LMS-Z40i von Riegl bieten keine Möglichkeit, Kugelziele automatisch exakt zu erzeugen. Deshalb kamen hier die vom Hersteller empfohlenen zugehörigen Zielmarken zum Einsatz, die über den Passpunkten exakt zentriert werden können. Mit dem HDS 000 wurde der CDP-Test mehrmals erfolgreich durchgeführt, wobei die maximalen Streckenabweichungen der beiden Prüfstrecken aus den Messungen von beiden Instrumentenstandpunkten bei mm lagen. Das stimmt sehr gut mit den Ergebnissen überein, die im Prüffeld in der HTW-Halle bestimmt wurden. Probleme gabe es hingegen bei der Durchführung des CDP-Tests mit dem Scanner LMS-Z40i. Bei der Analyse der Resultate des Feldtests wurden Abweichungen zwischen den von beiden Standpunkten bestimmten Strecken von bis zu 1 mm sowie systematische Abweichungen zu den für Testzwecke verfügbaren Sollstrecken zwischen den Zielmarken von bis zu mm festgestellt, wie Tabelle 1 belegt. Damit liegen die Streckendifferenzen noch im Rahmen der von Riegl angegebenen Scannergenauigkeit, ergaben aber wesentlich schlechtere Genauigkeiten als alle anderen Tests im Sinne von Full Procedures. Die systematischen Streckenwidersprüche sind nach Meinung des Autors und seiner Mitarbeiter auf die Besonderheit des Scanners zurückzuführen, dass mit diesem Instrument keine Aufstellung der Scannerstehachse in der Lotlinie möglich ist, weil keinerlei Horizontierungsmöglichkeiten existieren. Da bei dem CDP-Test keine vorherige Stationierung des Scanners über Targets auf Passpunkten erfolgte, dürften die systematischen Streckenwidersprüche überwiegend auf unterschiedliche vertikale Ausrichtungen des Scanners auf den Standpunkten 1 und zurückzuführen sein. Tabelle 1: Ergebnisse CDP-Test mit dem LMS-Z40i Messung. Line 1 1 zu 3 zu 4 1 zu 3 zu zu 3 zu 4 TLS Station 1 [m] TLS Station [m] S1 - S [mm] 3,4 3,473 3,854 3,857 3,45 3,477 3,854 3,81 3,45 3,47 3,857 3, Reference [m] Soll-Ist Sation 1 [mm] 3,471 3,80 3,471 3,80 3,471 3,80 Soll-Ist Sation [mm] Das Dreiecksverfahren (TP) nach Gottwald und Tüxsen Beim Test nach dem Dreiecksverfahren bzw. der Triangle Procedure (TP) /GOTTWALD 008/ werden drei Zielzeichen in einem etwa gleichseitigen Dreieck aufgestellt. Eines der Zielzeichen

5 sollte eine signifikant andere Höhe aufweisen als die anderen Zielzeichen. Der Scanner wird auf beiden Stationen gemäß Abbildung 5 aufgebaut und es werden von jedem Standpunkt aus alle drei Zielzeichen gescannt. Station 1 befindet sich in diesem Testfeld hinter dem Zielzeichen 1 und Station wird in der Linie zwischen und 3 aufgebaut. Es werden aus den Scans die Strecken 1-, -3 und 1-3 ermittelt und mit den zulässigen Abweichungen verglichen. Abb. 5: Messungsanordnung des Dreiecksverfahrens (TP) Dieses Verfahren wurde nur mit dem LMS-Z40i erprobt und lieferte maximale Abweichungen der drei Prüfstrecken von 8 mm zwischen den Bestimmungen. Aus der Verteilung der systematischen Widersprüche zu den auf besser als 1 mm bekannten Sollstrecken zwischen den Targets war wie beim CDP Verfahren ein geringer Einfluss der Scannerneigung ablesbar..3 Das T-Verfahren nach Wehmann 30 m 50 m 0 m 30 m Abb. : Messungsanordnung des T-Verfahrens Eine alternative Möglichkeit für einen schnell zu absolvierenden Feldtest entwickelte der Autor selbst. In