Kinematisches terrestrisches Laserscanning und Rapid Mapping

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1 Kinematisches terrestrisches Laserscanning und Rapid Mapping Eine ingenieurgeodätische Betrachtung Geodätisches Institut Leibniz Universität Hannover

2 Inhalt Einführung Kinematisches terrestrisches Laserscanning (k-tls) k-tls für Mobile Mapping k-tls für bewegte Objekte Unsicherheit und Qualität Zusammenfassung und Ausblick

3 Einführung Ergebnis einer Internetrecherche (Vielzahl an Verweisen aus anderen Disziplinen) Was ist Rapid Mapping? Schnelles Erzeugen von Karten zum Erfüllen konkreter Nutzeranforderungen Kartographie unter Zeitdruck im Sicherheits- und Katastrophenmanagement Bereitstellung von Grundlageninformation für Entscheidungsprozesse

4 Einführung Wie funktioniert Rapid Mapping? Nutzung satellitenbasierter Fernerkundungsdaten Integration ti großer Datenmengen in kurzer Zeit Erstellung klassischer Karten und virtueller Landschaften

5 Einführung Versuch einer Einschätzung Räumliche Skalen Betrachtung von ausgedehnten Gebieten Erfassung von Außenbereichen Zeitliche Skalen Zeitdiskrete t Erfassung Momentaufnahmen Zeitachse als Ordinalskala

6 Einführung Zugriff auf vorhandene Datenbestände Angepasste Karteninhalte und -ausschnitte 2D 3D (bzw. 2½D) Ggf. schnelle Neuerfassung aus der Luft Verfügbare Sensorik (Satelliten, Flugzeuge) Gezielte vs. routinemäßige Erfassung Automat. Aufbereitung und Analyse der Daten Integration mit vorhandenen Datenbeständen

7 Einführung Versuch eines Fazits aus diesen Informationen Map = kartographische Abbildung = Karte Mapping = Erstellung einer Map Rapid Mapping = schnelles Erstellen kurzfristiges Erstellen von (Sequenzen von) Maps

8 Einführung Sichtweise der Ingenieurgeodäsie Produktorientierung vs. Prozessorientierung Beschreibung eines Objekt- zustands Geometriebezogene Merkmale Erfassung Auswertung und Analyse Bereitstellung

9 Einführung Sichtweise der Ingenieurgeodäsie Produktorientierung vs. Prozessorientierung 3D-Objektinformation und kontextrelevante Merkmale in wechselnden Umgebungen Qualitätsnachweis Aktualität Eindeutigkeit it Genauigkeit (geometrisch und semantisch) Kosten

10 Einführung Sichtweise der Ingenieurgeodäsie Produktorientierung vs. Prozessorientierung Schnelle Erfassung, Analyse und Bereitstellung der Ergebnisse Qualitätsnachweis Verfügbarkeit & Stabilität des Bezugsrahmens Integrität des Mess- und Auswertesystems t Zuverlässigkeit Datengenese und Unsicherheitsübertragung

11 Einführung Typische Aufgaben in der Ingenieurgeodäsie Erfassung von Objekten mit Raumbezug wie Gebäude, Anlagen,... Dokumentation Überwachung von Veränderungen Monitoring Ziel: Aussagekräftige g digitale Datenbestände Genauigkeit und Zuverlässigkeit Terrestrisches Variables bis hohes Level-of-Detail Laser- Effektivität und Effizienz des Scanning Verfahrens(TLS) Aktualität und Nachhaltigkeit it der Daten

12 Einführung TLS Spezifikationen Schnell, unmittelbar 3D, reflektorlos Hohe räumliche Auflösung Kurze bis mittlere Entfernungen Erweiterung des Spektrums der geodätischen Sensoren zur Erfassung und Überwachung Infos zu Position, Orientierung und Form + Remissionswert + ggf. zeitliche Änderungen

13 Einführung Ingenieurgeodäsie und Rapid Mapping Räumliche Skalen Betrachtung von abgegrenzten, eher lokalen Gebieten ete Erfassung von Innen- und Außenbereichen Zeitliche Skalen Zeitdiskrete und -kontinuierliche Erfassung Zeitachse als metrische Skala

14 Einführung Zugriff auf vorhandene Datenbestände Primär Punktorientierung 2D 3D Ggf. schnelle Neuerfassung vom Boden Verfügbare Sensorik (polare Verfahren, GPS) Gezielte Erfassung mit ggf. eigener Referenz Automat. Aufbereitung und Analyse der Daten Integration mit vorhandenen Datenbeständen

