Zusammenführung von LiDAR Daten aus terrestrischem und UAV-basiertem Laserscanning für eine optimale Objektabdeckung

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1 1 Zusammenführung von LiDAR Daten aus terrestrischem und UAV-basiertem Laserscanning für eine optimale Objektabdeckung Thomas GAISECKER 1,Ursula RIEGL 2, Martin PFENNIGBAUER 2 1 RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, Horn tgaisecker@riegl.com 2 RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, Horn Einleitung 2015 hat RIEGL im Rahmen der Internationalen Geodätischen Woche in Obergurgl im Vortrag Hochpräzises Laserscanning für UAS/RPAS Anwendungen das ULS (Unmanned Laser Scanning)-System RIEGL VUX-SYS vorgestellt. Im folgenden Jahr wurde dann die komplett integrierte RIEGL ULS-Lösung mit dem selbst entwickelten Sensorträger-UAV, dem RiCOPTER, präsentiert. Die hervorragenden Leistungsmerkmale dieses vollwertigen, miniaturisierten Airborne Laserscanning (ALS) Systems wurden bisher vor allem im Vergleich zu konventionellem ALS präsentiert. ULS etablierte sich rasch als effiziente Ergänzung für ALS in kleinräumigeren Projekten. Im Bereich des TLS wurde ULS zu Beginn vielfach als verdrängender Konkurrent verstanden. Im diesjährigen Beitrag beschäftigen wir uns aber gerade mit der Zusammenführung von ULS- und TLS-Daten um systembedingte Vor- und Nachteile der jeweiligen Verfahren zu demonstrieren. Es zeigt sich, dass ULS auch in klassischen TLS-Szenarien als Ergänzung dienen kann, nämlich sowohl was die Kosten- und Zeiteffizienz eines Gesamtprojektes betrifft, als auch um durch neue Perspektiven den Umfang der Datenaufnahme zu erweitern oder zu komplettieren. Im direkten Vergleich hat sich aber gezeigt, dass TLS unbestritten die höchste Detailgenauigkeit liefert. Die Frage nach Qualitätskriterien zur Auswahl des geeigneten Sensorsystems für typische Aufgabenstellungen wird vor diesem Hintergrund kritisch beleuchtet. 1 Vorstellung der TLS und ULS Systemkomponenten und Kerntechnologien 1.1 ULS System Das ULS-Sensorsystem besteht aus dem RIEGL VUX-SYS (GAISECKER 2015, RIEGL 2016) und der UAV-Trägerplattform RiCOPTER (RIEGL 2016). Das VUX-SYS beinhaltet einen 2D Laserscanner (RIEGL VUX-1UAV (RIEGL 2016) oder RIEGL VUX-1LR (RIEGL 2016)), hochgenaue IMU/GNSS Sensoren zur Ermittlung von Position und Orientierung im Raum über der Zeit (Trajektorie), zwei Sony Alpha 6000 RGB Kameras sowie eine Kontrolleinheit zur Steuerung und Synchronisierung der einzelnen Sensoren und zur Speicherung von Daten. Das Gesamtgewicht des VUX-SYS liegt deutlich unter 8 kg. Das ermöglicht ein Gesamtgewicht des Systems (MTOM, Maximum Take Off Mass) von knapp unter 25 kg bei einer Flugdauer von bis zu 30 Minuten.

