Hochschule Bochum. Bochum University of Applied Science. Bachelorarbeit. im Studiengang Vermessung

Transkript

1 Hochschule Bochum Bochum University of Applied Science Bachelorarbeit im Studiengang Vermessung 3D-Visualisierung der Basilika St. Ludgerus in Essen-Werden auf der Basis von Terrestrischem Laserscanning mit dem System Riegl VZ 400 Andreas Erlenbruch Referent: Prof. Dr.-Ing. H.-J. Przybilla Korreferent: Prof. Dr.-Ing. R. Staiger Bochum, Februar 2012

2 Aufgabenstellung Aufgabenstellung 2

3 Aufgabenstellung 3

4 Eidesstattliche Erklärung Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich, Andreas Erlenbruch, die vorliegende Bachelorarbeit selbstständig und nur unter Verwendung der von mir angegebenen Quellen verfasst zu haben. Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen. (Ort und Datum) (Andreas Erlenbruch) 4

5 Danksagung Danksagung Ich möchte mich bei allen Bedanken, die mich bei der Entstehung dieser Arbeit unterstützt haben. Insbesondere gilt mein Dank folgenden Personen: Herrn Prof. Dr.-Ing. Heinz- Jürgen Przybilla für die Ermöglichung dieser Bachelorarbeit, Bereitstellung des Arbeitsplatzes und des Instrumentariums, sowie der intensiven Betreuung. Herrn Prof. Dr.-Ing. Rudolf Staiger für die Übernahme der Korreferenz. Herrn Dipl. Ing. Rainer Brechtken für die Unterstützung bei der Messung, sowie für die Hilfestellungen während des Arbeitsprozesses. Meinen Kommilitonen, die mich während meiner Studienzeit begleitet haben und diejenigen, die mit mir im Labor für Photogrammetrie an ihren Abschlussarbeiten gearbeitet haben. Meiner Familie und Freundin für die Unterstützung während meiner Studienzeit. 5

6 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung... 2 Eidesstattliche Erklärung... 4 Danksagung... 5 Inhaltsverzeichnis Einleitung Motivation Das Objekt Datenerfassung Scanner (Riegl VZ 400) Targets Kamera Nikon D Nikon D2Xs Messung vor Ort Auswertung der Daten RiScan Pro Projectmanager Koordinatensysteme Erstellen eines neuen Projektes und Einlesen der Daten Anzeigen von Scans Registrierung Manuelles Hinzufügen von Verknüpfungspunkten Mounting Calibration PHIDIAS Allgemeine Funktionen AccuDraw AccuSnap Hilfskoordinatensysteme Ebenen Manager Scannerdaten Ansicht Haupttoolbox Erstellen eines neuen Projekts / Import Monoplotting

7 Inhaltsverzeichnis Vorbereitung für das Monoplotting Modellierungsbeispiele Säule Rosettenfenster Fenster auf einer gewölbten Oberfläche Vierungsturm Export Google SketchUp Vorbereitung Texturierung Einlesen von selbsterstellten Texturen Anwenden von Texturen Geländemodellierung Export Google Earth Fazit Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anlagenverzeichnis Anhang

8 Einleitung 1. Einleitung Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der 3D Visualisierung der Basilika St. Ludgerus in Essen-Werden auf Grundlage des Terrestrischen Laserscanning. Insbesondere soll hierbei das Augenmerk auf dem verwendeten Scanner, der mitgelieferten Software und dem zur Modellierung verwendeten Programm liegen. In der Arbeit wird der verwendete Scanner VZ 400 der Firma Riegl im Hinblick auf dessen Spezifikation und Messablauf beschrieben. Des Weiteren wird ein Einblick in die Verwendung des Programms RiScan Pro mit dem Focus auf die Registrierung der Punktwolken gegeben. Außerdem wird das Arbeiten mit dem Programm PHIDIAS aufgeführt. Dabei wird insbesondere das kombinierte Auswerten von Bild- und Punktinformationen (Monoplotting) dargestellt. Weiterführend werden Funktionen des Programms anhand von Modellierungsbeispielen erläutert. Abschließend wird der gesamte Arbeitsprozess bewertet. 1.1 Motivation Der Gedanke die Bachelorarbeit über das Thema Laserscanning und die anschließende Modellierung der erfassten Daten zu schreiben, entstand schon während des Studiums. In der Vertiefungsrichtung Laserscanning konnte schon ein kleiner Einblick in diesen Bereich genommen werden, was das Interesse geweckt hat in diesem Bereich ein Projekt vom Anfang bis zum Ende zu planen, durchzuführen und auszuwerten. Außerdem ist die Technologie des Laserscannings noch recht neu und bietet zukünftig im Bereich des Vermessungswesens viele Möglichkeiten. Auf Nachfrage bei Herrn Prof. Dr. Przybilla ergab sich die Möglichkeit die Bachelorarbeit zu dem beschriebenen Thema zu schreiben. Der Vorschlag für das zu modellierende Objekt, die Basilika St. Ludgerus, kam vom Essener Werbering. Der Fachbereich V Vermessung und Geoinformatik hatte zu diesem Zeitpunkt einen neuen Scanner angeschafft, den Riegl VZ 400, der eine höhere Reichweite als der bereits vorhandene besitzt. Aufgrund der Größe der Basilika stand fest, dass diese mit dem neuen System erfasst wird, um dessen Vorteil der Reichweite zu nutzen und auszuprobieren. Bei der TLS Tagung 2010 in Fulda gab es eine TLS Challenge, in der dasselbe Objekt von verschiedenen Scannern erfasst und mit jeweils unterschiedlichen Auswerteprogrammen modelliert werden sollte. Unter anderem kam dort auch der Riegl VZ 400 zum Einsatz. Die erfassten Daten des Systems wurden mit dem Programm PHIDIAS der Firma PHOCAD 8

