Terrestrisches Laserscanning und Streifenprojektionsmethode am Beispiel des Romanischen Schottenportals Regensburg

Inhaltverzeichnis

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

TABELLENVERZEICHNIs

1.EINLEITUNG
1.1 Ziel der Arbeit
1.2 Aufbau der Arbeit

2.TERRESTRISCHES LASERSCANNING
2.1 Einordnung und Anwendungen
2.2 Aspekte der Lasertechnologie
2.3 Reflektorlose Entfernungsmessung
2.3.1 Triangulationsverfahren
2.3.2 Phasenvergleichsverfahren
2.3.3 Impulslaufzeitmessung
2.3.4 Einflüsse auf die reflektorlose Entfernungsmessung
2.4 S ystemkriterien Terrestrischer Laserscanner
2.5 Terrestrischer Laserscanner Riegl LMS -Z-360
2.5.1 M esssensor
2.5.2 Digitalkamera Nikon D100
2.6 S oftware RiSCAN PRO
2.6.1 Allgemeines
2.6.2 Koordinatensysteme und Transformation
2.6.3 M essung
2.6.4 Referenzierung
2.6.5 Datenfilterung und Segmentierung
2.6.6 Verarbeitung digitaler Bilder

3. STREIFENPROJ EKTIONSMETHODE
3.1 Oberflächenbestimmung in der Messtechnik
3.2 Messprinzip
3.2.1 Triangulationsverfahren
3.2.2 Gray-Code-Verfahren - Binär-kodiertes Licht
3.2.3 Phasenverschiebungsverfahren
3.2.4 Parameter und Aufnahmekonfiguration
3.3 QT Sculptor
3.3.1 Allgemeines
3.3.2 Gestell, Projektor und Kamera
3.3.3 Genauigkeit und M essbereich
3.3.4 Kalibrierung des M essbereichs
3.4 Verarbeitung der Tiefenbilder mit der S oftware QT Sculptor
3.4.1 M essung
3.4.2 Segmentierung und Registrierung
3.4.3 Objektmodellierung
3.4.4 Texturierung

4. DAS ROMANISCHE SCHOTTENPORTAL UND DIE
BAUDENKMALPFLEGE
4.1 Baudenkmalpflege und Vermessung
4.2 Klosterkirche St. Jakob und S chottenportal
4.2.1 Historie
4.2.2 Das Schottenportal

5. MESSUNG
5.1 Projektbetrachtung
5.2 Terrestrischer Laserscanner LMS Z-360
5.3 Digitalkamera Nikon D 100
5.4 S treifenprojektionssystem QT Sculptor
5.4.1 Aufnahmeparameter und Kalibrierung des M essbereichs
5.4.2 Aufnahme von Tiefenbildern
5.5 Bewertung des Messprozesses
5.5.1 Bemerkungen zum M essprozess
5.5.2 Wichtige Aufnahmebedingungen

6. AUSW ERTUNG
6.1 Vorbetrachtung
6.2 Verarbeitungskonzept
6.3 S oftware
6.3.1 Konvertierung
6.3.2 Polyworks
6.4 Verarbeitung der Laserscanner-Daten mit RiSCAN PRO
6.4.1 Datenauswahl
6.4.2 Referenzierung der Einzelaufnahmen
6.4.3 Datenfilterung und Visualisierung
6.4.4 Konvertierung in Tiefenbilder
6.5 Modellierung mit QT Sculptor
6.5.1 Vorbetrachtungen
6.5.2 Segmentierung und Registrierung
6.5.3 Oberflächenmodellierung und Optimierung des Dreiecksnetzes
6.5.4 Ergebnisse
6.6 Datenfusion aus Laserscanner- und S treifenlichtdaten
6.6.1 Segmentierung und Registrierung
6.6.2 Oberflächenmodellierung und Optimierung des Netzes
6.6.3 Ergebnisse
6.7 PolyWorks/Modeler und PolyWorks/Inspector
6.7.1 Netzbearbeitung und Datenreduktion
6.7.2 Vergleich zwischen Laserscanner- und Streifenlichtmodell
6.8 Texturierung von Oberflächenmodellen mit QT Sculptor
6.9 Visualisierung und Anwendungen

7.ZUSAMMENFASSUNG
7.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
7.2 Zusammenfassung des Verfahrens

8. AUSBLICK ANHANG

Anhang A:RiSCAN PRO
A.1 Kamerakalibrierungen A.2 Aufnahme und Referenzierung
A.3 Digitale Bilder und eingefärbte Punktewolke eines Scans
A.4 Vereinigung der Scans und Filterung der Punktewolke

Anhang B: Übersicht der erstellten 3D-Modelle
B.1 M odelle und Datenreduktion
B.2 3D-M odell des Gesamtportals der M essungen mit dem Laserscanner Z-360
B.3 3D-M odelle der M essungen mit dem Streifenprojektionssystem QT Sculptor
B.4 3D-M odell des Gesamtportals aus Laserscanner und Streifenlichtmessungen

Anhang C:Polyworks
C.1: Darstellung der Flächenabweichungen zwischen Daten- und Referenzmodell
C.2: Schnitt durch die Figur des Antichrist und Vergleich der Abweichungen

Anhang D: Inhalt der DVD

GLOSSAR

LITERATURVERZEICHNIS

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2-1: Einordnung des terrestrischen Laserscanning

Abbildung 2-2: Spiegelnde, diffuse und diffuse Reflexion mit Spiegelung

Abbildung 2-3: Systemkriterien terrestrischer Laserscanner

Abbildung 2-4: Terrestrischer Laserscanner LM S Z-360

Abbildung 2-5: Aufbau und Arbeitsbereich LM S Z-360

Abbildung 2-6: Koordinatensystem in RiSCAN PRO

Abbildung 3-1: Triangulationsprinzip

Abbildung 3-2: Geometrische Beziehungen bei der Lichtprojektion

Abbildung 3-3: Gray-Code-Projektion mit 7 Streifenmustern

Abbildung 3-4: Prinzip des Gray-Code mit drei Projektionen und der Phasenverschiebung mit vier Projektionen

Abbildung 3-5: Das M esssystem QT Sculptor

Abbildung 3-6: Anordnung der Kalibrierplatten zur Bestimmung des M essbereichs

Abbildung 3-7: Bild der Kalibrierplatte mit errechneten Schnittlinien

Abbildung 3-8: Ausgabe der Kalibrierungsparameter in QT Sculptor

Abbildung 3-9: Tiefenbild, Flächenansicht und

Punktewolke einer Aufnahme mit QT Sculptor

Abbildung 3-10: Abstandsfunktion und Suchbereich zur Definition einer Objektoberfläche im Überlappungsbereich

Abbildung 3-11: Ray-Casting-Prinzip

Abbildung 3-12: Die Äquivalenzklassen des M arching-Cube-Algorithmus

Abbildung 4-1: Kirche St. Jakob und Schottenportal (vor 1997)