15 Einführung Bezug zum Rapid Mapping Fazit Map = raum-zeitliche Abbildung der Umgebung Mapping = Prozess der Erstellung einer Map Konsistente und hoch genaue Realisierung eines Bezugssystems (Georeferenzierung) Nutzung von Werkzeugen wie TLS unter Beachtung metrologischer Standards Rapid Mapping mittels kinematischem TLS (k-tls) Mobile Mapping (bewegte Plattform) Schnelles Scannen (stabile Plattform)

16 Einführung Kinematisches terrestrisches Laserscanning (k-tls) k-tls für Mobile Mapping Dokumentation k-tls für bewegte Objekte Unsicherheit und Qualität Zusammenfassung und Ausblick

17 Mobile Mapping mit k-tls Scannen von bewegter Plattform Profilmodus (2D-Scans) Dritte Dimension durch die Bewegung der Plattform + Georeferenzierung jedes einzelnen Scanpunktes Quelle: Zoller+Fröhlich, 2006 Aktuelle Diss. am GIH: C. Hesse = Erfassung von geometr. 3D-Umgebungsinformation

18 Mobile Mapping mit k-tls Leica / Zoller + Fröhlich Leica Z+F HDS 4500 Imager 5003 (OEM) Vorteil: Effizienz Sehr hohe Datenrate bis Pixel/s Messung im Profilmodus Hz für Profile Static Modus möglich Nachteil: Nahbereich Rauschen Mehrdeutigkeit der DM

19 Mobile Mapping mit k-tls Fahrzeug Odometer L1 GPS Receiver Accelerometer Gierratensensor Imager 5003 System Inklinometer Kreisel Geodätischer L1/L2 GPS-Empfänger VRS DGPS-Empfänger Multisensorsystem (+ Navigationssensorik) Messrechner zur Zeitsynchronisation

20 Mobile Mapping mit k-tls GPS-Referenzstationen (absolute Koordinaten) Lokale Koord. je Profil Scanposition GPS Azimut Beschleunigung Ergebnis:... Odometer, etc. Trajektorie des Scannerzentrums + Vollständig entzerrte Punktwolke

21 Mobile Mapping mit k-tls Kinematik Geschwindigkeit Profilabstand Fahrzeuggeschwindigkeit Profilabstand = Punktabstand in Längsrichtung [m] 33 Hz 50 Hz 100 Hz geschwindigkeit Z+F 5003 Z+F 5006 Z+F km/h (1.4 m/s) 10 km/h (2.8 m/s) 25 km/h (6.9 m/s) Punktabstand in Vertikalrichtung 20 m Abstand < m

22 Mobile Mapping mit k-tls 113 Y Kfz Inklino- Scanner meter IMU GPS- Ant. 100 GPS- Ant X Kfz Prinzipieller Aufbau des Messwagens

23 Beispiel: Geodätisches Institut Litfaß- säule Treppe Fahrbahnmarkierungen Hauseingang Fahrweg 3D-Punktwolke mittels Messwagen (Perspektive)

24 Beispiel: Geodätisches Institut Fassade Fahrzeuge 3D-Punktwolke mittels Messwagen (Steilsicht)

25 Details Stufen der Außentreppe Fahrweg

26 Beispiel: Geodätisches Institut Fehlerhafte Synchro- nisierung von GPS und Scanner

27 Beispiel GIH Scandauer GPS-Auswertung Punktwolke (Berechnung + Filterung) 90 sec 3 min 4 min Gesamtdauer bis zum gezeigten Ergebnis: weniger als 9 min

28 Beispiel: Hauptgebäude pg der Universität Hannover Welfengarten Hannover 3D-Punktwolke mittels Messwagen (Vogelperspektive)

29 Beispiel: Hauptgebäude 3D-Punktwolke mittels Messwagen (Perspektive)

30 Beispiel Hauptgebäude Scandauer GPS-Auswertung Punktwolke (Berechnung + Filterung) 4 min 3 min 15 min Gesamtdauer bis zum gezeigten Ergebnis: etwa 22 min

31 Mobile Mapping mit k-tls Wertung im Rapid-Mapping-Kontext Effiziente und kostengünstige Erfassung von 3D- Umgebungsinformation autonom längs einer Trajektorie mit sub-dm-genauigkeit möglich Voraussetzung: GPS-Empfang Systemimmanente automatische Georefenzierung Verbesserung möglich durch Zusatzsensorik sowie Einbeziehung von Objektrauminformationen Metrische und semantische Genauigkeit

32 Einführung Kinematisches terrestrisches Laserscanning (k-tls) k-tls für Mobile Mapping k-tls für bewegte Objekte Monitoring Unsicherheit und Qualität Zusammenfassung und Ausblick