9 Einleitung ausgewertet. Mit dem Programm können neben den Punktinformationen auch die Bildinformationen, die mit der integrierbaren Kamera des Scanners aufgenommen wurden, ausgewertet werden. Dieses Programm steht im Labor für Photogrammetrie zur Verfügung, so dass es nahe lag, dieses für die Auswertung zu benutzen. Die Verwendung des Programms stellt einen anderen Arbeitsverlauf dar, als sonst im Labor üblich. Deshalb soll diese Arbeit zusätzlich untersuchen inwieweit dieser Auswerteprozess für das Scannersystem von Riegl für weitere Projekte des Labors verwendet werden kann. 9

10 Einleitung 1.2 Das Objekt Die Basilika St. Ludgerus, am Anfang des 9. Jahrhunderts als Abteikirche des Klosters Werden in Essen gebaut, gilt als eine der bedeutendsten spätromanischen Kirchen des Rheinlands. Der 805 zum ersten Bischof von Münster ernannte Liudger gründete die Abtei Werden und ließ zwischen 800 und 808 den ersten Kirchenbau errichten. Dieser war dreischiffig und besaß eine Länge von etwa 30 Meter. Über die Baugeschichte der folgenden Zeit können trotz Ausgrabungen im Jahre 1970 nur Mutmaßungen angestellt werden. Zu Beginn des 10. Jahrhunderts wurde an die Westseite der bestehenden Abteikirche eine Pfarrkirche angebaut, die 943 als Marienkirche und im 14. Jahrhundert durch den Wechsel des Patrozinium dem Apostel Petrus geweiht wurde. Im Jahr 1256 zerstörte ein Feuer die Abteikirche. Infolge dessen wurde die Kirche als dreischiffige Emporenbasilika mit einem östlichen Querschiff im romanischen Stil umgebaut. Die Breite des Langhauses blieb gleich, die Seitenschiffe hingegen wurden etwas verbreitert. Die Mittelschiffe der beiden Kirchen wurden vereinigt und beinhalten nun insgesamt sieben Joche. Ebenso wurde ein großes gotisches Fenster in die Westseite der Peterskirche gebrochen, die bis dahin fensterlos war. Der Vierungsturm, der bei dem Umbau erstand, prägt noch heute zusammen mit der turmartigen Peterskirche den äußeren Gesamteindruck (Abb. 1.1). Abb. 1.1 Nordwestansicht des Vierungsturms und der Peterskirche 10

11 Einleitung In den folgenden Jahrhunderten gab es keine wesentlichen Umbauten an der Kirche, bis auf einen Winkelraum im südlichen Querflügel, der eine Verbindung zwischen der Abtei und dem Altarraum der Kirche ermöglichte. Erst im 18. Jahrhundert, als die Abtei wieder wohlhabend wurde, erfolgten weitere nennenswerte Umbauten. Neben den Ausbauten im Inneren der Kirche, erhielten die Türme barocke Hauben, die Emporenfenster wurden vergrößert und eine halbrunde Apsis an die Ostseite angebaut Aus statischen Gründen gab es zwischen 1840 und 1850 Sicherungsmaßnahmen. Am Ende des 19. Jahrhunderts gab es wieder eingreifende Umgestaltungen. Es wurden die unteren Fenster des Westwerks zugemauert und die übrigen an den Stil des Langhauses angeglichen. Der Turm der ehemaligen Peterskirche ist um ein Geschoß erhöht worden damit Glocken angebracht werden konnten. Die barocken Dächer der beiden Türme verloren ihre Haube und wurden durch ein Faltdach ersetzt. Zudem sind die Seitenschiffe der beiden Kirchen auf eine Höhe gebracht und die westlichen und nördlichen Portale erneuert worden. Abb. 1.2 Ansicht des Nordportals 11