Abbildung 5-1: Schematische Darstellung des M essraumes und der Standpunkte

Abbildung 5-2: M esssituation am Romanischen Schottenportal Regensburg

Abbildung 5-3: Detailscan mit Reflektoren

Abbildung 5-4: Fehlerhafte Punkte durch M ittelung der M esswerte zwischen Vorder- und Hintergrund

Abbildung 5-5: Bild eines Bildverbandes aus einer Scannerposition

Abbildung 5-6: Einzelbild mit unbekannter äußerer Orientierung

Abbildung 5-7: Projiziertes Streifenmuster auf einer Figur

Abbildung 5-8: Benachbarte Tiefenbilder mit Überlappung, Scanschatten und Fehlpixels im M essbild

Abbildung 6-1: Verarbeitungsablauf und Schnittstellen für die Datenverarbeitung

Abbildung 6-2: Referenzscan als Projektkoordinatensystem mit Reflektoren und manuell gesetzten Tiepoints

Abbildung 6-3: Kombination aus digitalen Bildern und Punktewolke einer Scanposition

Abbildung 6-4: Gefilterte Punktewolke aus einem ‚Union-View’ von 4 Scans

Abbildung 6-5: Intensitätsbild inRiSCAN PRO und konvertiertes Tiefenbild in QT-Sculptor der gleichen Scan-Position

Abbildung 6-6: Ergebnis der Segmentierung und Datenfilterung

Abbildung 6-7: Registrierung benachbarter M essbilder über drei markante Punkte

Abbildung 6-8: Ausgabefenster bei der Registrierung zweier Einzelbilder mit Orientierungen und RM S-Wert

Abbildung 6-9: Punktewolke aus zwei registrierten M essbildern

Abbildung 6-10: Redundante Objektbereiche (orange) eines Scans in einem Gesamtprojekt von 16 Laser-Scans

Abbildung 6-11: M inimale Voxelgröße und maximale Objektausdehnung des Gesamtportals

aus Laserscannermessungen

Abbildung 6-12: Vermaschung der Laserscannerdaten: Grobes Ausgangsnetz und optimiertes Netz (Dreiecks-Ansicht)

Abbildung 6-13: Streifenlichtdaten: Ausgangsvermaschung optimiertes Netz (schattierte Ansicht)

Abbildung 6-14: Dreiecksgröße und Verteilung nach der Optimierung:

Abbildung 6-15: Groborientierung der Streifenlichtbilder auf die Laserscannerdaten über identische Punkte

Abbildung 6-16: Unterschiedliche Punktdichte der registrierten Daten in der Punktewolke ..87 Abbildung 6-17: Redundante Daten der Laserscannermessung (orange) im Bereich der Überlappung mit den Streifenlichtdaten

Abbildung 6-18: Lokale Netzoptimierung im Bereich der Streifenlichtdaten

Abbildung 6-19: Importiertes STL-M odell mit fehlerhaften Flächen

Abbildung 6-20: Fehlerhafte Dreiecke in nicht vermessenen Bereichen

Abbildung 6-21: Rekonstruktion des M odellrandes

Abbildung 6-22: Extraktion von Kanten

Abbildung 6-23: Dreiecksreduktion mit IM Compress

Abbildung 6-24: Best-Fit-Ausrichtung von Referenzdatensatz (grau) und Vergleichsdatensatz (rosa)

Abbildung 6-25: Bestimmung von identischen Punkten in digitalen Bildern und im Oberflächenmodell

Abbildung 6-26: Texturierte VRM L - Ansicht eines Streifenlichtmodells

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1: Technische Daten des LM S Z-360

Tabelle 3-1: Technische Daten des verwendeten Projektors

Tabelle 3-2: Auflösung und Messgenauigkeit der Sensorköpfe in der Standardausführung ..

Tabelle 3-3: M essbereich des Sensors

Tabelle 4-1: Genauigkeiten und Anwendungs gebiete im Bereich Baudenkmalpflege

Tabelle 5-1: Projektplanung

Tabelle 5-2: Übersicht über die M essungen mit dem Laserscanner LM S Z-360

Tabelle 5-3: Größe des Laserspots ausgewählte Entfernungen

Tabelle 5-4: Punktabstände am Schottenportal in Abhängigkeit von Abtastrate und M essentfernung

Tabelle 5-5: Bestimmung der Bildanzahl

Tabelle 5-6: Beziehung zwischen M essabstand und aufgenommenem M essfeld

Tabelle 5-7: Übersicht über die Aufnahmen mit QT Sculptor

Tabelle 6-1: Auswirkung der Octree-Filterung auf eine Vereinigung von 4 Scans

Tabelle 6-2: Aus gewählte Objekte für die M odellierung aus Streifenlichtmessdaten

Tabelle 6-3: Anzahl verwendeter Tiefenbilder und Registrierungs genauigkeit

Tabelle 6-4: Geschätzte Punktanzahl für die Einzelmodelle nach der Registrierung

Tabelle 6-5: Werte für M odellierung und Optimierung bei der Oberflächenerzeugung

Tabelle 6-6: Anzahl der Scans der Datenfusion und Registrierungsgenauigkeit des Gesamtmodells

Tabelle 6-7: Werte für die M odellierung der verschiedenen Ausgangsdaten

Tabelle 6-8: Anzahl der verwendeten Bilder und Registrierungs genauigkeit

Tabelle 7-1: Zusammenfassung der M essprinzipien und M odellierungsfunktionen

Tabelle 7-2: Vor- und Nachteile beider M esssysteme für die Verwendung in der Baudenkmalpflege 102

1. Einleitung

1.1 Ziel der Arbeit

Die fortschreitende Entwicklung im Bereich des Vermessungswesens und der Instrumententechnik hat in den letzten Jahren eine neue Generation von Vermessungsgeräten hervorgebracht, die die bisherigen Messprinzipien und Technologien in Vermessung und Photogrammetrie ergänzen, wenn nicht sogar ablösen werden. Dazu zählen natürlich in erster Linie die Terrestrischen Laserscanverfahren, die seit geraumer Zeit einen immer größeren Markt erobern. Aber auch das aus dem Maschinenbau und der Kraftfahrzeugtechnik bereits länger bekannte Prinzip der Messung mit strukturiertem Licht hat eine weite Verbreitung gefunden und ist in unterschiedlichsten Varianten und Messverfahren auf dem Markt erhältlich. Für den Geodäten und Vermesser bieten sich hier nicht nur fortschrittliche und schnelle Aufnahmemethoden, sondern auch neue Anwendungsfelder, die sich neben der Ingenieurvermessung und Photogrammetrie auch auf die Architektur, die Baudenkmalpflege und Archäologie bis in die Medizin erstrecken.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Messverfahren des Terrestrischen Laserscanning und der Streifenprojektionstechnik an einem ausgewählten Objekt für Aufnahmen im Bereich der Bauaufnahme und Baudenkmalpflege eingesetzt. Das Romanische Schottenportal bietet dazu optimale Voraussetzungen bezüglich der Größe und der Komplexität der bildhauerischen Gestaltung. Durch die Aufnahmetechnik werden dabei der Aufnahmebereich und die Genauigkeit festgelegte. Die erfassten Daten werden danach in einen Auswerteprozess überführt, in dem neben einer getrennten 3D-Modellierung auch eine Datenvereinigung der unterschiedlichen Ausgangsmessdaten vollzogen wird. Die dadurch erzeugten Modelle und Ansichten sollen sich für die unterschiedlichsten Verfahren der Bauanalyse, der Visualisierung und Animation und der Stereolithographie nutzen lassen. In einem relativen, lokalen Vergleich der Datenmodellierungsqualität der Laserscanner- und Streifenlichtdaten kann auf einen Anwendungsbereich der beiden Systeme geschlussfolgert werden.

