Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten

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1 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten "Laserscanning ein Verfahren zur Erfassung von hochgenauen Oberflächenmodellen eine Veranstaltung des Fachforum VoGIS Feldkirch, September 2002 TopScan GmbH Dipl. Geograph Christian Wever Münsterstr Steinfurt

2 Gliederung TopScan GmbH Entwicklung Laserscannermessung Vergleich von Vermessungstechniken Prinzipien und Eigenschaften von Laserscannern Basisergebnisse einer Laserscannermessung Genauigkeiten Produkte Fazit

3 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten TopScan GmbH

4 Firmen Portrait 1991 von Dr. Peter Frieß und Dr. Joachim Lindenberger gegründet; zusammen mit der Firma Optech Inc. das Laserscanningverfahren entwickelt; 17 feste und freie Mitarbeiter; zwei eigene Meßsysteme: ALTM 1020 (seit 1993) und ALTM 1225 (seit 2000); Zugriff auf weitere ALTM-Systeme durch internationale Kooperationen; bis heute mehr als km² aufgenommen und ausgewertet; Projekte in Australien, Belgien, Deutschland, Italien, Kanada, Luxemburg, Niederlande, Norwegen, Österreich, Schweden, Schweiz und den USA; Zusammenarbeit mit AAM, C+B Technik, Hansa Luftbild, Inpho, K²-Photogrammetry, Optech und TerraImaging;

5 Laserscanning Projekte in Österreich Nussdorf 2001 ALTM km² Seismologie Frankenmarkt 1999 ALTM km² Seismologie Vöcklabruck 1998 ALTM km² Seismologie Pettenbach 2002 ALTM km² Seismologie Wienerwald 1996 ALTM km² Forst Wolfsgrube 2002 ALTM 1225 Lawine Moosbachr 2002 ALTM 1225 Lawine Madleinr 2002 ALTM 1225 Lawine Hintereisferner 2001/ 2003 ALTM km² Veränderung Gletscher Ferwall-Tal 2002 ALTM 1225 Lawine Vernagtferner 2002 ALTM km² Gletscheranalyse Stand Mitte 2002

6 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten Entwicklung Laserscannermessung

7 Laserscannermessung - Entwicklung 1972 Airborne Profile Recorder (APR) und kombinierte Blockausgleichung Verschiedene Studien (USA, Australien, ) Laserprofilmessungen am Institut für Photogrammetrie, Uni Stuttgart Sonderforschungsbereich Hochgenaue Navigation 1993 Erste kommerzielle Anwendungen in Europa (ALTM 1020/TopScan GmbH), Auslieferung des ersten für kommerziellen Einsatz entwickelten Lasermeßsystems der Firma Optech an die Firma TopScan, Prototyp der ALTM-Familie ("Airborne Laser Terrain Mapping") Erste kommerzielle Befliegungen durch TopScan 1999 Weltweit ca. 30 Laserscanner im Einsatz 2002 Weltweit ca. 70 Laserscanningsysteme im Einsatz

8 Laserscannersysteme Hersteller Anzahl Marktanteil John E. Chance and Associates, Inc. 3 4 % LH Systems (Azimuth Corp.) % Optech Inc % Terrapoint LLC 6 9 % TopEye AB 6 9 % TopoSys GmbH 3 4 % div. Hersteller (auch Militär und 8 12 % Universitäten)

9 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten Vergleich von Vermessungstechniken

10 Vergleich von Vermessungstechniken Kriterium Laserscannning Konventionelles Verfahren Datenerfassung automatisch manuell Gebietsabdeckung komplette Aufnahme nur interessierende Punkte Aufnahmepunktdichte hohe Dichte so wenig Punkte wie möglich Punktverteilung homogen nicht homogen Modellbildung Auswerteprozess während der Datenerfassung Klassifizierung Auswerteprozess während der Datenerfassung 1 automatisch, 2 halb-automatisch Datennutzung versch. Anwendungen oft nur einmalig 1 aus einer Aufnahme

11 Konventionelle Vermessungsverfahren Massenpunkt Markanter Einzelpunkt Formlinienpunkt

12 Laserscanning - Meßverfahren Alle gemessen Laserpunkte in einem 1km² grossen Ausschnitt

13 Digitales Geländemodell - Laserscanning Erdoberfläche Laserscannermessung Digitales Geländemodell Digitales Oberflächenmodell Digitales Stadtmodell...

14 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten Prinzipien und Eigenschaften von Laserscannern

15 Prinzip der Laserscannermessung Z Y GPS X Scanner Laser Z INS X Y Z Y GPS X

16 Realisierte Scanmuster oszillierend parallel elliptisch

17 Scanmuster mit programmierbarem oszillierendem Spiegel Flugrichtung Flugrichtung Flugrichtung

18 Scanmuster mit parallelen Linien Quelle: Eigenschaften paralleler Scanmuster: fester Scanwinkel Abstand der Scanlininen über Flughöhe steuerbar geringe Streifenbreiten hohe Punktdichten in Flugrichtung

