Vortrag AGIT 2002
Vortrag AGIT 2002
Vortrag AGIT 2002
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Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
"Laserscanning – ein Verfahren zur Erfassung von hochgenauen<br />
Oberflächenmodellen”<br />
eine Veranstaltung des Fachforum VoGIS<br />
Feldkirch, September <strong>2002</strong><br />
TopScan GmbH<br />
Dipl. Geograph Christian Wever<br />
Münsterstr. 19<br />
48565 Steinfurt<br />
wever@topscan.de<br />
www.topscan.de
• TopScan GmbH<br />
Gliederung<br />
• Entwicklung Laserscannermessung<br />
• Vergleich von Vermessungstechniken<br />
• Prinzipien und Eigenschaften von Laserscannern<br />
• Basisergebnisse einer Laserscannermessung<br />
• Genauigkeiten<br />
• Produkte<br />
• Fazit<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
TopScan GmbH
Firmen Portrait<br />
• 1991 von Dr. Peter Frieß und Dr. Joachim Lindenberger gegründet;<br />
• zusammen mit der Firma Optech Inc. das Laserscanningverfahren entwickelt;<br />
• 17 feste und freie Mitarbeiter;<br />
• zwei eigene Meßsysteme: ALTM 1020 (seit 1993) und ALTM 1225 (seit 2000);<br />
• Zugriff auf weitere ALTM-Systeme durch internationale Kooperationen;<br />
• bis heute mehr als 100.000 km² aufgenommen und ausgewertet;<br />
• Projekte in Australien, Belgien, Deutschland, Italien, Kanada, Luxemburg,<br />
Niederlande, Norwegen, Österreich, Schweden, Schweiz und den USA;<br />
• Zusammenarbeit mit AAM, C+B Technik, Hansa Luftbild, Inpho,<br />
K²-Photogrammetry, Optech und TerraImaging;<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Wolfsgrube <strong>2002</strong><br />
ALTM 1225<br />
Lawine<br />
Laserscanning Projekte in Österreich<br />
Hintereisferner 2001/ 2003<br />
ALTM 1225<br />
36 km²<br />
Veränderung Gletscher<br />
Moosbachr <strong>2002</strong><br />
ALTM 1225<br />
Lawine<br />
Nussdorf 2001<br />
ALTM 1225<br />
58 km²<br />
Seismologie<br />
Madleinr <strong>2002</strong><br />
ALTM 1225<br />
Lawine<br />
Ferwall-Tal <strong>2002</strong><br />
ALTM 1225<br />
Lawine<br />
Vernagtferner <strong>2002</strong><br />
ALTM 1225<br />
16 km²<br />
Gletscheranalyse<br />
Frankenmarkt 1999<br />
ALTM 1020<br />
175 km²<br />
Seismologie<br />
Vöcklabruck 1998<br />
ALTM 1020<br />
184 km²<br />
Seismologie<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
Pettenbach <strong>2002</strong><br />
ALTM 1225<br />
524 km²<br />
Seismologie<br />
Wienerwald 1996<br />
ALTM 1020<br />
91 km²<br />
Forst<br />
Stand Mitte <strong>2002</strong>
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
Entwicklung Laserscannermessung
Laserscannermessung - Entwicklung<br />
1972 Airborne Profile Recorder (APR) und kombinierte<br />
Blockausgleichung<br />
1980-88 Verschiedene Studien (USA, Australien,…)<br />
1989-90 Laserprofilmessungen am Institut für Photogrammetrie, Uni Stuttgart<br />
Sonderforschungsbereich “Hochgenaue Navigation”<br />
1993 Erste kommerzielle Anwendungen in Europa (ALTM 1020/TopScan<br />
GmbH), Auslieferung des ersten für kommerziellen Einsatz<br />
entwickelten Lasermeßsystems der Firma Optech an die Firma<br />
TopScan, Prototyp der ALTM-Familie ("Airborne Laser Terrain<br />
Mapping")<br />
Erste kommerzielle Befliegungen durch TopScan<br />
1999 Weltweit ca. 30 Laserscanner im Einsatz<br />
<strong>2002</strong> Weltweit ca. 70 Laserscanningsysteme im Einsatz<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Laserscannersysteme<br />
Hersteller Anzahl Marktanteil<br />
John E. Chance and Associates, Inc. 3 4 %<br />
LH Systems (Azimuth Corp.) 11 16 %<br />
Optech Inc. 32 46 %<br />
Terrapoint LLC 6 9 %<br />
TopEye AB 6 9 %<br />
TopoSys GmbH 3 4 %<br />
div. Hersteller (auch Militär und 8 12 %<br />
Universitäten)<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
Vergleich von Vermessungstechniken
Vergleich von Vermessungstechniken<br />
Kriterium Laserscannning Konventionelles Verfahren<br />
Datenerfassung automatisch manuell<br />
Gebietsabdeckung komplette Aufnahme nur interessierende Punkte<br />
Aufnahmepunktdichte hohe Dichte so wenig Punkte wie möglich<br />
Punktverteilung homogen nicht homogen<br />
Modellbildung Auswerteprozess während der Datenerfassung<br />
Klassifizierung Auswerteprozess während der Datenerfassung<br />
1 automatisch,<br />
2 halb-automatisch<br />
Datennutzung versch. Anwendungen oft nur einmalig<br />
1 aus einer Aufnahme<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Konventionelle Vermessungsverfahren<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
• Massenpunkt<br />
• Markanter Einzelpunkt<br />
• Formlinienpunkt
Laserscanning - Meßverfahren<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
Alle gemessen Laserpunkte in<br />
einem 1km² grossen Ausschnitt
Digitales Geländemodell - Laserscanning<br />
Digitales<br />
Geländemodell<br />
Erdoberfläche<br />
Laserscannermessung<br />
Digitales<br />
Oberflächenmodell<br />
Digitales<br />
Stadtmodell<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
……...
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
Prinzipien und Eigenschaften von Laserscannern<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Prinzip der Laserscannermessung<br />
GPS<br />
Scanner<br />
Laser<br />
Z<br />
INS<br />
X<br />
Y<br />
GPS<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
Z<br />
Y<br />
Z<br />
X<br />
Y<br />
X
Realisierte Scanmuster<br />
oszillierend parallel elliptisch<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Scanmuster mit programmierbarem<br />
oszillierendem Spiegel<br />
Flugrichtung Flugrichtung Flugrichtung<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Quelle: www.toposys.de<br />
Scanmuster mit parallelen Linien<br />
Eigenschaften paralleler Scanmuster:<br />
• fester Scanwinkel<br />
• Abstand der Scanlininen über<br />
Flughöhe steuerbar<br />
• geringe Streifenbreiten<br />
• hohe Punktdichten in Flugrichtung<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Charakteristische Eigenschaften<br />
– Entfernungsmessung zu fast allen Oberflächenarten<br />
– 1 % - 30 % Reflektivität auf Wasser, abhängig von Wellengang<br />
und Scanwinkel<br />
– 10 % - 30 % Reflektivität auf Sand<br />
– 30 % - 50 % Reflektivität über Vegetation<br />
– 50 % - 80 % Reflektivität auf Schnee und Eis<br />
– Mehrfachreflektionen<br />
– Intensität<br />
– relative Wetterunabhängigkeit<br />
– Tag- und Nachtbefliegungen<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
erste<br />
Reflektion<br />
Erkennen von Mehrfachreflektionen<br />
letzte Reflektion<br />
Erste empfangene Reflektion<br />
Letzte empfangene Reflektion<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
%<br />
Penetration rate<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Durchdringungsrate in Waldgebieten<br />
63 % 62 % 60 % 59 % 61 %<br />
0°- 5° 5°- 10° 10°- 15° 15°- 20° 0°- 20°<br />
Scan angle<br />
Durchdringungsrate =<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
Anzahl Bodenpunkte<br />
Gesamtanzahl der Punkte<br />
Empirische Durchdringungsraten<br />
Nadelwald 31%<br />
Laubwald – Wintersaison 64%<br />
Laubwald – Sommersaison 20%
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
Basisergebnisse einer Laserscannermessung
Laserscanning - Meßverfahren<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
Alle gemessen Laserpunkte<br />
in einem 1km² grossen<br />
Ausschnitt
Intensitätsbild aus Empfangssignalstärke<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Intensitäten aus erster / letzter Reflektion<br />
Erste Reflektionen Letzte Reflektionen<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Höhendaten aus erster / letzter Reflektion<br />
Erste Reflektionen Letzte Reflektionen<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
Genauigkeiten
Genauigkeiten<br />
• Meßgenauigkeiten:<br />
- der Meßsysteme<br />
- der Positionsbestimmungen<br />
- der Datumstransformationen<br />
• DHM Genauigkeit<br />
• Repräsentationsgenauigkeit<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Genauigkeiten - Systemkalibrierung<br />
1. Laborkalibrierung<br />
Ermittlung der speziellen Kalibrierungsparameter unter<br />
kontrollierten Laborbedingungen<br />
2. Kalibrierungsflug<br />
Kontrolle und Bestätigung oder Aufbesserung der Labor-<br />
kalibrierungsparameter unter Luftbedingungen<br />
3. Kontrolle des Projektfluges<br />
Überprüfung der systematischen Kalibrierungsparameter<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Definition:<br />
DHM Genauigkeit<br />
Quadratisches Mittel der Differenzen zwischen interpolierter DHM-Höhe und<br />
tatsächlicher Höhe von unendlich vielen Modellflächenpunkten<br />
Untergrenze:<br />
Gegeben durch die Oberflächenrauhigkeit<br />
Einflussfaktoren:<br />
wichtig<br />
weniger wichtig<br />
Verteilung und Dichte der gemessenen Punkte<br />
Formlinien, Bruchkanten (lokale Wirkung)<br />
Messgenauigkeit (solange sie kleiner ist als die<br />
Oberflächenrauhigkeit)<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
DHM-Genauigekeit vs Meßgenauigkeit<br />
gemessene Punkte: “Fehlerfrei“<br />
DHM Höhenfehler<br />
DHM Höhenfehler<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Repräsentationsgenauigkeit -<br />
Modelldefintion<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Genauigkeit der Laserpunkte<br />
Problem: Laserpunkte können nicht direkt gemessen werden<br />
Indirekte Bestimmung über Referenz-DHM<br />
Referenz-DHM muss Geländeoberfläche repräsentieren<br />
(Kleinformen - Geländerauigkeit)<br />
+ unabh. Kontrollmessung<br />
• Laserpunkt<br />
dH = HRef -DHM - HLP<br />
empirisch: RMS dH < 10 - 15 cm<br />
theoretische Lagegenauigkeit<br />
zweifache Höhengenauigkeit<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Höhengenauigkeit - Empirische Ergebnisse<br />
Kontrollgebiet Anzahl<br />
Laserpunkte<br />
max. Höhendifferenz<br />
[cm]<br />
min. Höhendifferenz<br />
[cm]<br />
Mittelwert der<br />
Differenzen<br />
[cm]<br />
Standardabweichung<br />
ΣdH [cm]<br />
Kriterium<br />
|dH| < 0,30 m<br />
Aplerbeck 380 56,0 -38,0 2,6 13,2 96,1<br />
Bayern 2001 1238 25,0 -29,0 -1,2 7,4 100,0<br />
Bonn 1764 26,0 -21,0 0,6 6,7 99,6<br />
Burgdorf 2677 37,0 -29,0 -0,7 8,0 98,4<br />
Dithmarschen 9740 24,0 -22,0 0,3 7,5 100,0<br />
Dresden 4978 22,0 -22,0 0,0 6,0 100,0<br />
Engabreen 3231 30,0 -31,0 0,3 8,8 99,9<br />
Frankenmarkt 1059 50,0 -44,0 -3,2 17,0 100,0<br />
Hamburg 2834 23,0 -17,0 1,9 5,9 100,0<br />
Hamm 8773 23,0 -27,0 0,1 7,1 100,0<br />
Jadebusen 5131 20,0 -19,0 0,3 7,1 100,0<br />
Kienberg 1261 43,0 -29,0 -0,8 8,1 99,8<br />
Müggelspree 1083 47,0 -35,0 0,3 10,7 96,8<br />
Nussdorf 5863 24,0 -35,0 -4,9 8,4 99,9<br />
Oker 4698 35,0 -28,0 0,3 8,1 99,9<br />
Pettenbach 1264 36,0 -35,0 1,2 10,0 99,5<br />
Schramberg 9260 23,0 -39,0 -0,7 8,6 99,8<br />
Seseke 3972 15,0 -18,0 0,3 5,3 100,0<br />
Warnow 863 30,0 -18,0 0,2 6,8 100,0<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
Produkte
Produkt - Laserpunkte<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
Laserpunkte<br />
→ letzter Impuls - Boden<br />
→ letzter Impuls - kein Boden<br />
→ erster Impuls - Boden<br />
→ erster Impuls - kein Boden<br />
→ Residuen<br />
→ ???
Produkt - DHM<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong><br />
DHM/DGM<br />
→ Isolinien<br />
→ Bruchlinien<br />
→ Profile<br />
→ Neigungskarten<br />
→ ???
Airborne Laser Scanning<br />
Verfahren und Genauigkeiten<br />
Fazit
Zusammenfassung - Ausblick<br />
etabliertes Verfahren zur DHM Erfassung<br />
Zukünftige Entwicklung:<br />
– Meßrate 150 KHz<br />
– Reichweite bis zu 6000 m<br />
– Integration digitaler Kameras<br />
– …..<br />
Airborne Laser Scanning • Verfahren und Genauigkeiten • VoGIS <strong>2002</strong>
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