Die unterschiedlichen Messprinzipien der verwendeten Messtechnik machen grundlegende theoretische Betrachtungen notwendig, zumal im Ausbildungsprozess beide Messsysteme keine Erwähnung fanden. Die Betrachtungen reichen von der Definition des Anwendungsbereiches, über die instrumententechnischen Realisierungen und die verwendete Software bis zum Modellierungsprozess.

1.2 Aufbau der Arbeit

Diese Diplomarbeit lässt sich in erster Linie in einen theoretischen T eil (Kapitel 2-4) und die praktische Anwendung (Kapitel 5-7) gliedern.

Kapitel 2 behandelt die Grundlagen des Terrestrischen Laserscanning. Neben den instrumententechnischen Realisierungen wird hier speziell auf den verwendeten Laserscanner LMS Z-360, die Digitalkamera NIKON D100, die Software RiSCAN PRO und die implementierte T ransformations- und Berechnungsmethodik eingegangen.

Die T echnologie der Streifenprojektion und die maßgeblichen Messverfahren werden in Kapitel 3 behandelt. Die Verarbeitung der Daten von der Registrierung über die Objektmodellierung bis zur Dreiecksvermaschung und T exturierung bezieht sich dabei speziell auf das Messsystem QT Sculptor.

Das Romanische Schottenportal wird historisch und architektonisch in Kapitel 4 betrachtet. Dabei wird auch auf die Grundlagen der Baudenkmalpflege eingegangen.

Bemerkungen zum Messprozess finden sich in Kapitel 5. Hier wird der Ablauf der Datenaufnahme mit dem Laserscanner und dem Streifenprojektionssystem beschrieben und eine Übersicht über die aufgenommenen Daten gegeben. Einige Anmerkungen zu Problemen während des Messprozess werden aufgezeigt.

Kapitel 6 befasst sich mit dem Auswerteprozess und den dafür verwendeten Anwendungsprogrammen. Die Verarbeitung der Laserscannermessungen wird dabei beispielhaft an einem Messprojekt erläutert. Auf den Arbeitsablauf von der Registrierung über die 3D-Modellierung und Texturierung wird ausführlich anhand der Software QT Sculptor und Polyworks eingegangen.

Eine Zusammenfassung des Mess- und Auswerteprozesses und der erhaltenen Ergebnisse gibt Kapitel 7. Dabei werden Schlussfolgerungen auf die Anwendbarkeit aus der Qualität der Modellierung gezogen.

Ein Ausblick in Kapitel 8 schließt diese Arbeit ab.

2. Terrestrisches Laserscanning

2.1 Einordnung und Anwendungen

Der Begriff Scanner wird heutzutage in vielen Fachgebieten für unterschiedliche Geräte und Verfahren verwendet, die sich über folgende Definition beschreiben lassen:

„Unter Scannen versteht man einen automatischen Vorgang, der ein Realobjekt vollständig und berührungslos abtastet und dabei Informationen ermittelt, die mit dem Computer weiterverarbeitet werden können.“ [Niemeier 02, S. 15]

3D-Scanner nach dem Triangulationsprinzip werden im industriellen Bereich schon seit längerem zur Formkontrolle von Werkstücken eingesetzt. Im Vermessungswesen haben sich terrestrische Laserscanner, im Gegensatz zum Airborn-Laser-Scanning, erst in den 90er Jahren des vorigen Jahrhunderts durchgesetzt. Das lag vor allem an den technischen Voraussetzungen und der Finanzierbarkeit der Messsysteme. Eine Vielzahl von Herstellern bieten jetzt terrestrische Laserscanner an und versuchen mit unterschiedlichen Messbereichen, Messverfahren und Genauigkeiten zu konkurrieren.

Unter terrestrischem Laserscanning, im Folgenden auch mit Laserscanning bezeichnet, wird die dreidimensionale Erfassung einer Objektoberfläche unter zeitlich und örtlich versetzter Abtastung mit einem Laserstrahl verstanden. Einer der größten Vorteile von Laserscannern liegt darin, die Geometrie beliebig geformter Objekte auf Knopfdruck im Maßstab 1:1 zu erfassen. Innerhalb des aktiven Messvorganges, der unabhängig vom Umgebungslicht ist, werden T ausende von indiskreten Punkten in kurzer Zeit automatisch in einem regelmäßigen Raster berührungslos bestimmt, gespeichert und für die Weiterverarbeitung mit spezifischer Software vorgehalten. Diese unstrukturierte Menge an 3D-Messpunkten bedarf in der Nacharbeit einer sinnvollen Klassifizierung, die über Filteralgorithmen und die Extraktion geometrischer Formen oder die Erzeugung von Polygonnetzen erfolgen kann. Bei der Aufnahme und Auswertung von photogrammetrischen Messbildern ist dies im Grunde nicht anders.

Terrestrisches Laserscanning lässt sich durch seinen Anwendungsbereich der industriellen Photogrammtrie und Architekturphotogrammetrie zuordnen. (Abbildung 2-1) Im Bereich der Baudenkmalpflege können Innenräume, Fassaden und natürliche Formen erfasst oder

Schadenskartierungen auf texturierten Modellen durchgeführt werden. Für die Dokumentation von Bauwerken (Brücken, Tunnel) in der Bauwerksüberwachung und Ingenieurvermessung können Laserscanner ebenso zum Einsatz kommen, wie im Facility-Management, der Qualitätssicherung und der Volumenermittlung im T agebau. Die Visualisierung und 3D- Modellierung spielt dabei eine große Rolle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Einordnung des terrestrischen Laserscanning (aus [Kern 03, S. 61])

Die Kombination von bekannten photogrammetrischen Messverfahren mit dem terrestrischen Laserscanning bietet vielfältige Möglichkeiten. So lassen sich Punktewolken mit Aufnahmen einer Digitalkamera kombinieren.

Problematisch sind die hohen Kosten, die bei der Neuanschaffung eines Terrestrischen Laserscanners entstehen. Inklusive Zusatzausstattungen, wie Digitalkamera, Software, Stromversorgung und T ransportbehälter ist schnell die 100 000 Euro-Grenze überschritten.