12 Einleitung Mit der Säkularisation zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde die Kirche gänzlich zur Pfarrkirche, bis sie 1960 zur Propsteikirche ernannt wurde [Schatzkammer Werden 2012]. Im Jahr 1983 erhob Papst Johannes Paul II die St. Ludgerus zur Basilica minor ( kleinere Basilika ) [Metropoleruhr 2012]. Damit ist St. Ludgerus eine von weltweit 1478 und deutschlandweit 73 Kirchen, die diesen Ehrentitel tragen. Die Verleihung dieses Titels soll die Bindung der Kirche an den römischen Bischof stärken und die Bedeutung, die diese im Umland hat, hervorheben. Durch die Verleihung des Titels ist die Kirche berechtigt das Papstwappen, mit gekreuzten Schüssel, der Padiglione, ein gelb-rot gestreifter Regenschirm, sowie das Tintinnabulum, eine liturgische Glocke, zu tragen (Abb. 1.3). Abb. 1.3 Papstwappen an der Basilika Ranghöher zur Basilica minor ist der Titel Basilica maior. Diesen tragen weltweit nur sechs Kirchen, beispielsweise der Petersdom in Rom [Wikipedia 2012]. 12

13 Datenerfassung 2. Datenerfassung Im nachfolgenden Kapitel wird das verwendete Instrumentarium sowie der Ablauf der örtlichen Messung beschrieben. 2.1 Scanner (Riegl VZ 400) Der Fachbereich Vermessung und Geoinformatik der Hochschule Bochum ist mit zwei unterschiedlichen Scannersystemen ausgestattet. Zum einen mit dem Panorama Scanner Imager 5006i der Firma Zoller und Fröhlich, der auf Basis des Phasenvergleichsverfahrens arbeitet. Zum anderen mit dem Hybridscanner VZ 400 der Firma Riegl, der Streckenmessungen mit dem Impulslaufzeitverfahren durchführt (Abb. 2.1). Die beiden Scanner unterscheiden sich in ihrer Reichweite und Messrate. Aufgrund der Größe des Objekts fiel die Wahl auf den VZ 400, da dieser über eine höhere Reichweite als der Imager 5006i verfügt. Die geringere Auflösung des Scanners wird durch die Informationen auf den Bildern, die während der Messung gemacht werden, weitestgehend kompensiert. Der VZ 400 ist das aktuellste Produkt der Firma Riegl ( im Bereich des terrestrischen Laserscannings. Der Scanner arbeitet, wie zuvor beschrieben mit dem Impulslaufzeitverfahren und verfügt über ein Gesichtsfeld von horizontal 360 und vertikal 100 (+60 / -40 ). Die maximale Winkelauflösung liegt sowohl im horizontalen als auch im vertikalen Bereich bei 0,0005. Der Laserscanner ist mit einem GPS Receiver und einem Anschluss für eine GPS- Antenne ausgestattet, mit denen es möglich ist die Punktwolke zu georeferenzieren. Mit dem eingebauten Neigungssensor entfällt das präzise Horizontieren des Scanners beim Aufbau, da dieses Abb. 2.1 Riegl VZ 400 im Postprocessing mit Hilfe des Sensors erledigt 13