2 2 S. Hennig Auf der Intergeo 2016 stellte RIEGL einen noch leichterer LiDAR Sensor (vorrangig für kleinere UAV-Typen oder solche, die über weniger Traglastfähigkeit verfügen) vor, den neuen RIEGL minivux-1uav (RIEGL 2016) mit nur 1.55kg Gewicht. In Hinblick auf die mit ULS erfassten Datensätze kann festgehalten werden, dass diese sich durch sehr hohe Punktdichten bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit auszeichnen. Es gibt keine Notwendigkeit von Referenzpunkten am Boden. 1.2 TLS System RIEGL bietet ein extrem breitgefächertes TLS-Portfolio. Das Einsatzspektrum reicht von Innenraum- und Nahbereichsaufnahmen bis zu naturräumlichen Anwendungen, die auch extrem große Reichweiten erfordern können. Für die hier angeführten Beispiele wurden RIEGL VZ-400i und RIEGL VZ-4000 Laserscanner verwendet. Wie die RIEGL ALS-Laserscanner und -Systeme setzen auch die RIEGL TLS-Geräte auf Wellenformdigitalisierung und Online Waveform Processing verbunden mit den Vorteilen hoher Messgenauigkeit und Mehrzielfähigkeit (PFENNIGBAUER & ULLRICH 2010). Die Instrumente arbeiten mit sehr hohen Messraten, was in Verbindung mit großen Reichweiten zu Entfernungsmehrdeutigkeiten führt. Wir sprechen in diesem Zusammenhang von MTA (Multiple Time Around) Situationen. Diese Mehrdeutigkeiten können allerdings durch spezielle Algorithmen gelöst werden (RIEGER & ULLRICH 2012). Grundlage jedes weiteren Nachbearbeitungsschritts sind eine zuverlässige MTA-Auflösung und eine präzise Registrierung der einzelnen Scanstandorte. Unter Registrierung versteht man die Zusammenführung verschiedener Scan-Positionen in ein übergeordnetes, wohldefiniertes Koordinatensystem. Diese beiden Arbeitsschritte erfolgen herkömmlich im Post- Processing innerhalb der RIEGL-Software RiSCANPRO wurde der RIEGL VZ-400i (RIEGL 2016) vorgestellt, bei dem es sich um ein terrestrisches Laserscanning-System (TLSS) handelt. Die in diesem Instrument enthaltene duale Prozessor-Architektur mit zusätzlichen Sensoren und Kommunikationstechnologien ermöglicht Echtzeit-Prozessierung der Scandaten. Die Nachbearbeitungsschritte MTA-Auflösung und Registrierung können somit erstmals vollautomatisch parallel zur eigentlichen Datenaufnahme im Hintergrund bewerkstelligt werden. Der Anwender verlässt das Feld mit einer bereits korrekt registrierten Punktwolke aus allen Scan-Positionen. 2 Datenfusion TLS und ULS In den folgenden Abschnitten werden Aspekte der beiden Erfassungsmethoden untersucht und Empfehlungen hinsichtlich der Bevorzugung von MLS oder ULS für bestimmte Anwendungen bzw. des parallelen Einsatzes beider Methoden mit anschließender Zusammenführung der Datensätze gegeben. Im ersten Beispiel beziehen wir uns dabei auf eine methodische Begründung für eine derartige Datenfusion, im zweiten vorrangig auf technische Machbarkeit und optimale Messqualität und im dritten auf die komplementäre Erfassung von Strukturen und die operative Effizienz. In jedem der drei Fälle geht es um die optimale Nutzung des Potentials von ULS und TLS.