2.2 Aspekte der Lasertechnologie

Das Kunstwort LASER steht für den physikalischen Prozess seiner Erzeugung: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Licht entsteht im Allgemeinen dadurch, dass Atome von einem höheren Energieniveau in ein niedrigeres übergehen und dadurch eine Welle im elektromagnetischen Spektrum emittieren. [Hofmann 95] Dieser Vorgang erfolgt spontan, so dass das entstehende natürliche Licht inkohärente Eigenschaften (Gemisch von einzelnen Wellenzügen; keine Konstanz der gegenseitigen Phasendifferenzen von Wellen) aufweist. Dagegen werden beim LASER durch den Prozess der induzierten Emission die angeregten Atome dazu veranlasst, Licht synchronisiert, d.h. in gleicher Phase und Richtung, abzustrahlen. Dies geschieht durch einen optischen Resonator. Das abgestrahlte Licht weist, in Abhängigkeit des Lasertyps, folgende Eigenschaften auf:

- Kohärenzlänge von mehreren Metern bis 10⁷ m
- Typische Wellenlängen: 300nm < λ < 10 000 nm
- Monochromasie: extrem schmale Bandbreite der Laserstrahlung
- Hohe Intensität des Lichtes
- Strahldivergenz: Laserlicht breitet sich nahezu parallel unter einem kleinen
Divergenzwinkel aus. [Litfin 97]

Diese Eigenschaften bieten die Grundlage für eine Anwendung der Lasertechnologie in der Messtechnik. Aufgrund der Bauart und Baugröße werden in gängigen Laser-Messsystemen im Vermessungsbereich Halbleiterlaser oder Festkörperlaser eingesetzt. Die Wellenlängen liegen im nahen Infrarotbereich.

Sicherheitsaspekte spielen gerade bei der Verwendung von Lasermessgeräten eine große Rolle. Die Gefährdung, die auf der Absorption direkter oder reflektierter Laserstrahlung durch das menschliche Gewebe, insbesondere im Bereich der Augen, beruht, ist dabei u.a. abhängig von der Energiedichte und der Wellenlänge. Nach DIN EN 60825-1/11.01 werden Laserklassen definiert, die Auskunft über die potentielle Gefährdung geben. Terrestrische Laserscanner arbeiten überwiegend mit Lasertechnologie der Laserklasse 1 (augensicher) und Laserklasse 2 (augensicher ohne Verwendung optischer Instrumente). [Kern 03]

2.3 Reflektorlose Entfernungsmessung

Ein Nahbereichs-Laserscanner kann als Weiterentwicklung eines motorisierten, reflektorlosen Tachymeters betrachtet werden, vor allem hinsichtlich Arbeitsgeschwindigkeit und Abtastrate. Die Entfernungsmessung erfolgt nach den bekannten Methoden des Phasenvergleichs- oder Impulslaufzeitverfahrens sowie der Triangulationsmethode und der Interferometrie. Für die Messungen werden die natürlichen Reflexionseigenschaften von Flächen ausgenutzt.

2.3.1 Triangulationsverfahren

Hierbei handelt es sich um ein geometrisches Verfahren, bei dem der Laser-T ransmitter, eine CCD-Kamera und ein Punkt auf dem Messobjekt ein Dreieck bilden. Der ausgesendete Laserpunkt wird durch die Kamera aufgezeichnet und über das bekannte Dreieck die Position bestimmt. Aufgrund der räumlich beschränkten Basis ist dieses Verfahren nur für den Nahbereich geeignet, bietet dabei aber bedeutend höhere Genauigkeiten als Laserscanner, die nach dem Prinzip des Phasenvergleichs oder der Impulslaufzeit arbeiten.

2.3.2 Phasenvergleichsverfahren

Dem Laserimpuls wird eine Welle aufmoduliert, die hier als Maßstab für die Streckenbestimmung benutzt wird. Dabei ergibt sich die Strecke s aus der Anzahl a der vollen Modulationswellenlängen λM und dem der Phasendifferenz ∆ϕ entsprechenden Phasenreststück einer Wellenlänge. Die Grundgleichung der elektronischen Streckenmessung nach dem Phasenvergleichsverfahren lautet [Wedekind 98]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Firmen Zöller & Fröhlich und IQSun bieten Scanner nach diesem Messprinzip an.

2.3.3 Impulslaufzeitmessung

Bei diesem Verfahren, das auch als T ime-of-Flight-Verfahren bezeichnet wird, erfolgt die Messung der Laufzeit des ausgesendeten, energiereichen Laserimpulses. Dabei durchläuft das Signal die Strecke vom Sender (Resonator) zum Zielpunkt, wird reflektiert, und ein Teil des reflektierten Signals von einem Empfänger (Photodiode) registriert. Vom Startimpuls wird ein Zähltor geöffnet, vom Stopimpuls, der durch das reflektierte Signal ausgelöst wird, wieder geschlossen. Die Laufzeitmessung ist dabei direkt proportional zur durchlaufenen Strecke. Über die bekannte Größe der Lichtgeschwindigkeit berechnet sich die Strecke nach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für eine eindeutige Streckenmessung muss die Impulsfolgezeit größer als die Laufzeit eines Impulses für Hin- und Rückweg sein.

Da eine Vielzahl am Markt erhältlicher Laserscanner nach diesem Prinzip arbeiten (Cyra, Callidus, Riegl), bleiben die weiteren Betrachtungen auf dieses Verfahren beschränkt.

2.3.4 Einflüsse auf die reflektorlose Entfernungsmessung

Die reflektorlose Entfernungsmessung bietet sich dann an, wenn Objekte berührungslos und schnell erfasst werden sollen. Sie ist allerdings abhängig von einer Vielzahl von Faktoren und Einflüssen, die Auswirkungen auf die Genauigkeit haben. Voraussetzung für eine erfolgreiche Entfernungsmessung ist in jedem Fall die Registrierung einer ausreichend großen Empfangsleistung, die vom Empfänger noch ausgewertet werden kann. [Kern 03]

Reflexion und Reflexionsgrad

Man unterscheidet im Allgemeinen drei Arten von Reflexion: spiegelnde, diffuse und diffuse Reflexion mit Spiegelung. (Abbildung 2-2) Bei der spiegelnden Reflexion ist der Einfallswinkel am Objekt gleich dem Ausfallswinkel. Diese Art tritt an Glas- und Metallflächen auf. Bei der Aufnahme von Gebäuden und topografischen Objekten, dem häufigsten Anwendungsfall, kann man davon ausgehen, dass diffuse Reflexion auftritt. Teilweise vermischen sich beide Arten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2: Spiegelnde, diffuse und diffuse Reflexion mit Spiegelung (aus [Kern 03, S. 40])

Der Reflexionsgrad, auch Reflektivität, beschreibt das Reflexionsvermögen eines Materials, abhängig von den Umgebungsbedingungen, wie Einfallswinkel. Zielentfernung und atmosphärische Dämpfung. Er gibt das Verhältnis zwischen zurückgestreuter und abgestrahlter spektraler Lichtleistung an. Werte für diese Größe sind empirisch und entsprechender Literatur entnehmbar. [Lichti 02] Allgemein kann man feststellen: „...je heller die Oberfläche, des höher die Reflektivität.“ [Bergholz 00, S.9]

Reflexion und Reflexionsgrad haben nur in soweit einen Einfluss auf die Messgenauigkeit,

dass eine zu geringe Objektreflektivität die Messung fehlschlagen lässt. Der Verlust durch Reflexionseinflüsse liegt bei der reflektorlosen Entfernungsmessung zwischen 10 und 100 %. Das empfangene Signal wird geräteintern verstärkt und vom Grundrauschen getrennt.