14 Datenerfassung werden kann. Der Scanner verfügt über zwei Messmodi, den High Speed Mode und den Long Range Mode. Diese beiden Modi unterscheiden sich in der effektiven Messrate und Reichweite (Tabelle 2.1). Tabelle 2.1 Daten der Messmodi (Herstellerangaben) High Speed Mode Long Range Mode Effektive Messrate Punkte/Sek Punkte/Sek Frequenz 300 khz 100 khz Reichweite 350 m 600 m Genauigkeit 5 mm 5 mm Gesichtsfeld 100 vertikal 100 vertikal 360 horizontal 360 horizontal Auf dem Scanner ist zusätzlich eine digitale Spiegelreflexkamera der Firma Nikon montiert. Die Position des Kamerasystems gegenüber dem Scannersystem ist durch die Mounting bekannt, sodass die aufgenommen Bilder direkt referenziert sind. Mit diesen Bildern können die Punktwolken eingefärbt werden, wie auch Verwendung in anschließenden Auswerteprozessen finden. Der Scanner kann sowohl Stand-Alone als auch in Verbindung mit einem Rechner bedient werden. Im Stand-Alone Betrieb erfolgt die Bedienung über das Tastenfeld des Scanners oder mittels PDA und Mobiltelefon, die sich über eine W-LAN Schnittstelle verbinden lassen. Die zur Verknüpfung der Punktwolken notwendigen Reflektoren werden hierbei automatisch gesucht und anschließend feingescannt, wobei nicht immer alle Reflektoren gefunden werden. Im Gegensatz zum Stand-Alone Betrieb können in Verbindung mit dem Laptop die Reflektoren ausgewählt werden, die feingescannt werden sollen. So kann sichergestellt werden, dass alle vorhandenen Targets erfasst und feingescannt werden. Die Daten können auf dem internen 8-GB Flashspeicher oder über den USB-Port auf einem externen Medium gespeichert werden. Die Akkulaufzeit des Scanners beträgt ca. zwei Stunden, kann aber mit Anschluss des externen Akkus auf ca. sechs Stunden erhöht werden. Außerdem verfügt der Scanner über die Funktionen der Echodigitalisierung und Online Waveform Analyse. Mithilfe dieser beiden Technologien können mehrere Objekte auf einem Laserpuls detektiert werden. Dadurch können mehrere Ziele auf einem Laserstrahl erfasst und klassifiziert werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit Punkte auf einem mit Vegetation verdeckten Objekt zu erhalten [Riegl 2012]. 14

15 Datenerfassung 1. Vertikaler Arbeitsbereich 2. Polygonaler Spiegel 3. Gehäuse (9,8 Kg) 4. TFT Bildschirm + Tastatur 5. TCP/IP Schnittstelle 6. Ethernet Schnittstelle 7. W-LAN Antenne 8. USB Schnittstelle 9. Kamera NIKON D Mobile Bedieneinheit (PDA/ Smartphone) Abb. 2.2 Übersicht der Scanner-Komponenten 15

16 Datenerfassung 2.2 Targets Die zum Einsatz kommenden Targets dienen der Verknüpfung von unregistrierten Punktwolken. Bei der Firma Riegl werden hierzu Retroreflektoren genutzt. Diese Retroreflektoren haben die Eigenschaft den Laserstrahl ohne Intensitätsverlust zu reflektieren. Dadurch, dass für jeden Punkt in der Punktwolke auch dessen Intensitätswert gespeichert wird, können die Targets bei der Reflektorsuche über diesen Wert herausgefiltert werden. Die Reflektoren sind selbstklebend und haben einen Durchmesser von fünf oder zehn Zentimeter (Abb. 2.3). Außerdem können die Reflektoren auf Tilt & Turn Targethaltern geklebt werden (Abb. 2.4). Diese Targets haben die Eigenschaft, dass das Zentrum des Reflektors sich nicht verändert, unabhängig davon wie das Target gedreht bzw. geneigt wird. Abb. 2.3 Klebetargets 5 cm und 10 cm Abb. 2.4 Tilt & Turn Target 5 cm 16

17 Datenerfassung 2.3 Kamera Neben dem Laserscanner sind auch zwei digitale Spiegelreflexkameras zur fotografischen Dokumentation eingesetzt worden Nikon D700 Die auf dem Scanner montierte Kamera ist eine Nikon D700 mit dem Superweitwinkelobjektiv AF Nikkor14 mm 1:2,8 D ED (Abb. 2.5). Hierbei handelt es sich um eine digitale Spiegelreflexkamera mit einer Auflösung von 12,1 Millionen Pixeln. Tabelle 2.2 Technische Daten der Nikon D700 [Nikon 2012A] Kameratyp Effektive Auflösung Bildsensor Sensorgröße Bildgröße Digitale Spiegelreflexkamera 12,1 Millionen Pixel CMOS-Sensor 36,0 x 23,9 mm x Pixel Abb. 2.5 Nikon D700 mit Mounting und GPS-Antenne 17

18 Datenerfassung Nikon D2Xs Um parallel zur Messung Detailaufnahmen und Texturen anfertigen zu können, kam mit der Nikon D2s ein weiteres Kamerasystem zum Einsatz. Die digitale Spiegelreflexkamera ist mit dem AF NIKKOR 28 mm 1:2,8D Objektiv verwendet worden (Abb. 2.6). Tabelle 2.3 Technische Daten der Nikon D2Xs [Nikon 2012B] Kameratyp Effektive Auflösung Bildsensor Sensorgröße Bildgröße Digitale Spiegelreflexkamera 12,4 Millionen Pixel CMOS-Sensor 23,7 x 15,7 mm 4288 x 2848 Pixel Abb. 2.6 Nikon D2Xs 18

