Klaus Mechelke. Prüfverfahren für terrestrische Laserscanner an der HCU Hamburg

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1 Klaus Mechelke Prüfverfahren für terrestrische Laserscanner an der HCU Hamburg

2 Inhalt der Präsentation Einführung 3D-Testfeld Kenngrößenbestimmung Streckenmessgenauigkeit Fazit

3 Einführung Keine Standards für Untersuchungs- & Prüfverfahren VDI/VDE 2634, Bl. II und III Kenngrößenbestimmung nach Heister (2006) und Kern (2008) Feldprüfverfahren nach Gottwald/Tüxsen (2008), Wehmann (2008) HCU: Genauigkeitsuntersuchungen seit 2004

4 3D-Testfeld Untersuchung 3D-Genauigkeit in Anlehnung an VDI/VDE 2634 Bl. 3 Bestimmung diverser Kenngrößen nach Heister und Kern Testfeld in Halle D: Messvolumen 30x20x2m 3, d = 3,3m bis 32,0m Testfeld mit bis zu 53 Referenzpunkten, 3D-Genauigkeit <mm

5 3D-Testfeld Scanning von Kugeln (99mm) & Targets mit div. Scannern auf 5 Standpunkten auf verschiedenen Ebenen Registrierung der Scannerstandpunkte mit RealWorks Survey (Transformation in ein gemeinsames lokales Koordinatensystem) Berechnung der Strecken zwischen den Referenzpunkten in allen Kombinationen im Scanner- und im Referenzsystem (korreliert) 3D-Streckenvergleich (Soll/Ist) gemäß VDI/VDE 2634 III - Differenzen = Winkel- und Streckenmessfehler, Kugel-Fitting, Zentrierfehler

6 3D-Testfeld Soll-Ist Vergleich der Raumstrecken zwischen den Referenzpunkten, alle Stationen registriert, alle Strecken verwendet Scanner # 3D-Punkte # Strecken l min l max Spanne Shift Riegl VZ 400 Kugeln , 4,4 5,5-5,4 Riegl VZ 400 Targets ,5 4,8 8,3,0 IMAGER 5006i Kugeln ,3 5,4 8,7 0,5 Leica C0 Kugeln ,6 6, 9,7 0,8 Häufigkeit Riegl VZ400 Kugeln Riegl VZ400 Targets Imager 5006i Leica C Differenzen [mm]

7 3D-Testfeld Auswertung nach VDI/VDE 2634 Mittlere Kugelabstandsabweichung Δ 7 L i = Δ L 7 j = j Abstands-Messunsicherheit u L = 7 j= ΔL 7 2 j

8 3D-Testfeld Auswertung nach VDI/VDE 2634

9 3D-Testfeld Vergleich zu den Ergebnissen 2007 und 2008 Scanner Kugel Ø [mm] # Kugeln # Strecken l min [mm] l max [mm] Spanne [mm] 200 Leica C ,6 6, 9,7 0/2007 Leica ScanStation ,4 6,5,9 0/2007 Leica ScanStation ,4 6,5,9 04/2007 Leica ScanStation ,3 9,2,5

10 3D-Testfeld Vergleich zu den Ergebnissen 2007 und 2008 Scanner Kugel Ø [mm] # Kugeln # Strecken l min [mm] l max [mm] Spanne [mm] 200 ZF IMAGER 5006i ,3 5,4 8,7 09/2008 ZF IMAGER ,8 0,3 6, 0/2007 Leica HDS ,7 6,3 3,0 0/2007 ZF IMAGER ,7 7,7 3,4 04/2007 ZF IMAGER ,4 6,6 4,0

11 Kenngrößenbestimmung Mittlere Kugelabstandsabweichung ΔL (Heister 2006) als Maßtreue, Überprüfung der Rückführbarkeit auf Längennormal 7 ΔL i = ΔL j 7 j= ist ΔList soll soll ΔLsoll ist Ausgleichende Kugel mit festem Radius

12 Kenngrößenbestimmung Kugelfitting in RealWorks Survey mit festem Radius Kugelkoordinaten nach Registrierung im ersten Scannerkoordinatensystem & Mittelbildung aller Kugelzentren eines Punktes Mittlere Kugelabstandsabweichung ΔL (Heister 2006) 7 ΔL i = ΔL j 7 ΔL : Mittel aus 4 Stationen, stationsweise berechnet, 7 Strecken ΔL 2 : Alle 4 Stationen registriert, 7 Strecken ΔL 3 : Alle 4 Stationen registriert, alle Strecken j= Scanner Kampagne ΔL [mm] ΔL 2 [mm] ΔL 3 [mm] # Strecken Riegl VZ 400 (Reflex-Targets) 200,3 0,8,4 35 IMAGER 5006i (Kugel) 200,6,2,2 378 Leica C0 (Kugel) 200,5,3,3 378

13 Kenngrößenbestimmung ΔL durch Berechnung einer 6-Parameter-Transformation der Kugelmittelpunkte auf die Sollpositionen (Kern 2008) Voraussetzung: Sollkoordinaten aus Netzmessung bekannt Scanner Kampagne # Kugeln ΔL [mm] ΔL 2 [mm] # Stationen Riegl VZ 400 (Reflex-Targets) ,7 0,5 5 IMAGER 5006i ,9 0,6 6 Leica C ,7 0,5 6 ΔL : Mittel aus allen Stationen, stationsweise berechnet ΔL 2 : alle Stationen registriert