Die Signalstärke des empfangenen Impulses wird bei einer Vielzahl von Laserscannern als „Intensität“ abgespeichert und für die Weiterverarbeitung genutzt.

O bje ktge ome trie

Die Struktur des Zielobjektes hat wesentlichen Einfluss auf die reflektorlose Entfernungsmessung. Dabei kann man zwischen ebenen Flächen, inneren Kanten, äußeren Ecken und tiefengestaffelter Objektgeometrie unterscheiden. Geringe Auswirkungen auf die Genauigkeit haben schräge, ebene Reflexionsflächen. Sie liegen im Allgemeinen innerhalb der Messgenauigkeit des Messsensors. Messungen zu inneren Kanten werden systematisch zu kurz, zu äußeren Ecken zu lang gemessen. Diese Effekte im unteren, einstelligen Millimeterbereich haben ihre Ursache in der Strahldivergenz (siehe Kapitel 2.4) und können innerhalb der Messunsicherheit der Entfernungsmessung liegen. Bei einer abgestuften Geometrie kann mit fehlerhaften Messungen gerechnet werden, da sich die Signale zwischen Vordergrund und Hintergrund vermischen. Eine in diesem Fall empfohlene sorgfältige Anzielung ist bei der Verwendung eines flächenhaft abtastenden Scanners ausgeschlossen.

Atmosphärische Einflüsse

Die Streckenmessung mittels Lichtwellen wird beeinflusst durch atmosphärische Faktoren: Temperatur, Luftdruck und Partialer Wasserdampfdruck. Diese Größen definieren den Brechungsindex (Refraktionskoeffizienten) der Atmosphäre zum Messungszeitpunkt, der Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle bzw. die Wellenlänge hat. Zur Korrektur der gemessenen Strecke berechnet man die 1. Geschwindigkeitskorrektion. [Wedekind 98]

Der Einfluss der Atmosphäre auf Laserscannermessungen ist unbedeutend. „Solange unter Normalbedingungen gearbeitet wird, ist es [...] nicht erforderlich, die 1. Geschwindigkeitskorrektur bei Laserscannermessungen, die eine Streckenmessgenauigkeit von mehreren Millimetern haben, anzubringen.“ [Kern 03, S. 59]. Sollten dennoch extreme Arbeitsbereiche mit sehr hohen oder niedrigen T emperaturen auftreten, wäre eine Korrektion sinnvoll. Allerdings ist die Eingabe der atmosphärischen Bedingungen nicht vorgesehen. Eine manuelle Korrektion ist auszuschließen.

Ele ktronische Baute ile

Die Streckenmesseinrichtungen terrestrischer Laserscanner unterliegen wie bei Tachymetern systematischen Fehlereinflüssen, die u.a. fertigungsbedingt sind und sich in streckenunabhängige und streckenabhängige Fehler unterteilen.

Beim Impulslaufzeitverfahren wirkt als streckenunabhängiger Fehler, neben der Auflösung der Impulsmessung, die Nullpunktkorrektur. Diese wird durch Vergleichsstreckenmessung bestimmt und danach geräteintern berücksichtigt. Abweichungen in der Messfrequenz, bedingt durch T emperatur- und Spannungsabhängigkeit, Einlaufeffekt und Alterung des Quarzes, werden in Form einer Maßstabsverbesserung in der Einheit Parts per Million - ppm (10-⁶ ) an die Distanz angebracht und wirken daher streckenabhängig. Frequenzabweichungen werden durch Laborkalibrierungen bestimmt.

2.4 Systemkriterien Terrestrischer Laserscanner

Um eine flächenhafte, reflektorlose Vermessung mit Laserlicht in kürzester Zeit zu ermöglichen, bestehen Laserscanner aus einem Laserentfernungsmesser (dem Laser) und einem mechanischen Abtastmechanismus (dem Scanner). Diese Bauteile bestimmen grundlegend die Auflösung und die Arbeitsgeschwindigkeit des Systems. Wichtige Kriterien terrestrischer Laserscanner sind in Abbildung 2-3 dargestellt und sollen im Folgenden kurz betrachtet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3: Systemkriterien terrestrischer Laserscanner (aus [Kern 03, S. 57])

Abtastung und Me ssge schwindigke it

Ein idealer Abtastmechanismus in Laserscannern sollte grundlegende Kriterien erfüllen. Zu den Wichtigsten zählen:

- eine hohe Dynamik
- die Realisierung geringer Abtastabstände bzw. Schrittweiten
- die Abdeckung eines möglichst großen Messbereichs

Bezüglich des Messbereichs haben sich die Bezeichnungen Kamera-Scanner und PanoramaScanner ausgeprägt. Ein Kamera-Scanner tastet in einem begrenzten Bereich ab und muss auf das Messobjekt ausgerichtet werden. Panorama-Scanner decken horizontal einen 400 gon Umkreis und vertikal etwa einen Bereich von 100 gon und mehr ab. Dadurch kann ein Innenraum leicht mit einem Scan erfasst werden.

Die mechanischen Bauteile zur Realisierung der flächenhaften Abtastung sind vielfältig. Verbreitet angewendet werden Servomotoren, Planspiegel, Prismen oder Spiegelpolygone, die Rotationsbewegungen ausführen und die Laserstrahlen ablenken. In Scannern werden in der Regel Kombinationen aus den genannten Abtastmechanismen eingesetzt, z.B. ein Spiegelpolygon für die schnelle, vertikale Rotation und ein Servomotor für die langsame, horizontale Rotation. Beide Bewegungen erfolgen dabei unabhängig. [Kern 03], [Ullrich 03]

Als Abtastrate können für die Horizontal- und Vertikalwinkel verschiedene Schrittweiten eingestellt werden, die eine mehr oder weniger detailreiche Objektauflösung bedeuten. Die erreichbare Punktdichte am Objekt in Abhängigkeit vom Abtastwinkel und Messentfernung, ergibt sich nach (2.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Messzeit steigt dabei quadratisch mit der Erhöhung der Abtastrate. Die Messgeschwindigkeit ist ebenfalls abhängig vom eingesetzten Streckenmessverfahren: beim Impulsmessverfahren kann die nächste Messung erst nach Registrierung der vorhergehenden ausgelöst werden.

Reichweite und Strahldivergenz

Die Reichweite der Lasermessung ist abhängig von der Leistungsdichte des Lasers und der Empfangsoptik. Weiterhin spielen die Reflektionseigenschaften des Zielobjektes und der Auftreffwinkel eine Rolle. Laserlicht breitet sich außerdem unter einem Divergenzwinkel aus, der im Bereich weniger Milliradiant liegt. Der Laserstrahl wird dabei unter einer Mindestspotgröße ausgesendet, die linear mit der Entfernung zunimmt. Durch eine Optik kann allerdings im Nahbereich eine Fokussierung des Strahles erreicht werden. Eine geringe Strahldivergenz führt zu einer besseren Auflösung des Objektes und hat weniger Einfluss auf die Ausrundung von Ecken und Kanten. Liegt die Abtastrate des Scanners unterhalb des Wertes für die Strahldivergenz, sind benachbarte Messungen voneinander abhängig.