19 Datenerfassung 2.4 Messung vor Ort Durch die Größe und Lage der Basilika bedingt, erfolgte die Messung an zwei Tagen. Am ersten Tag wurde die Kirche vom Boden aus rundherum erfasst. Durch die dichte Bebauung der Folkwang Hochschule zur Basilika, konnten die südlichen Dachseiten nicht vom Boden aus erfasst werden. Diese wurden am zweiten Tag vom Dachgeschoss der Folkwang Hochschule gemessen. Zu Beginn der Messung am ersten Tag sind ca. 50 selbstklebende Retrotargets an der Kirche und in der Örtlichkeit angebracht worden. Zusätzlich zu den 50 Targets, wurden 15 Stative mit Tilt & Turn Targets aufgestellt. Am ersten Standpunkt des Scanners sind zusätzliche Targets angebracht und drei Tilt & Turn Targets, die während der Messung dort stehen blieben, aufgestellt worden. Dies geschah um sicherzustellen, dass der letzte Standpunkt an den ersten anschließen kann und sich das Ringpolygon somit schließen lässt. Der Scanner wurde anfangs über ein Notebook gesteuert, damit alle sichtbaren Targets erfasst und feingescannt werden konnten. Während der Messung sind die Tilt & Turn Targets sukzessive umgestellt worden, um die Anzahl der Verknüpfungspunkte in den Punktwolken zu erhöhen. Nach etwa eineinhalb Stunden musste der Scanner im Stand-Alone Betrieb betrieben werden, da der Akku des Notebooks leer war. Beim ersten Standpunkt im Stand-Alone Betrieb kam es zu dem Problem, dass nach dem Scannen weder die Bilder aufgenommen, noch die Targets feingescannt worden sind. Dieses Problem ließ sich beheben, indem ein neues Projekt angelegt wurde. Auffällig während der restlichen Messung an dem Tag war, dass die automatische Reflektorsuche des Scanners einige Targets nicht erkannte, obwohl diese im Sichtfeld waren. Am zweiten Messtag bestand die Möglichkeit aus dem Dachgeschoss der Folkwang Hochschule zu messen, um die südlich gelegenen Dachflächen zu erfassen. Da aus dieser Position keine Targets zu sehen waren, erfolgte der Betrieb des Scanners im Stand-Alone Modus. Die Registrierung dieser Scans musste dann im Postprocessing über natürliche Punkte erfolgen. Insgesamt dauerte die Messung an den zwei Tagen ungefähr zehn Stunden, wobei die Basilika von 36 Standpunkten aus erfasst worden ist. Von jedem Standpunkt wurde in der Auflösung Pattern 80 (Winkelauflösung von 0,08 ) gescannt, was einer Punktwolke von mindestens 5,6 Millionen Punkten entspricht. Der mittlere Punktabstand beträgt bei 50 Metern etwa sieben Zentimeter und bei 100 Metern vierzehn Zentimeter. Der Überlappungsbereich der Kamera wurde auf 20 % eingestellt, 19

20 Datenerfassung sodass pro Standpunkt sechs Bilder aufgenommen wurden. Somit enthält dieses Projekt eine Datenmenge von ca. 200 Millionen Punkten und 216 Bildern. 20

21 3. Auswertung der Daten Das folgende Kapitel behandelt den Auswerteprozess der erfassten Daten. Dieser Auswerteprozess ist unterteilt in vier Abschnitte. Der erste Abschnitt beschreibt die Registrierung der erfassten Punktwolken in dem Programm RiScan Pro. Im zweiten Abschnitt wird der Modellierungsprozess in dem Programm PHIDIAS beschrieben und anhand einiger Modellierungsbeispiele genauer erläutert. Die Texturierung des Modells in Google SketchUp ist der dritte Abschnitt. Der letzte und vierte Abschnitt behandelt die Präsentationsplattform, für das erstellte Modell, Google Earth. 3.1 RiScan Pro RiScan Pro ist das mitgelieferte Software Paket für den Laserscanner Riegl VZ 400. Die Software ermöglicht die Steuerung des Scanners, Bearbeitung und Visualisierung der erfassten Daten und eine große Anzahl an weiteren Funktionen. In dem projektorientierten Programm sind alle Scannerdaten, Kalibrierungsdaten, Photographien und Transformationsparameter hinterlegt. Menü und Toolleiste Projectmanager Object Inspector Arbeitsbereich Nachrichtenfenster Abb. 3.1 Benutzeroberfläche RiScan Pro 21