3 Umweltbildung und GIS: Widerspruch oder Innovation? Kinematische Scanverfahren: Trajektorienberechnung Die Qualität eines Datensatzes aus ULS Daten hängt wie bei aus ALS und MLS gewonnenen Daten kritisch von der Trajektorienberechnung ab. Die Software RiPRECISION dient der Verbesserung der Trajektorie von kinematischen Daten. Zunächst wird im klassischen Sinne eine Trajektorie aus GNSS-Daten, IMU-Daten und GNSS-Basisstationsdaten auf Grundlage einer Kalman-Filterung berechnet. Dies ist der Standard-Workflow, wie er bei allen kinematischen Datensätzen (ALS, MLS, ULS) angewendet wird. Wird bei der Datenaufnahme darauf geachtet, dass Datensätze mit redundanten Bereichen (Überlappungen) aufgenommen werden, kann RiPRECISION diese Überlappungen nutzen, um idente Objekte in den unterschiedlichen Scanstreifen zu detektieren und die Trajektorie unter Minimierung der Fehlerabweichungen in den Überlappungen (Abbildung 1) neu zu berechnen. Um die Gesamtgenauigkeit der berechneten Trajektorie nochmals zu erhöhen, können auch TLS Daten als Referenz definiert und die Trajektorie so berechnet werden, dass die Abweichung der ULS-Daten bezüglich dieser Referenz minimiert wird. In diesem Fall stützt also TLS die Stabilität einer kinematischen Vermessung und wird als Werkzeug für die Datenprozessierung verwendet. Abb. 1: RiPRECISION Optimierung der Scandaten: Die beiden Bilder zeigen Punkwolken von ULS-Daten vor (links) und nach der Anwendung von RiPRECISION (rechts). Die Farbe der Punkte korrespondiert mit der Abweichung der Punkte unterschiedlicher Scanstreifen. 2.2 Geländevermessung Unter diesem Punkt subsumieren wir die allgemeine topographische Geländevermessung ohne Erfassung von baulichen Objekten. Die Entscheidung ob TLS oder ULS die bessere Wahl darstellt, ist vor allem von Relief, Zugänglichkeit und Bewuchs abhängig. Generell kann man sagen, dass bei geringer Reliefenergie (flaches Gelände), schwieriger Zugänglichkeit und/oder starker Vegetationsbedeckung ULS zu bevorzugen ist. Bei flachem Gelände begrenzen beim TLS ungünstige Laserstrahl-Auftreffwinkel die Reichweite. Der Laser-Querschnitt wir zum einen zu einer sehr länglichen Ellipse deformiert, zum anderen verlängern sich die Punktabstände auf der

4 4 S. Hennig Vertikalachse des Lasers (also auf der gedachten Linie vom Laser in Blickrichtung) dramatisch. Tabelle 1 zeigt für ein typisches Scanmuster des VZ-400i den Punktabstand und die Verformung des Laser-Querschnitts zu einer länglichen Ellipse in verschiedenen Entfernungen. Tabelle 1: RIEGL VZ-400i - Verformung des Laser-Querschnitts Strahldivergenz: 0.35 mrad, Scanpattern: 40 Milligrad Winkelauflösung Entfernung zum Ziel 50 m 100 m 200 m 500 m 90 Auftreffwinkel Punktabstand (vertikale Scanachse) 0,04 m 0,07 m 0,14 m 0,35 m Laserfootprint (große Halbachse) 0,02 m 0,04 m 0,07 m 0,18 m flaches Gelände, 2 m Instrumentenhöhe Punktabstand (vertikale Scanachse) 0,89 m 3,62 m 15,01 m 105,72 m Laserfootprint (große Halbachse) 0,44 m 1,78 m 7,25 m 47,95 m flaches Gelände, 10 m Instrumentenhöhe Punktabstand (vertikale Scanachse) 0,18 m 0,71 m 2,84 m 18,09 m Laserfootprint (große Halbachse) 0,09 m 0,35 m 1,41 m 8,91 m Es zeigt sich, dass bei schlechtem Auftreffwinkel bereits bei relativ geringen Entfernungen kritische Werte (markierte Felder in Tabelle 1) erreicht werden. Für das TLS in flachem Gelände bedeutet dies relativ geringe Einsatz-Reichweiten, auch wenn der Scanner nominell eine große Reichweite bietet (PFENNIGBAUER, WOLF, ULLRICH, 2013). Um dieser Einschränkung entgegenzuwirken kann eine möglichst hohe Positionierung des Instruments vorgesehen werden, was aber oft mit beträchtlichem Aufwand verbunden ist. (Abbildung 2). Abb. 2: Technische Umsetzung einer erhöhten Gerätepositionierung und damit Gewährleistung einer besseren Scanperspektive.