Ebenso kann die Laufzeit der ansteigenden Flanke (First pulse) und der absteigenden Flanke (Last pulse) eines ausgesendeten Impulses bestimmt werden, was die Trennung eines Zieles in Vorder- und Hintergrund möglich macht. Diese im Airborne-Laserscanning eingesetzte Methode wird auch bei terrestrischen Laserscannern angewandt.

Messgenauigke it

Richtungs- und Streckenmessung sind in ihrer Genauigkeit zu unterscheiden. „Die Richtungsmessung wird durch die Ablenkeinheit bestimmt. Die Streckenmessung ist abhängig vom eingesetzten Streckenmessverfahren.“ [Kern 03, S.58] Zur Abwägung des Genauigkeitspotentials einer Laserscannermessung sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:

- die Genauigkeit des verwendeten Streckenmessverfahrens
- die Genauigkeit der Winkelmessung der Abtasteinheit
- die Größe des Laserspots in Abhängigkeit von Strahldivergenz und Entfernung
- die Struktur des Zielobjektes

Aufgrund der unzähligen Einflüsse, die durch die reflektorlose, flächenhafte Abtastung entstehen, lässt sich die Genauigkeit eines Messpunktes schwer abschätzen, weil sich eine Vielzahl von Faktoren gegenseitig bedingen. Da die Fehler der Entfernungsmessung und Winkelmessung mit größerer Messentfernung zunehmen und der Durchmesser des Laserspots linear ansteigt, ist bei zunehmender Messentfernung mit einer abnehmenden Genauigkeit zu rechnen.

2.5 Terrestrischer Laserscanner Riegl LMS -Z-360

2.5.1 Messsensor

Ausgehend von den beschriebenen Kriterien für terrestrische Laserscanner soll nun näher auf die technischen Parameter des verwendeten Laserscanners LMS Z-360 der Firma Riegl eingegangen werden. (Abbildung 2-4) Das bei der Firma Arc Tron verwendete Modell ist eines der ersten Modelle dieser Baureihe. T abelle 2-1 enthält die technischen Daten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-1: Technische Daten des LMS Z-360

Abbildung 2-4: Terrestrischer Laserscanner LMS Z-360

Aufgrund des Aufnahmebereichs handelt es sich um einen Panorama-Scanner, der aus einem festen Unterteil und einem drehbaren Oberteil besteht. (Abbildung 2-5) Für die Aufstellung kann ein handelsübliches Stativ verwendet werden, auf dem der Messsensor befestigt wird. Neuere Stative lassen ein Herausfahren bis auf 2,50 m Messhöhe zu. Optional kann man eine Kippvorrichtung benutzen, mit der eine Neigung des Sensors möglich ist. (Abbildung 2-4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-5: Aufbau und Arbeitsbereich LMS Z-360 (aus [Riegl 03])

Die Streckenmessung erfolgt nach dem Impulslaufzeitverfahren . Die Standard-Messrate liegt bei 24 kHz, was bedeutet, dass etwa alle 0,04 Millisekunden ein Folgeimpuls ausgesendet wird. Damit ist gewährleistet, dass ein neuer Impuls erst ausgesendet wird, wenn der vorhergehende an der Empfangsoptik registriert wurde. Die Impulslaufzeit für eine maximale Streckenlänge von 200m kann nach Gleichung (2.2) bestimmt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Somit können auch Strecken über der maximal angegebenen Messentfernung sicher registriert werden.

Die räumliche Auflösung ist limitiert durch die Entfernungsmessgenauigkeit in radialer Richtung und der Strahldivergenz in tangentialer Richtung. Der Mindestdurchmesser des ausgesendeten Laserspots beträgt 40 mm. Mit der Beam-Focus-Funktion lässt sich durch eine in den Strahlengang eingebrachte Blende der Laser bis zu einer Aufnahmeentfernung von 10 m fokussieren, Der Durchmesser des Laserspots ergibt sich näherungsweise nach Gleichung (2.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die angegebene Strahldivergenz von 2 mrad bzw. 0,13 gon führt dazu, dass Messungen mit einer Winkelauflösung, die unter diesem Wert liegt, miteinander korreliert sind. Einstellbar

sind grundsätzlich Abtastwinkel zwischen 0,02° bis 0,4°. Vertikale und horizontale Winkelschrittweite haben dabei während der Aufnahme den gleichen Abtastwert. Durch die gleichzeitigen Rotationen in horizontaler und vertikaler Richtung sind die aufgenommene Scan-Linien nicht zwingend vertikal.

Die Schrittweite der Winkelabtastung bedingt die Anzahl der Messpunkte und die Messzeit des Sensors. Eine Panorama-Aufnahme mit einer Schrittweite von 0,12° horizontal und vertikal lässt sich somit berechnen nach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Registrierung von First und Last T arget ist möglich, wenn beide Ziele mindestens 2 m voneinander entfernt sind. Unter 2 m erfolgt eine gewichtete Mittelung der Strecke über die Intensitätswerte der empfangenen Signale.

2.5.2 Digitalkamera Nikon D100

Optional wird für den verwendeten Laserscanner eine hochauflösende Digitalkamera zur Aufzeichnung digitaler Bilder angeboten. Durch die hohe Auflösung von 3008x2000 Pixel und eine Pixelgröße von 7,8 µm ist sie für die digitale Photogrammetrie hervorragend geeignet. Das Objektiv AF D20/2,8 NIKKOR für die spezielle Verwendung mit dem Laserscanner der Baureihe LMS Z-360 hat einen horizontalen Öffnungswinkel von 67°, einen vertikalen Öffnungswinkel von 48° und eine Brennweite von 20 mm.

Die innere Orientierung der Kamera ist über die mitgelieferte Kalibrierdatei bekannt. Die Kamera wird über ein USB-Kabel mit einem PC oder Notebook und über eine präzise Befestigungsvorrichtung mit dem Scanneroberteil verbunden. Die Befestigung gewährleistet, dass die Orientierung zwischen Kamera und Scanner auch nach dem Ab- und wieder Aufmontieren annähernd konstant bleibt. Dennoch wird empfohlen, eine Kalibrierung der Orientierung zwischen dem Koordinatensystem des Scanners und dem Koordinatensystem der Kamera nach jeder neuen Montage durchzuführen. Die Kamera wird im Hochformat auf dem Scanner befestigt, so dass der Öffnungswinkel von 67° einen Großteil des vertikalen Scanbereichs des Laserscanners abdeckt.

Die Kamera kann auch zur Aufnahme unabhängiger Einzelbilder eingesetzt werden.

2.6 Software RiSCAN PRO

2.6.1 Allgemeines

Die Software RiSCAN PRO für die Verwendung mit Riegl -Laserscannern dient zur Ansteuerung und Konfiguration des Messsensors und der angeschlossenen Digitalkamera, zur Verwaltungen aufgenommener Punktewolken und digitaler Bilder, zur Visualisierung und Bearbeitung der Messdaten und zur Archivierung. Die Software ist dabei für die Handhabung im Außendienst auf einem handelsüblichen, tragbaren Computer installiert. Die Ansteuerung des Scanners erfolgt über eine serielle Schnittstelle (COM-Port), die Datenübertragung der gemessenen Punkte und über eine parallele Schnittstelle (RiPort). Neuere Modelle der Baureihe LMS Z-360 besitzen bereits eine TCP/IP-Schnittstelle, die eine Datenübertragung mittels Wireless-LAN-T echnologie erlaubt.

Die Bearbeitung mit RiSCAN PRO erfolgt projektorientiert. Die Projektdatei wird im XML- Format gespeichert. Innerhalb eines Projektes werden in verschiedenen Verzeichnissen die Kalibrierdaten, die Scanpositionen mit den aufgenommen Scans, die digitalen Bilder und die Transformationsmatrizen für die Bild- und Scannerorientierung gespeichert. Weitere Optionen zur Vereinigung von Punktewolken, Filterung und Segmentierung sind implementiert. Einen Überblick über die Projektbearbeitung gibt Anhang A.

Die Bearbeitung dieser Diplomarbeit erfolgte mit Version 1.02 in mehreren Beta-Versionen (b32-b36), Stand September 2003.

2.6.2 Koordinatensysteme und Transformation

RiSCAN PRO unterscheidet mehrere Koordinatensysteme, die ineinander transformiert werden können (Abbildung 2-6):

- SOCS: Scanner-Own-Coordinate System:
Koordinatensystem des Scanners für jede Scanposition; der Ursprung des Koordinatensystems fällt mit dem Schnittpunkt der Rotationsachsen und dem Nullpunkt des Entfernungsmessers zusammen.
- PRCS: Project-Coordinate-System :
Benutzerdefiniertes Projektkoordinatensystem (z.B. Objekt, gekürzt GKKoordinaten)
- GLCS: Global-Coordinate-System :
Übergeordnetes Koordinatensystem (global: z.B. Gauß-Krüger)
- CMCS: Cam era-Coordinate-System:
Koordinatensystem der aufmontierten Digitalkamera bei jeder Aufnahme. Die Z-Achse des Scannerkoordinatensystems entspricht hier der X-Achse des Kamerakoordinatensystems

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-6: Koordinatensystem in RiSCAN PRO (aus [RiSCAN 03])

Für die Überführung in ein anderes Koordinatensystem unterscheidet man folgende Transformationsmatrizen:

MSOP: Sensororientierung: T ransformation in das Projektkoordinatensystem (3D- Helmerttransformation: 3 Rotationen, 3 Translationen)
MPOP: Projektorientierung: Transformation vom Projektkoordinatensystem in ein übergeordnetes Koordinatensystem (3D-Helmerttransformation: 3 Rotationen, 3 Translationen)
MMounting: Transformationsmatrix zwischen Scannerkoordinatensystem und dem Projektionszentrum der aufmontierten Kamera (3 Rotationen, 3 Translationen)
MCOP: Kameraorientierung: Transformationsmatrix für jedes Bild eines Bildver- bandes, den die Digitalkamera auf einer Scanner-Position aufnimmt (eine Rotationen um die X-Achse des Kamerakoordinatensystems)

2.6.3 Messung

Te rre strische r Lase rscanne r LMS Z-360

3D-Laserscanner erfassen auf jedem Standpunkt eine 3D-Punktewolke. Für die vollständige Erfassung komplexer Objekte sind mehrere Standpunkte notwendig. Zur Transformation in ein übergeordnetes Koordinatensystem können im Messraum Reflektoren verteilt und tachymetrisch bestimmt werden. Sollen die Scans nur relativ zueinander orientiert werden, ist zwischen den Standpunkten auf genügend Überlappung der Messszenen zu achten. Zur Erfassung eines Objektes wird der Laserscanner frei aufgestellt und im Allgemeinen nicht horizontiert. Die Messwerte für die Raumstrecke ri einer Aufnahme werden in einer Distanzmatrix (u, v) gespeichert, die sich aus den äquidistanten Abständen der Rotationswinkel ergibt. Dabei entspricht u der Anzahl der Scanlinien und v der Anzahl der Punkt pro Linie. Die Berechnung der x,y,z-Koordinaten in einem mathematischen Koordinatensystem für jeden Punkt erfolgt sofort über die gemessene Schrägstrecke ruv und die Horizontal- und Vertikalwinkel (ϕ, ϑ)uv der Distanzmatrix (u, v) durch polares Anhängen nach [Kern 03]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Punkte liegen nach der Messung im Scannerkoordinatensystem (SOCS- Scanner Own Coordinate System) vor. Die Darstellung ist in einem 2D-Intensitäts- und einem Falschfarbenbild sowie in einer 3D-Punktewolke möglich. Aufgenommene Punktewolken werden im Format 3DD gespeichert. Durch die Kodierung der Messwerte in der Distanzmatrix wird der Speicherbedarf optimiert. Wegen der Bestimmung von x,y,z- Koordinaten und Intensitätswerten für jeden Punkt spricht man auch von einem abbildenden 4D-Laserscanner.

Digitalkamera

Über die aufmontierte Digitalkamera können digitale Bilder in einem Bildverband aufgezeichnet werden. Voraussetzung dafür ist, dass die Kalibrierdatei für die verwendete Kamera und die Transformationsmatrix für die Orientierung zwischen Scanner und Kamera bekannt sind. Unter der Angabe einer Überdeckung q, dem überdeckten Scanbereich und dem horizontalen Bildwinkel w der Kamera im Hochformat erhält man die Anzahl der Bilder A des Bildverbandes, die aufgenommen werden, nach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit A- Anzahl der Bilder, w- Bildwinkel in °, q- Überdeckung in %

Digitale Bilder haben das Format JPEG. Es wird eine Orientierungsmatrix MCOP für jedes Bild gespeichert.

Messablauf

Der Messablauf für jeden Standpunkt lässt sich in folgende Schritte unterteilen:

- Aufstellen und Anschließen des Sensors
- Laden der Kamerakalibrierung und Kameraorientierung, ggf. Neubestimmung der
Orientierung
- Erstellen einer neuen Scan-Position
- Aufnahme eines Überblick-Scans (Overview: Abtastwinkel: 0,2 °)
- Definieren eines Scan-Ausschnittes, Wahl einer kleineren Abtastweite, Fokussieren des Laserspot (bis 10m)
- Aufnahme eines Detail-Scan
- Einstellung eines Überdeckungsbereiches und Aufnahme der digitalen Bilder für jede Scan-Position