22 3.1.1 Projectmanager Der Projectmanager ist das zentrale Verwaltungselement der Scannerdaten (Abb. 3.2). Die wichtigsten Ordner in der Baumstruktur des Projectmanager sind Calibrations, Scans und Tie Point List (Project Coordinate System) (TPL (PRCS)). Unter dem Ordner Calibrations sind die Kalibrierungsdaten der Kamera, der Montierung der Kamera, der kippbaren Scannerbefestigung und der verwendeten Zielmarken hinterlegt [RiScan Pro 2010A]. Die Kamerakalibrierungsdatei umfasst die Variablen der inneren Orientierung. Dazu gehören: Kamerakonstante Lage des Bildhauptpunktes Verzeichnung der Optik Länge und Breite des Sensors in Pixeln Die Mountingdatei ist die Transformationsmatrix des Kamerasystems gegenüber dem Scannersystem und beschreibt die äußere Orientierung der Kamera. Die Reflektordatei beinhaltet die unterschiedlichen Arten von Zielmarken mit ihren Additionskonstanten und Durchmessern. Abb. 3.2 Projectmanager Im Ordner Scans sind alle Scanpositionen mit ihren dazugehörigen Daten hinterlegt. Zu den wichtigsten Daten gehören: Scanposimages: Bilder der Kamera Tiepointscans: Feinscan der Targets SOP: Orientierungsmatrix der Scanposition TPL (SOCS): Liste der Verknüpfungspunkte Einzelscan 22

23 3.1.2 Koordinatensysteme RiScan Pro unterscheidet vier verschiedene Koordinatensysteme Scanner s Own Coordinate System (SOCS) Dies ist ein lokales Koordinatensystem für jeden einzelnen Scan mit Ursprung im Nullpunkt des Scanners. Camera Coordinate System (CMCS) Das ist ebenfalls ein lokales Koordinatensystem in dem die Bilder vorliegen. Project Coordinate System (PRCS) Dieses Koordinatensystem kann als örtliches oder übergeordnetes System vom Benutzer festgelegt werden Global Coordinate System (GLCS) Hierbei handelt es sich um ein globales Koordinatensystem, in welches das PRCS nach Bedarf transformiert werden kann [RiScan Pro 2010B] Erstellen eines neuen Projektes und Einlesen der Daten Um mit den erfassten Daten arbeiten zu können, wird der Scanner über ein Ethernet Datenkabel an den Rechner angeschlossen. Danach erfolgt die Einstellung der Netzwerk IP des PCs, um die Kommunikation zwischen diesem und dem Scanner zu ermöglichen (Abb. 3.3). Abb. 3.3 TCP/IP Einstellungen 23

24 Der Scanner hat die IP Adresse , die für den PC nicht verwendet werden darf. Nach dem Start des Programms muss zunächst ein neues Projekt über die Menüleiste Project New erstellt werden. Es kann vorkommen, dass, der Scanner nicht automatisch erkannt wird. In diesem Fall kann dieser unter Tool Scanner search (network) gesucht werden (Abb. 3.4). Abb. 3.4 Network Scanner Search Nach der Herstellung der Verbindung mit dem Scanner können die gewünschten Daten in das Projekt importiert werden. Das erfolgt über die Menüleiste Help Wizard Download and Convert. Darauf öffnet sich folgendes Fenster (Abb. 3.5). Abb. 3.5 Download and Conversion Wizard 24

25 Als Quelle wird das Instrument ausgewählt. Alle sich auf der Festplatte des Scanners befindenden Projekte werden in einer Baumstruktur angezeigt (Abb. 3.6). Abb. 3.6 Übersicht der vorhandenen Daten In der Baumstruktur können die benötigten Daten einzeln oder alle mit einem Rechtsklick auf Project automatisch ausgewählt werden. Nach zweimaligem Klicken auf Next startet der Download und die Konvertierung der ausgewählten Dateien in das RiScan Pro Projekt [RiScan Pro 2010C]. 25

26 3.1.4 Anzeigen von Scans Mit einem Doppelklick auf den Scan öffnet sich das Einstellungsfenster (Abb. 3.7). Abb. 3.7 Einstellung der Punktwolkenansicht In diesem Fenster kann ausgewählt werden, ob der Scan in 2D oder 3D angezeigt wird. Eine weitere Einstellung ist die Darstellungsart der Punktwolke. So kann die Punktwolke zum Beispiel entfernungsabhängig, mit den Farbinformationen des Bildes oder mit den Reflexionsinformationen eingefärbt werden. Durch Drag & Drop können weitere Scans in das Ansichtsfenster geladen und dargestellt werden. Die Navigation innerhalb der Punktwolke geschieht mit Hilfe der Maus [RiScan Pro 2010D]. 26