33 k-tls für bewegte Objekte Schleusentor Hoch auflösendes Monitoring 3D 2D Langsame, aperiodische Veränderung Turm einer Windenergieanlage 2D 1D Schnelle, periodische Veränderung Hubbrücke Kopplung 2D k-tls mit Neigungssensorik Schnelle, unregelmäßige Veränderung

34 Anwendungsbeispiel Schleusentor Schleuse Uelzen I Innenansicht Außenansicht

35 Anwendungsbeispiel Schleusentor Oberflächenscan: 3D Profilscan: 2D Außenansicht 3D-Punktwolke (Farbcodierung: Intensität)

36 Anwendungsbeispiel Schleusentor Definition eines Gitters (z.b. 1 m 1 m) 4 1 m Abbildung in Zeilenvektor 10 1 m

37 Anwendungsbeispiel Schleusentor Rahmendaten der Messungen Dauer einer Schleusung: ca. 14 min. 3D-Messungen Einzelscan in ca. 21 s 2D-Messungen Etwa 12 Profile / s 32 Scans à ca Pkte 7600 Scans à ca Pkte Blockelemente: 1 m 1 m Zeitreihen der Blockmittelwerte Intervallbreite: 0,5 m Blockmittelwerte + zeitliche Glättung

38 Anwendungsbeispiel Schleusentor Gitter auf Tor: zeilenweise Plötzliche liche Translation [m] eformation D Schleuse leer Schleuse voll Lineare Verformung Zeitreihen der 3D-Scans Rückgang der Verformung Zeitachse Räumliche Auflösung: 1 m 1 m

39 Anwendungsbeispiel Schleusentor Anzahl der Profile: 5700 Fehlmessung [m] Lineare Verformung D eformation Plötzliche Translation Zeitreihen der 2D-Scans Rückgang der Verformung Horizontal- profil Zeitachse Zeitl. et Auflösung: s Lineare Auflösung: 0,5 m

40 Bewertung des Beispiels Bestimmung des geometrischen Verhaltens des Schleusentors bei variablen Belastungen Keine e Signalisierung Sg se gam Objekt erforderlich Schnell, hohe Genauigkeit und Auflösung 3D-Modus genügt prinzipiell Geringe Verformungsgeschwindigkeit 2D-Modus bietet t im gewählten Profil eine bessere zeitliche und räumliche Auflösung (Rauschreduktion möglich Faktor 10 20)

41 Anwendungsbeispiel Windenergieanlage WEA Schliekum: Tacke 1.5 s Gondelhöhe Rotordurchmesser 18 UPM 18 UPM 86 m 65 m 0.29 Hz 0.31 Hz

42 Anwendungsbeispiel Windenergieanlage Pylo on Mehrdeutige Entfernung (zu berücksichtigen) Typischer Ablauf Profilscan 6 Klassen (1 m Breite) Max. Höhe H = 42 m H = 41 m H = 40 m d = 1 m Gescanntes Profil Gescannter Punkt Gefilterter Punkt Mehrdeutigkeitskorrektur Klassenbildung r = 53.5 m H = 7 m 36Räuml. Glättung H = 6 m H = 5 m Sockel Scanner Weitere Analyse

43 Anwendungsbeispiel WEA 37 m Höhe 2D-Modus 1D-Modus 12.5 Hz Erfassungsrate 32 khz Räumlich: h = 1 m Zeitlich: t = 1/32 s Filter (ca. 50 Einzelpunkte) (1000 Einzelpunkte)

44 Anwendungsbeispiel Windenergieanlage Frequenzanalyse (1D-Modus) Ausgeglichene Frequenzen ν 1 [Hz] σ 1 [Hz] ν 2 [Hz] σ 2 [Hz]

45 Bewertung des Beispiels 3D-Modus bei den hier auftretenden Frequenzen grundsätzlich nicht geeignet 2D-Modus gut geeignet g et räumliche Mittelung erforderlich 1D-Modus besser geeignet geringeres Rauschen Erweiterung: Einbindung in ein Sensornetz

46 Anwendungsbeispiel Hubbrücke Projektseminar am GIH 2005/06 Automatisierte Beweissicherung an einer Hubbrücke Rethe-Hubbrücke in Hamburg 3D-Modell aus Laserscans

47 Anwendungsbeispiel Hubbrücke Kurzperiodische Deformationen unter Verkehrslast Anordnung: Kinematisches TLS unter Brücke im Profilmodus auf rechten Hauptträger Neigungssensoren oben auf Hauptträger Zeitliche Synchronisierung von k-tls und Neigungsmesser Verkehrslastermittlung aus Videoaufzeichnung

48 Anwendungsbeispiel Hubbrücke Auswertung an definiertem i Punkt unterhalb des Neigungssensors max. Durchbiegung: 27,9 mm Rauschniveau: 01 0,1 mm

49 Bewertung des Beispiels Lkw und Zug detektiert Pkw nicht identifiziert Kopplung von k-tls mit heterogener Sensorik ist möglich (Synchronisierung!) Objektbezug durch Auswertemethodik Vollständige Integration ti erfordert auch eine bautechnische Modellierung

50 k-tls für bewegte Objekte Remote-Monitoring System mit k-tls Ableitung eines Regelverhaltens Automatische Detektion von Veränderung Schnelle Georeferenzierung Position und Orientierung des Scanners Einheitliches geodätisches Bezugssystem

51 Remote Monitoring: Programmsystem re-mo Sys Steuerung und Datenerfassung mit Laserscannern Leica HDS 4500 / Z+F Imager 5003 Modulare Implementierung in MS Visual C# 2005 Kommunikation nach dem Client-Server-Prinzip Projektbasierte Datenhaltung mit XML-Speicherung 3D-Punktwolke als grauwertcodiertes Intensitätsbild + Automatisierte Deformationsanalyse auf Basis von Differenzscans Diplomarbeit am GIH: J.-A. Paffenholz (2006)

52 Differenzscan: Bewegen eines Fahrzeugs Bewusste Verschiebung um geringen Betrag Keine Bewegung zwischen Messepochen Detektierte Objektbewegung von wenigen cm in einer Entfernung von ca. 20m

53 Schnelle Georeferenzierung Zuordnung eines Azimuts zu jedem 2D-Scanprofil Messungen Echter 360 2D- Laserscan Kinematische GPS- Messung mit 10 Hz Anforderung Synchronisation von TLS und GPS!

54 Schnelle Georeferenzierung

55 Schnelle Georeferenzierung Auswertung Zuordnung eines Azimuts zu jedem 2D-Profil des Laserscans Verifizierung durch tachymetrische Vergleichsmessungen Potential Vergleichsgenauigkeit für des Azimut: 0.05 (gerechnet aus 13 ausgewählten Punkten) Entsprechende Querabweichung: 2 25 m

56 Einführung Kinematisches terrestrisches Laserscanning (k-tls) k-tls für Mobile Mapping k-tls für bewegte Objekte Unsicherheit und Qualität Zusammenfassung und Ausblick

57 Unsicherheit und Qualität Produktorientierung Aktualität Grundlageninformation für Eindeutigkeit Entscheidungsprozesse! Genauigkeit (geometrisch und semantisch) Kosten Prozessorientierung Verfügbarkeit und Stabilität des Bezugsrahmens Integrität des Mess- und Auswertesystems Zuverlässigkeit Datengenese und Unsicherheit

58 Unsicherheit und Qualität Rahmenbedingungen aus der Sensorik Absolute und relative Referenzierung Zeitliche Synchronisierung, Systemkalibrierung Objekteinflüsse, Umgebungseinflüsse Unbekannte, zufällig bzw. deterministisch bedingte Abweichungen Unvollständigkeit bzw. Verlässlichkeit der Informationen zum Messsystem (Black-Box- Systeme, Komplexität, )

59 Unsicherheit und Qualität Rahmenbedingungen aus der Auswertung Vorverarbeitung: Korrektionen & Reduktionen, Parametrisierung, Ausreißersuche & Plausibilisierung, Gewichtung, Filterung & Glättung, Segmentierung, Modellierung (im weitesten Sinne) Parameterschätzung und statistische Tests Verarbeitung der Unsicherheiten aus der Sensorik sowie Einführung weiterer Unsicherheiten Erweiterung und Anpassung der Methoden

60 Unsicherheit und Qualität Exemplarisches Vorgehen Erweiterter Unsicherheitshaushalt: zufällige und unbekannte deterministische Abweichungen Unscharfes Intervall Fuzzy-Theorie Erweiterung der Kleinste-Quadrate-Schätzung Erweiterung des Kalman-Filters

61 Unsicherheit und Qualität Entscheiden unter Unsicherheit Erweiterung der statistischen Hypothesentests Eigenschaften Nicht entscheidbare Bereiche möglich Informationsdefizit Fehler 1. Art und 2. Art quantifizierbar

62 Zusammenfassung und Ausblick Das passend adaptierte k-tls unterstützt die schnelle 3D-Datenerfassung in besonderem Maße. Die Ingenieurgeodäsie leistet somit konkrete Beiträge im Kontext des Rapid Mappings. Frage der Begriffsbildung und Zielsetzung Unterschiede liegen in Punkten wie Genauigkeit, Wiederholrate und Semantik. Unsicherheiten bei sicherheitsrelevanten Aufgaben Umfassende Evaluierung Adäquate Modellierung Durchgreifende Übertragung