diesem T-Verfahren genannten Test werden von einem Scannerstandpunkt vier Prüfpunkte entsprechend Abbildung angemessen, wobei die Streckenlängen nur Empfehlungen sind und aus fehlertheoretischen Simulationsrechnungen stammen. Sind die Strecken zwischen dem Scannerstandpunkt und den vier Prüfpunkten bekannt oder wurden die Prüfpunkte unmittelbar vor Durchführung des Feldtests zwangszentrisch vom Scannerstandpunkt mit einem geprüften Tachymeter in einem lokalen Koordinatensystem bestimmt, so kann aus dem Vergleich zwischen der

6 Sollstrecke 1- und der ermittelten Strecke aus dem Scan die Streckenmessgenauigkeit des Instrumentes bestimmt werden. Da sich die Punkte 3 und 4 rechtwinklig zur Strecke 1- befinden, lässt sich aus den Abweichungen der Strecken -3 bzw. -4 die Winkelmessgenauigkeit des Scanners überprüfen. Sind keine Sollwerte verfügbar, funktioniert dieses Verfahren analog zum CDP-Test, indem man auf dem Prüfpunkt 1 den Scanner ein zweites Mal in der Messungsanordnung aufbaut und von diesem zweiten Scannerstandpunkt die Prüfpunkte bis 4 sowie den Scannerstandpunkt 1 bestimmt. Mit der ScanStation erfolgte die praktische Erprobung des T-Verfahrens nur in der Variante mit bekannten Sollstrecken im Freien bei Sonnenschein, wobei als Zielmarken die zugehörigen Targets des Herstellers verwendet wurden. Dabei traten maximale Abweichungen von mm gegenüber den auf 1mm genau bekannten Sollstrecken auf, wie Tabelle belegt. Tabelle : Ergebnisse T-Verfahrens mit der ScanStation Mittel Prüfpunkt Position Soll-Distanz d [m] Ist-Distanz d [m] Soll-Ist [mm] Streckengen. 1 4 m 48 m 4,007 47,989 4,005 47,987 Winkelgen ,070 59,48 0,08 59,481 1 Mit dem Riegl LMS-Z40i wurde das gleiche Prüfverfahren mit bekannten Sollstrecken getestet, jedoch im Testfeld im Inneren der Halle Schnorrstraße der HTW. Aus der Gegenüberstellung der Strecken ergab sich eine maximale Abweichung von 5 mm bei bis zu 0 m Streckenlängen für den Strecken- wie Richtungsvergleich, was innerhalb der Herstellerangaben für den Scanner liegt und sehr gut mit den Ergebnissen aus anderen Untersuchungen dieses Scanners übereinstimmt..3 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Alle drei untersuchten Feldverfahren sind zur einfachen Überprüfung von Scannergenauigkeiten gut geeignet und liefern bei einem Aufwand von zwei bis drei Stunden Messung und Auswertung vergleichbare Resultate. Damit können sie erfolgreich dem Nutzer des Scanners nachweisen, ob sein Instrument die Genauigkeitsparameter des Herstellers einhält oder ob der Scanner zur Justierung bzw. Reparatur eingeschickt werden muss. Das setzt aber voraus, dass die Hersteller dafür geeignete Genauigkeitsangaben zu ihren Scannern veröffentlichen. Literatur Wehmann, W. et al. (008): Untersuchungen des Laserscanners GX von Trimble in den Prüffeldern der HTW Dresden. In: Luhmann/Müller Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D-Messtechnik Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 008, Wichmannverlag Heidelberg, 008, S. 337 ff Gottwald, R. (008): Field Procedures for Testing Laser Scanners (TLS) A Contribution to a Future ISO Standard. In: Proceedings of the FIG Working Week 008, Stockholm, 008 Google Earth: Satellitenbild vom HTW-Campus in Dresden. (Zugriff )