5 Umweltbildung und GIS: Widerspruch oder Innovation? 5 Bei hoher Reliefenergie ergeben sich allerdings auch für das TLS günstige Auftreffwinkel, sodass selbst große Gebiete mit wenigen Scan-Positionen abgedeckt werden können. Hier können Geräte mit hohen Reichweiten (RIEGL VZ-4000/6000) vorteilhaft eingesetzt werden. Diese Scanner bewähren sich auch unter widrigsten klimatischen Bedingungen (tiefe Temperaturen, böige Windverhältnisse), bei denen Flugeinsätze von UAVs nicht möglich wären. Bei dichter Vegetationsbedeckung ist wiederum ULS zu bevorzugen. Zum einen nimmt die Fähigkeit Vegetation zu durchdringen mit zunehmender Entfernung ab, zum anderen muss der Laserpuls vom UAV aus aufgrund der Ausrichtung von oben nur eine kurze Strecke durch die Vegetation zurücklegen, sodass Bodenpunkte besser erfassbar sind. Bei der Zusammenführung von ULS- und TLS-Daten kann man feststellen, dass neben den bereits erwähnten Kriterien (Reliefenergie, Zugänglichkeit, Vegetationsbedeckung, klimatische Einschränkungen) die Sensorik selbst eine große Rolle spielt. Kinematisch aufgenommene Daten sind in der Regel was die Qualität der Daten-Registrierung betrifft im Genauigkeitsbereich von cm, während bei der statischen Datenaufnahme durchaus mm- Genauigkeit erreicht werden kann. Abbildung 3 zeigt die Visualisierung eines Oberflächenvergleichs einer TLS-Aufnahme zu einer ULS-Aufnahme. Um die Qualitätsunterschiede zwischen TLS und ULS korrekt aufzuzeigen, wurde in diesem Fall bewusst darauf verzichtet bei RiPRECISION die TLS-Daten als Referenz zu verwenden. Die ULS-Daten zeigen eine leichte Welligkeit der Daten im cm-bereich (Abbildung 3, linke Seite). Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass es bei den ULS-Daten aufgrund der nahezu perfekten Sichtbarkeiten keine Abschattungen gibt und die Daten einen höheren Detaillierungsgrad aufgrund der sehr geringen Messentfernungen aufweisen (Abbildung 3, rechte Seite). Letztendlich hängt es also von der Verfügbarkeit der Sensoren sowie von den äußeren Rahmenbedingungen der Messkampagne ab, ob ein ULS- oder TLS-System zum Einsatz kommt. In den seltensten Fällen werden beide Messsysteme komplementär verwendet werden, da pragmatisch ausgedrückt der Qualitätsgewinn den doch erheblichen Mehraufwand nicht rechtfertigt. Abb. 3: Vergleich eines TLS- und ULS-Datensatzes, Geländeaufnahme

6 6 S. Hennig 2.3 Gebäudevermessung Im Gegensatz zu der Geländevermessung gibt es bei der Bauaufnahme keine mehr oder weniger homogenen Oberflächen, die lediglich von einer Laserstrahl-Richtung abgedeckt werden müssen. Hier herrschen komplexe Strukturen vor, die überwiegend (mit Ausnahme der Dachlandschaften) vertikal ausgerichtet sind. Wie schon im vorigen Kapitel erwähnt, hat das TLS gerade auf solchen vertikalen Flächen seine Stärken. Darüber hinaus können die Scan-Standpunkte flexibel und entsprechend der Komplexität des Vermessungsobjektes gewählt werden. Die im Allgemeinen höhere Punktedichte sowie die höhere Genauigkeit der Registrierung sprechen ebenfalls für den Einsatz von TLS. Der Aspekt der Zugänglichkeit spricht allerdings oft für ULS. Sollen z.b. die Fassaden einer Burg, die auf steilen, oft mit dichter Vegetation bewachsenen Flanken steht, gescannt werden, so wird es nicht leicht sein, für TLS geeignete Standpunkte zu finden. Und insbesondere Dachlandschaften können in so einem durchaus typischen Fall ausschließlich mittels ULS lückenlos erfasst werden. Die perfekte Abdeckung eines komplexen Bauwerkes wird hier nur durch Zusammenführung von TLS- und ULS-Daten bewerkstelligt. Beim hier gezeigten Beispiel handelt es sich um Aufnahmen des Stifts Göttweig in Niederösterreich. Es wurde terrestrisch von ca. 200 Scanpositionen erfasst, die zusammen nahezu 3 Milliarden Messpunkte ergaben. Die Befliegung mittels UAV erfolgte in zwei Flügen zu je ca. 20 Minuten Aufnahmezeit und dabei insgesamt ca. 130 Millionen Punkte erfasst wurden. ULS liefert bei sehr geringer Aufnahmezeit eine nahezu komplette Abdeckung, allerdings bei deutlich geringerer Punktdichte (Abbildung 4). Abb. 4: ULS-Daten mit RGB-Information Stift Göttweig