14 Kenngrößenbestimmung Abstandsmessunsicherheit u L (Heister 2006) als Bestimmungsgüte u L = 7 j= ΔL 7 2 j Scanner Kampagne ul [mm] ul 2 [mm] ul 3 [mm] # Strecken Riegl VZ 400 (Reflex-Targets) 200,7,0,7 35 IMAGER 5006i (Kugel) 200 2,0,5,6 378 Leica C0 (Kugel) 200,8,5,7 378 u L : Mittel aus 4 Stationen, stationsweise berechnet, 7 Strecken u L2 : Alle 4 Stationen registriert, 7 Strecken u L3 : Alle 4 Stationen registriert, alle Strecken

15 Kenngrößenbestimmung Kugelradiusabweichung (Kern 2008) als Mittelwert der Differenzen zwischen geschätztem und Sollradius von k Kugeln soll v ist soll v2 ist ist v3 soll ist v4 soll R = k K v i k i=

16 Kenngrößenbestimmung Scanner Kampagne # Kugeln Δr min [mm] Δr max [mm] ØΔr [mm] # Punkte Ø Faro Photon ,7 5,2, IMAGER 5006i ,8 0, -0, Leica C ,9 0,2-0, Δr = soll - ist Kugelradiusabweichung [mm] Kugelradiusabweichung (Kern 2008) Station im 3D Testfeld Faro Photon Imager 5006i Leica C0 d=99mm -3 Anzahl Punkte auf der Kugel

17 Kenngrößenbestimmung Mittlere Antastabweichung (Heister 2006) als Spanne des Abstandes zum ausgeglichenen Formelement R = n n i= r i Ausgleichende Kugel mit unbekanntem Radius r2 Radiale Abweichungen für alle Messpunkte aller Kugeln r

18 Kenngrößenbestimmung Antastabweichung (Kern 2008) als Beschreibung des zu erwartenden Rauschens auf der Objektoberfläche R = n n i= 2 r i r2 Ausgleichende Kugel mit unbekanntem Radius Radiale Abweichungen für alle Messpunkte aller Kugeln r

19 Kenngrößenbestimmung Antast-Messunsicherheit (Heister 2006) als Mittelwert der Standardabweichungen der geschätzten Radien der ausgeglichenen Kugeln u R = 0 j = s 0 2 Rj Ausgleichende Kugel mit unbekanntem Radius

20 Kenngrößenbestimmung R = n n i= r i u R = 0 j = s 0 2 Rj R = n n i= 2 r i Scanner Mittlere Antastabweichung (Heister) Antast- Messunsicherheit (Heister) Antastabweichung (Kern) Riegl VZ 400 0,8,, Faro Photon 20 0,9,3,2 IMAGER 5006i 0,3 0,6 0,5 Leica C0,2,4,6

21 Kenngrößenbestimmung Antast-Messunsicherheit (Heister) Antast-Messunsicherheit u 2,00,50,00 0,50 0,00 IMAGER 5006i Punktanzahl Antast-Messunsicherheit u [mm] 2,00,50,00 0,50 Riegl VZ-400 0, Punktanzahl Antast-Messunsicherheit u 2,00,50,00 0,50 0,00 Faro Photon Punktanzahl Antast-Messunsicherheit u [mm] 2,5 0,5 Leica C Punktanzahl

22 Streckenmessgenauigkeit 20m-Prüfstrecke auf Komparatorbahn Zielzeichen für Scanner: Kugeln & Targets im Abstand - 20m Vergleich zu Referenzstrecken (Leica TM30) Kugelfitting mit bekanntem Radius in RealWorks Survey

23 Streckenmessgenauigkeit Sollstreckenvergleich auf 20m-Komparatorbahn

24 Streckenmessgenauigkeit Vergleichsstrecke Friedhof Ohlsdorf (7 Messpfeiler) Streckenlängen bis 430m, m in 0m-Intervallen Referenzmessung mit Leica TM30 Einsatz verschiedener Targets Kugelfitting in RealWorks Survey mit bekanntem Radius

25 Streckenmessgenauigkeit Vergleichsstrecke Friedhof Ohlsdorf Hersteller-Spezifikation (Strecke): +/- 4mm im Bereich 50m, Reichweite Albedo HDS-Target HCU-Kugel 99mm

26 Streckenmessgenauigkeit Faro Photon 20 Scaneinstellung: Auflösung / Qualität 4 20m 285 pts 30m 235 pts 40m 70 pts 50m 444 pts 60m 30 pts 70m 96 pts 80m 39 pts 90m pts 00m 84 pts 0m 58 pts 0,0 Standardabweichung Kugelfitting 8,0 Stdabw. [mm] 6,0 4,0 2,0 0, Position Differenz [mm] Differenzen zur Sollstrecke Strecke [m]

27 Schlussfolgerungen / Ausblick Viele Kenngrößen aber noch keine Standards Kenngrößen (Zahlen) versus Erfahrung (Praxis) Realitätsnahe praktische Bedingungen (Messvolumen) Wichtig: Untersuchung des Gesamtsystems (HW/SW) (Labor)Untersuchung versus Feldprüfverfahren Kalibrierung Herstellersache!?

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit