Terrestrisches Präzisions-Laserscanning - MplusM

Terrestrisches Präzisions-Laserscanning
Hilmar INGENSAND und Thorsten SCHULZ
1 Terrestrisches Laserscanning
Terrestrisches Laserscanning hat sich in den letzten zwei Jahren als eine weitere
geodätische Messtechnik etabliert und ergänzt die „traditionellen“ Messtechniken wie
Nivellement, Tachymetrie und Satellitengeodäsie. Laserscanning eignet sich vorwiegend
zur berührungslosen Erfassung großflächiger und detailreicher Objekte und zeichnet sich
durch kurze Aufnahmezeiten aus. Aus den polaren Messdaten lassen sich 3D-Koordinaten
einschließlich eines zugehörigen Intensitätswertes ableiten, die auch als Punktwolken
bezeichnet werden. Im Gegensatz zur photogrammetrischen Aufnahme, die eine
nachträgliche Erzeugung von Koordinaten aus Bildern erfordert und zudem mehr auf die
Extraktion von Kanten ausgelegt ist, eignet sich Laserscanning zur Erfassung von stetigen
Flächen und Objekten. Laserscanner lassen sich entsprechend ihrem Messbereich
spezifischen Applikationsbereichen zuordnen (vgl. Abbildung 1).
Laserscanning
Airborne Laserscanning Terrestr. Laserscanning
Naturgefahren
Kulturerbe
Vermessung
Grosse Reichweite
50- 500m
Ingenieurgeodäsie
Ind. Messtechnik
Bauingenieurwesen
Facility Management
Reverse Engineering
Abb. 1: Anwendungen des Laserscanning
Mittlere Entfernung
3- 50m
Medizin
Industrie
Roboter
Mode
Nahbereich
Neben der Reichweite ist noch der Scanbereich, – Kameraausschnitt oder Panoramascan –
in Betracht ziehen. Der Trend geht jedoch eindeutig zu universellen 360 - Scannern hin.
Laserscanning ist ein mehrstufiger Prozess und beinhaltet nicht nur die messtechnische
Aufnahme von Objekten, sondern auch die weitere Verarbeitung der sogenannten
Punktwolken mittels geeigneter Software. Dazu zählen die Aufbereitung der Messdaten
durch Filterung und Selektion sowie die Ableitung weiterer Informationen wie
Modellierung von Objekten (Vektordaten) und Ableitung mathematischer Informationen
(Volumen- und Massenberechnungen, Abstandsberechnungen etc.).
0- 4m

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2 Technologien von Scannern
H. Ingensand und T. Schulz
Je nach Konstruktion des Laserscanners können Horizontalprofile, Vertikalprofile, einzelne
Ausschnitte und/oder 360 °-Scans aufgenommen werden. Die Aufnahme der Objekte geschieht
über einen Laserstrahl, der mittels Spiegel (oszillierende oder rotierende Spiegel)
abgelenkt wird. Als Distanzmessverfahren sind das Impulsmess- sowie Phasenvergleichsverfahren
üblich, aber auch Laserradar und optische Triangulation werden eingesetzt. Die
Wiederholgenauigkeiten reichen in Abhängigkeit von der Reichweite und dem verwendeten
Distanzmessverfahren von Submillimetern bis hin zu einigen Zentimetern (vgl.
Tabelle 1).
Tabelle 1: Klassifizierung von terrestrischen Scannern
Klasse Reichweite
Grosse
Reichweite
Mittlere
Reichweite
[m]
Distanzmesstechnik Genauigkeit
[mm]
Hersteller
~ 1000 Laufzeit > 10 Mensi, Riegl, HDS
Leica-Geosystems,
Optech
< 100 Phasenmessung < 10 Zoller+Fröhlich,
IQSun
< 80 Laserradar < 5 Leica/Metricvision
Nahbereich < 10 Optische
Triangulation
< 1 Minolta, Mensi,
Steinbichler
3 Untersuchung von Scannern für Präzisionsmessungen
Während bei den „traditionellen“ geodätischen Instrumenten (wie Tachymeter und
Nivellier) Untersuchungen auf instrumentelle Fehler und Genauigkeiten selbstverständlich
sind, so ist dies bei terrestrischen Laserscannern nicht der Fall. Für viele Anwendungen
(Denkmalpflege, Fabrikanlagen, Dokumentation etc.) sind solche Untersuchungen von
untergeordneter Bedeutung. Jedoch bei ingenieurgeodätischen Aufgaben mit hohen
Genauigkeiten im Subzentimeterbereich ist dies zwingend erforderlich. Speziell zu
berücksichtigen sind u.a.:

Terrestrisches Präzisions-Laserscanning 3
• Geometrie-Abweichungen (z.B. Taumelfehler, Ziel- und Kippachsfehler)
• Innere Genauigkeiten (Distanz und Richtung)
• Äußere Genauigkeiten und Systematiken, die durch die Materialeigenschaften und
Auftreffwinkel bestimmt sind.
Dabei sind die Untersuchungsmethoden individuell für jeden einzelnen Scanner abzustimmen
– Standardverfahren für die Untersuchung der instrumentellen Fehler existieren
bisher nicht. Es wird jedoch mehr und mehr versucht, „Untersuchungsprogramme“ für die
Charakterisierung der Genauigkeiten zu entwickeln und auf verschiedene Scanner
anzuwenden (Böhler et al., 2003). Dabei darf man jedoch nicht vergessen, dass es sich nicht
um Tachymeter handelt, sondern um Laserscanner, die verschiedene Bauweisen und
Techniken aufweisen und für verschiedene Anwendungsbereiche ausgelegt sind.
Eine umfassende Untersuchung des Laserscanners Imager 5003 von Zoller+Fröhlich wurde
am Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der ETH Zürich durchgeführt. Der
Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung des Distanzmesssystems. Aber auch Winkel-,
Einzelpunkt-, und Objektgenauigkeiten (Kugeln) sowie instrumentelle Fehler (z.B.
Taumel-, Ziel- und Kippachsenfehler) wurden betrachtet (Schulz und Ingensand, 2004a;
Schulz und Ingensand, 2004b).
4 Anwendungsbeispiel
Die Aufnahme ausgedehnter Objekte geschieht, wie in der Photogrammetrie, von mehreren
Standpunkten aus. Für die spätere Verknüpfung (Registrierung) der einzelnen Scans sind
Verknüpfungspunkte oder -objekte erforderlich. Die Verknüpfungspunkte können sowohl
(signalisierte) Passpunkte als auch (natürliche) Punkte sein. Als Verknüpfungsobjekte
lassen sich beliebig modellierbare geometrische Formen verwenden (Kugeln, Zylinder,
Ebenen etc.). Die Registrierung kann dabei sowohl nur über Verknüpfungspunkte oder
Verknüpfungsobjekte, aber auch über eine Kombination dieser erfolgen. Nach der
Registrierung liegen sämtliche Punktwolken in einem gemeinsamen Bezugssystem vor und
die Ableitung weiter Informationen (z.B. 3D-Modellierung) kann erfolgen. Auf analoge
Weise können die Punktwolken auch in ein übergeordnetes (Landes-) Koordinatensystem
transformiert werden. Dazu genügt es, einige Passpunkte bzw. -objekte zu definieren, deren
Koordinaten bzw. Parameter bekannt sind.
In den beiden folgenden Abbildungen ist ein Tunnel (Mühlebachtunnel – Wallis, Schweiz)
dargestellt. Darin sind die gesamte Tunnelröhre (nach der Registrierung) sowie ein
Ausschnitt der hochauflösenden Punktwolke dargestellt. Dabei sind Details wie z.B.
Schienen, Oberleitung und die gemauerte Tunnelwand zu erkennen. Zu beachten ist, dass
die Grauwerte aus Intensitätswerten des empfangenen Laserstrahls abgeleitet sind. Es
handelt sich somit um ein Falschfarben-Bild.

4
H. Ingensand und T. Schulz
Abb. 2: Mühlebachtunnel (Wallis, Schweiz) – gesamte Tunnelröhre (links) sowie
Detailansicht der hochauflösenden Punktwolke (rechts)
6 Zusammenfassung
Terrestrisches Laserscanning wird bereits heute für Applikationen im Bereich der
Ingenieurgeodäsie angewendet, jedoch dürfen die geodätischen Aspekte bezüglich Genauigkeiten
und (instrumentellen) systematischen Fehlereinflüssen nicht in Vergessenheit
geraten. Neben der Hardware (Laserscanner) ist auch die Software (Modellierung,
Algorithmen zur Auswertung) von entscheidender Bedeutung. Eine Punktwolke ist zwar
eindrucksvoll, trägt aber kaum zum (mathematischen) Informationsgewinn bei.
Für den Anwender ist weniger die Genauigkeit einzelner Komponenten (Distanzmesssystem,
Richtungsmesssystem, instrumentelle Fehler) von Interesse, sondern vielmehr die
erreichbare Genauigkeit von (gemessenen) Einzelpunkten und (abgeleiteten) Objekten. Dabei
liegen die Genauigkeiten von Objekten unterhalb der Genauigkeiten von Einzelpunkten.
Mittels terrestrischem Laserscanning lassen sich unter Einhaltung bestimmter Bedingungen
(z.B. Aufnahmeentfernung, Auftreffwinkel) Genauigkeiten im Millimeterbereich erzielen.
Damit wird die Verwendung von terrestrischen Laserscannern für Aufgaben in der
Ingenieurvermessung und auch der industriellen Messtechnik unter Berücksichtigung der
vorgenannten Bedingungen möglich.
Literatur
Böhler, W.; Bordas Vicent, M.; Marbs, A. (2003): Investigation Laser Scanner Accuracy.
In: Proceedings of XIX. CIPA Symposium, Antalya.
Schulz, T. & H. Ingensand (2004a): Influencing Variables, Precision and Accuracy of
Terrestrial Laser Scanners. In: Proceedings of Ingeo 2004, Bratislava.
Schulz, T. & H. Ingensand. (2004b): Terrestrial Laser Scanning - Investigations and Applications
for High Precision Scanning. In: Proceedings of the FIG Working Week - The
Olympic Spirit in Surveying, Athens.