27 3.1.5 Registrierung Die Punktwolke eines jeden Standpunktes liegt in einem eigenen lokalen Koordinatensystem, dem SOCS (Abb. 3.8), vor. Abb. 3.8 Koordinatensysteme [RiScan Pro 2010E] Mit der Registrierung werden diese unterschiedlichen Koordinatensysteme in ein einheitliches System gebracht. Dieses Koordinatensystem kann entweder ein ausgewähltes SOCS oder ein übergeordnetes PRCS oder GLCS sein. Bei letzterem müssen die Koordinaten der Passpunkte bekannt sein und in die entsprechende Liste (TPL) eingefügt werden. Da es bei diesem Projekt keine Passpunkte gab und es nicht notwendig war die Punktwolken in ein globales Koordinatensystem zu überführen, wurde ein SOCS als Ursprung des gemeinsamen Systems ausgewählt. Bei der Auswahl des SOCS, welches als Ursprung dient, sollte darauf geachtet werden, dass in diesem 27

28 Scan möglichst viele Verknüpfungspunkte vorhanden sind. Durch Rechtsklick auf die Scanposition im Projektmanager und einen Klick auf Registered im sich darauf öffnenden Pulldown-Menü wird der Scan festgelegt, der als Ursprung dienen soll (Abb. 3.9). Abb. 3.9 Ursprungsscan festlegen Im nächsten Schritt können die übrigen nicht registrierten Scans über identische Punkte (Tiepoints) in das Ursprungsystem transformiert werden. Hierbei empfiehlt es sich mit den benachbarten Standpunkten anzufangen, weil diese mit großer Wahrscheinlichkeit viele identische Punkte aufweisen. Dazu wird auf den Scanstandpunkt geklickt, worauf sich die Baumstruktur öffnet und mit Doppelklick die TPL (SOCS) ausgewählt. In dem erscheinenden Fenster werden alle Verknüpfungspunkte, die in diesem Scan vorhanden sind, angezeigt (Abb. 3.10) 28

29 Abb Tie Point List Zur Registrierung des Scans erfolgt ein Klick im TPL-Menü auf corresponding Points), worauf sich ein neues Fenster öffnet (Abb. 3.11). (Find Abb Find corresponding points 29

30 In diesem Fenster werden die registrierten Scans ausgewählt, in denen nach identischen Punkten gesucht werden soll. Zu Beginn steht nur der manuell registrierte Scan zur Verfügung. Im weiteren Verlauf des Arbeitsprozesses wächst die Auswahl der registrierten Scans. Identische Punkte können über drei Methoden gesucht werden: by link: Verlinkung von Verknüpfungspunkten by name: Verknüpfung über identische Punktnummer minimize error: Suche über kleinsten Fehler. Da keine manuellen Punktnummern vergeben worden sind, werden die Punkte über minimize error registriert. Weitere Einstellungen sind die Parameter für die maximale Toleranz und Mindestanzahl an identischen Punkten. Diese sollte, wenn möglich, immer auf vier stehen, um eine Überbestimmung zu erreichen. Bei einer nicht vorhandenen Lösung kann die Anzahl auch auf drei reduziert werden, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen eine Lösung zu erhalten. Mit einem Klick auf Start beginnt die Berechnung und das folgende Dialogfenster öffnet sich (Abb. 3.12). Abb Ergebnis der Registrierung 30

31 Liegt ein Lösungsvorschlag vor, werden in diesem Fenster die Anzahl der identischen Punkte, sowie die Standardabweichung der Residuen und die errechnete SOP-Matrix angezeigt. In dieser Matrix werden die neun Koeffizienten der Drehmatrix, die drei Translationen und der Maßstab dargestellt. Jeder registrierte Scan sollte visuell auf Plausibilität geprüft werden, indem er mit anderen registrierten Scans angeschaut wird. Falls die Registrierung von einem Scan fehlerhaft ist, sollte die nächste vorgeschlagene Lösung ausprobiert werden. Dieser Vorgang der Registrierung wird so lange wiederholt, bis alle Standpunkte registriert sind. Die Standardabweichungen der registrierten Standpunkte in diesem Projekt liegen zwischen 0,1 bis 2,2 cm und im Durchschnitt bei 0,8 cm. Standardabweichungen für jeden Standpunkt befinden sich im Anhang. Die größeren Standardabweichungen treten bei den Scans auf die über natürliche und manuell gesetzte Verknüpfungspunkte registriert wurden [RiScan Pro 2010F]. 31