19 Charakteristische Eigenschaften Entfernungsmessung zu fast allen Oberflächenarten 1 % - 30 % Reflektivität auf Wasser, abhängig von Wellengang und Scanwinkel 10 % - 30 % Reflektivität auf Sand 30 % - 50 % Reflektivität über Vegetation 50 % - 80 % Reflektivität auf Schnee und Eis Mehrfachreflektionen Intensität relative Wetterunabhängigkeit Tag- und Nachtbefliegungen

20 Erkennen von Mehrfachreflektionen erste Reflektion Erste empfangene Reflektion Letzte empfangene Reflektion letzte Reflektion

21 Durchdringungsrate in Waldgebieten Durchdringungsrate = Anzahl Bodenpunkte Gesamtanzahl der Punkte % Penetration rate % 62 % 60 % 59 % 61 % Scan angle Empirische Durchdringungsraten Nadelwald 31% Laubwald Wintersaison 64% Laubwald Sommersaison 20%

22 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten Basisergebnisse einer Laserscannermessung

23 Laserscanning - Meßverfahren Alle gemessen Laserpunkte in einem 1km² grossen Ausschnitt

24 Intensitätsbild aus Empfangssignalstärke

25 Intensitäten aus erster / letzter Reflektion Erste Reflektionen Letzte Reflektionen

26 Höhendaten aus erster / letzter Reflektion Erste Reflektionen Letzte Reflektionen

27 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten Genauigkeiten

28 Genauigkeiten Meßgenauigkeiten: - der Meßsysteme - der Positionsbestimmungen - der Datumstransformationen DHM Genauigkeit Repräsentationsgenauigkeit

29 Genauigkeiten - Systemkalibrierung 1. Laborkalibrierung Ermittlung der speziellen Kalibrierungsparameter unter kontrollierten Laborbedingungen 2. Kalibrierungsflug Kontrolle und Bestätigung oder Aufbesserung der Laborkalibrierungsparameter unter Luftbedingungen 3. Kontrolle des Projektfluges Überprüfung der systematischen Kalibrierungsparameter

30 DHM Genauigkeit Definition: Quadratisches Mittel der Differenzen zwischen interpolierter DHM-Höhe und tatsächlicher Höhe von unendlich vielen Modellflächenpunkten Untergrenze: Gegeben durch die Oberflächenrauhigkeit Einflussfaktoren: wichtig Verteilung und Dichte der gemessenen Punkte Formlinien, Bruchkanten (lokale Wirkung) weniger wichtig Messgenauigkeit (solange sie kleiner ist als die Oberflächenrauhigkeit)

31 DHM-Genauigekeit vs Meßgenauigkeit DHM Höhenfehler gemessene Punkte: Fehlerfrei DHM Höhenfehler

32 Repräsentationsgenauigkeit - Modelldefintion

33 Genauigkeit der Laserpunkte Problem: Laserpunkte können nicht direkt gemessen werden Indirekte Bestimmung über Referenz-DHM Referenz-DHM muss Geländeoberfläche repräsentieren (Kleinformen - Geländerauigkeit) + unabh. Kontrollmessung Laserpunkt dh = HRef -DHM - HLP empirisch: RMS dh < cm theoretische Lagegenauigkeit zweifache Höhengenauigkeit

34 Höhengenauigkeit - Empirische Ergebnisse Kontrollgebiet Anzahl Laserpunkte max. Höhendifferenz [cm] Mittelwert der Differenzen [cm] min. Höhendifferenz [cm] Standardabweichung ΣdH [cm] Kriterium dh < 0,30 m Aplerbeck ,0-38,0 2,6 13,2 96,1 Bayern ,0-29,0-1,2 7,4 100,0 Bonn ,0-21,0 0,6 6,7 99,6 Burgdorf ,0-29,0-0,7 8,0 98,4 Dithmarschen ,0-22,0 0,3 7,5 100,0 Dresden ,0-22,0 0,0 6,0 100,0 Engabreen ,0-31,0 0,3 8,8 99,9 Frankenmarkt ,0-44,0-3,2 17,0 100,0 Hamburg ,0-17,0 1,9 5,9 100,0 Hamm ,0-27,0 0,1 7,1 100,0 Jadebusen ,0-19,0 0,3 7,1 100,0 Kienberg ,0-29,0-0,8 8,1 99,8 Müggelspree ,0-35,0 0,3 10,7 96,8 Nussdorf ,0-35,0-4,9 8,4 99,9 Oker ,0-28,0 0,3 8,1 99,9 Pettenbach ,0-35,0 1,2 10,0 99,5 Schramberg ,0-39,0-0,7 8,6 99,8 Seseke ,0-18,0 0,3 5,3 100,0 Warnow ,0-18,0 0,2 6,8 100,0

35 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten Produkte

36 Produkt - Laserpunkte Laserpunkte letzter Impuls - Boden letzter Impuls - kein Boden erster Impuls - Boden erster Impuls - kein Boden Residuen???

37 Produkt - DHM DHM/DGM Isolinien Bruchlinien Profile Neigungskarten???

38 Airborne Laser Scanning Verfahren und Genauigkeiten Fazit

39 Zusammenfassung - Ausblick etabliertes Verfahren zur DHM Erfassung Zukünftige Entwicklung: Meßrate 150 KHz Reichweite bis zu 6000 m Integration digitaler Kameras..

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