7 Umweltbildung und GIS: Widerspruch oder Innovation? 7 Erst durch die aus geringer Höhe und bei niedriger Fluggeschwindigkeit erfolgte Datenaufnahme verbunden mit der extrem hohen Datenrate eines VUX-SYS kann eine so hohe Auflösung in Kombination mit der durch RiPRECISION gewährleisteten hohen Registriergenauigkeit erzielt werden, und damit eine bisher unerreichte Qualität von aus der Luft aufgenommenen Scandaten. Ein Vergleich der Daten auf einer vertikalen Fassade (Ausschnitt ca. 150 m²) macht jedoch den Auflösungsunterschied deutlich (Abbildung 5). Feine architektonische Details sind lediglich aus den TLS-Daten erkennbar. Natürlich könnte durch mehrmaliges Abfliegen oder durch einen geringeren Abstand zur Fassade auch eine höhere Punktdichte bei ULS erreicht werden, jedoch würde hier der Aufwand in keinem Verhältnis zum Resultat stehen. Abb. 5: Vergleich TLS-/ULS-Daten auf einer Fassade (linkes Bild: TLS-Ausschnitt, ca.1,3 Mio Messungen, rechtes Bild: ULS-Ausschnitt ca Messungen) Abb. 6: Kombination aus TLS- und ULS-Daten zur Gesamtabdeckung des Objekts (linkes Bild: TLS-Daten rechtes Bild: TLS/ULS-Daten kombiniert, ULS-Daten rot)

8 8 S. Hennig Für eine Gesamtabdeckung des zu vermessenden Objektes ist eine Befliegung mittels ULS dennoch unumgänglich, da nur damit die erwähnte lückenlose Erfassung der Dachlandschaften gewährleistet ist. Wieder kann beim kombinierten Einsatz von TLS und ULS in RiPRECISION der bereits registrierte TLS-Datensatz als Referenz herangezogen werden. Die ULS-Daten erreichen somit dasselbe Qualitätsniveau wie die TLS-Daten und ergänzen diese mit dem Ergebnis der Gesamtabdeckung des Objektes mit hochgenauen Laserscandaten (Abbildung 6). 3 Zusammenfassung ULS bringt das klassische ALS in kleinräumigere Projekte. Durch die Verwendung einer UAV-Trägerplattform, den RiCOPTER, ist eine in Geschwindigkeit und Abstand zum Objekt flexible Flugbahn möglich, die eine hohe Punktdichte am Vermessungsobjekt gewährleistet. Die Grenzen zwischen statischen 3D-Laserscanning (TLS) und kinematischen Laserscanning aus der Luft (ULS) werden aufgeweicht. Der Beitrag zeigt zum einen unter welchen Bedingungen die eine oder andere Methode zu bevorzugen ist, zum anderen dass sich beide Methoden auch perfekt ergänzen können. Literatur GAISECKER T. (2015): Hochpräzises Laserscanning für UAS/RPAS Anwendungen. Int. Geodätische Woche Obergurgl. PFENNIGBAUER, M. & ULLRICH, A. (2010): Improving quality of laser scanning data acquisition through calibrated amplitude and pulse deviation measurement. Proc. SPIE 7684, SPIE Baltimore. PFENNIGBAUER, M. & WOLF, C. & ULLRICH, A. (2013): Enhancing online waveform processing by adding new point attributes. SPIE Baltimore. RIEGER, P. & ULLRICH, A. (2012): Resolving range ambiguities in high-repetition rate airborne light detection and ranging applications. Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 6. RIEGL (2016): Datenblatt minivux-1uav. RIEGL (2016): Datenblatt RiCOPTER. RIEGL (2016): Datenblatt VUX-1LR. RIEGL (2016): Datenblatt VUX-1UAV. RIEGL (2016): Datenblatt VUX-SYS. RIEGL (2016): Datenblatt VZ-400i.