32 3.1.6 Manuelles Hinzufügen von Verknüpfungspunkten Manchmal ist es notwendig Verknüpfungspunkte manuell hinzuzufügen, weil der Scanner im Stand-Alone Betrieb nicht alle Verknüpfungspunkte findet und feinscannt. In diesem Fall können manuelle Verknüpfungspunkte hinzugefügt werden. Hierzu sollte der Scan im 2D Modus geöffnet werden. Mit einem Klick auf (Show/ hide all tie points) werden die im Scan vorhandenen Verknüpfungspunkte angezeigt. Wie sich in der folgenden Abbildung erkennen lässt, sind die beiden Reflektoren (in Abb rot dargestellt) nicht bei der automatischen Reflektorsuche gefunden worden. Diese beiden Reflektoren können allerdings von einem anderen Standpunkt aus erfasst worden sein und somit die Möglichkeit geben, den nicht registrierten Scan mit Hilfe dieser zu registrieren. Abb Nicht erfasste Targets Das Erstellen eines Verknüpfungspunktes erfolgt mit einem Rechtsklick in das Zentrum des Targets. Es öffnet sich ein Pulldown-Menü und mit einem Klick auf Create tiepoint here wird ein Verknüpfungspunkt gesetzt (Abb. 3.14). 32

33 Abb Manuelles Hinzufügen von Verknüpfungspunkten Die Genauigkeit des Punktes ist sowohl vom Benutzer als auch von der Auflösung des Punktes abhängig. Bei akzeptabler Auflösung des Punktes stellt es kein Problem dar den Verknüpfungspunkt mit ausreichender Genauigkeit im Zentrum des Targets zu platzieren. Darauf folgend kann ein erneuter Versuch der Registrierung unternommen werden [RiScan Pro 2010G]. 33

34 3.1.7 Mounting Calibration Für die spätere Modellierung in PHIDIAS ist es notwendig, dass die Mounting der Kamera für alle Bilder exakt bestimmt ist. Zur Überprüfung der Mounting müssen alle Bilder kontrolliert werden. Hierfür wird ein Bild geöffnet und die Tie Points mit einem Klick auf angezeigt. Wenn die Tiepoints nicht mit dem Mittelpunkt der Reflektoren im Bild übereinstimmen (in Abb rot eingekreist), muss die Mounting Calibration angepasst werden. Dazu wird mit einem Linksklick ein Punkt in das Zentrum des Targets gesetzt. Mit einem Rechtsklick auf diesen Punkt und einem Klick auf Add point to TPL ein neuer Tiepoint erstellt (in Abb grün eingekreist). Abb Erstellen eines korrigierten Punktes Im nächsten Schritt müssen der neu gesetzte Tiepoint und der nicht korrekt vorhandene mit SHIFT + gedrückter linker Maustaste markiert werden. Mit einem Rechtsklick öffnet sich ein Pulldown-Menü, in dem mit einem Klick auf Link tiepoints together die beiden Punkte verbunden werden (Abb. 3.16). 34

35 Abb Verknüpfen der beiden Punkte Dies muss für mindestens drei weitere Punkte wiederholt werden, wobei auch andere Bilder des Standpunktes ausgewählt werden können. Nach der Verbindung von mindestens vier Punkten, kann die Mounting Calibration neu berechnet werden. Durch einen Doppelklick auf die Mounting-Datei öffnet sich das Fenster (Abb. 3.17). Abb Transformationsmatrix der Mounting 35

36 In diesem Fenster wird die Transformationsmatrix angezeigt. Mit einem Klick auf den Reiter Re-adjustment of camera mounting öffnet sich das Fenster zur Neuberechnung der Matrix (Abb. 3.18). Abb Neuberechnung der Mounting calibration Mit Start re-adustment wird die Berechnung gestartet. Die korrigierte Transformationsmatrix wird somit auf alle Bilder angewendet. Nach dieser Kalibrierung müssen die restlichen Bilder kontrolliert werden, weil es vorkommen kann, dass sich die Kamerabefestigung während der Messung durch den Transport des Scanners verändert. In diesem Fall kann eine weitere Mounting-Datei erstellt und angepasst werden. Anschließend muss jedem Bild die passende Mounting-Datei zugewiesen werden [RiScan Pro 2010H]. 36