2.6.4 Referenzierung

Die Zusammenführung mehrerer Scannerstandpunkte in ein gemeinsames oder übergeordnetes Koordinatensystem wird als Georeferenzierung bezeichnet. Über identische Punkte in jedem Scan werden alle Punkte eines Ausgangssystems x = (x y z)T durch eine räumliche Ähnlichkeitstransformation nach (2.7) in ein Zielsystem X = (X Y Z)T überführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Maßstab m der Laserdistanzmessung wird in den meisten Softwarelösungen, so auch in RiSCAN PRO, vernachlässigt. Für die Bestimmung der unbekannten T ranslationen (X0, Y0,Z0) und Rotationen (ϕ, ϖ, κ) benötigt man mindestens 3 identische 3D - Punkte. Die meisten Softwarepakete empfehlen aber zur Steigerung der Genauigkeit eine höhere Anzahl identischer Punkte, was eine Ausgleichung der unbekannten Parameter notwendig macht. Die in beiden Systemen gegebenen Passpunkte liefern nach (2.7) pro Punkt drei Gleichungen [Luhmann 00]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Koeffizienten rij der Rotationsmatrix R beschreiben die Rotationen (ϕ, ϖ, κ) und können entsprechender Literatur entnommen werden. [Luhmann 00] Der Ansatz einer vermittelnden Ausgleichung korrelierter Beobachtungen liefert nach der Methode der kleinsten Quadrate (2.9)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ausgeglichene Werte für die Unbekannten (ϕ, ϖ , κ, X0, Y0, Z0). Über diese Parameter erfolgt eine T ransformation aller Punkte aus dem Ausgangssystem in das Zielsystem. Die Standardabweichung s der Referenzierung ergibt sich aus den Koordinatendifferenzen der identischen Punkte im Start- und Zielsystem über:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die berechnete Standardabweichung wird als Genauigkeitsmaß für die Referenzierung der einzelnen Aufnahmen in RiSCAN PRO ausgegeben.

Über diese Methode werden in RiSCAN PRO jeweils nur einzelne Scans in das Projektkoordinatensystem transformiert. Eine verkettete Ausgleichung unter Einbeziehung schon referenzierter Scans ist nicht möglich. Die Software ORIENT (T U Wien) bietet dieseMöglichkeit. Hier können auch digitale Bilder in eine hybride Ausgleichung einbezogen werden.

Die gemessenen Reflexionswerte lassen eine automatische Erkennung von Reflektoren über Methoden der digitalen Bildverarbeitung aus den Intensitätsbildern zu. Die extrahierten Punkte werden in eine T iepoint-Liste (T PL) übertragen. Mehrere Scans lassen sich über diese Korrespondenzpunkte entweder automatisch oder durch manuelle Zuordnung der Punktnamen in ein gemeinsames Koordinatensystem (PRCS) transformieren. Die Transformationsparameter werden in der Orientierungsmatrix MSOP gespeichert. Die Referenzierung der Scans ist damit größtenteils automatisiert und lässt eine T ransformation aller gemessenen Scans in ein übergeordnetes Koordinatensystem in relativ kurzer Zeit zu.

Die Berechnungen in RiSCAN PRO basieren auf der Verwendung homogener Koordinaten. Dabei wird eine zusätzliche Dimension eingeführt wird, um Rotationen und Translationen zusammen in einer Matrix darzustellen. Dadurch enthält der T ransformationsansatz die unbekannten T ransformationsparameter und Koordinaten in der Form:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.6.5 Datenfilterung und S egmentierung

Durch die Orientierung mehrerer Scans in ein gemeinsames Koordinatensystem entstehen eine Vielzahl von redundanten Daten in Überlappungsbereichen. Die Anzahl der Punkte in einem Projekt wird dadurch nicht mehr überschaubar und es kann nicht bestimmt werden, welche Punkte zur Objektdiskretisierung notwendig sind. Eine Möglichkeit zur Strukturierung und Reduktion der Daten ist der OCT REE, eine Datenstruktur zur Minimierung des Speicherplatzes für 3-D-Daten, der auch in RiSCAN PRO verwendet wird. Der Prozess basiert darauf, alle Punkte in eine Würfel-Struktur einzusortieren. Die Ausdehnung des OCT REE ist dabei definiert durch die Ausdehnung des Objektes. Über eine wählbare Größe werden Würfel erzeugt, die den OCT REE in je 8 Subwürfel unterteilen. Punkte, die in einen dieser Würfel fallen, werden auf nur noch einen Punkt in diesem Würfel reduziert. Eine nach Methode erzeugte Vereinigung mehrerer Scans enthält eine strukturierte, reduzierte Punktmenge. Die Zusammenführung mehrerer Scans nach dieser Methode ist beschränkt durch die Rechnerleistung. Die Obergrenze liegt derzeit bei 15 Aufnahmen.

Objekte im Messraum (Fahrzeuge, Personen) oder außerhalb des Objektes, die für die Weiterverarbeitung keine Rolle spielen, müssen manuell aussegmentiert werden. Die reduzierten Daten werden als Punktewolkenobjekt in einem speziellen RiSCAN PRO -Format (3PF) gespeichert, das nicht weiter verarbeitet werden kann. Eine Ausgabe als ASCII-Datei im Format (x, y, z, Intensität) ist möglich.

Die Software RiSCAN PRO verwaltet nur Punktewolken. Zur Weiterverarbeitung, Objektmodellierung und Dreiecksvermaschung müssen andere Programme verwendet werden. Als Beispiel sei hier auf die Software QT Sculptor verwiesen, deren Modellierungsprinzip ab Kapitel 3.4.3 beschrieben ist.

2.6.6 Verarbeitung digitaler Bilder

Die Aufnahme von digitalen Bildern mit Hilfe einer aufmontierten Kamera ermöglicht die Färbung von Punktewolken mit den zugehörigen RGB-Werten und somit eine anschauliche Visualisierung des Objektes durch das Muster und die Farbe einer Oberfläche.

Innere und äußere Orientie rung der Bilder

Zur Kombination von digitalen Bildern und den Punktewolken des Scanners muss für die aufgenommenen Bilder die innere und äußere Orientierung wiederhergestellt werden. Die Transformation von Objektkoordinaten (X, Y, Z) in Bildkoordinaten (x, y) wird beschrieben durch die Kollinearitätsgleichungen nach dem Prinzip der Zentralprojektion. In einer alternativen Darstellung erfolgt dabei eine Trennung in eine räumliche Drehungund Verschiebung, bei der das Objektkoordinatensystem in das Projektionszentrum verschoben wird, und in eine Abbildung in die Bildebene. Die räumliche Drehverschiebung beschreibt die äußere Orientierung der Kamera über die bekannten T ransformationsmatrizen. Ausgangspunkt ist Gleichung (2.13). [Luhmann 00]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit R - Rotationsmatrix, (X0, Y0, Z0) - Koordinaten des Projektionszentrums

Bezogen auf RiSCAN PRO ergeben sich die Rotationen der Drehmatrix R und die Koordinaten des Projektionszentrums durch die Zusammenfassung der verschiedenen Transformationsmatrizen aus Kapitel 2.6.2. Die Überführung eines Punktes P aus dem Projektkoordinatensystem in das Kamerakoordinatensystem und umgekehrt ergibt sich nach Gleichung (2.14).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Koordinaten aus dem kamerazentrierten Koordinatensystem (CMCS) werden in die Bildebene projiziert, so dass Objektpunkt und Bildpunkt auf einer Geraden durch das Projektionszentrum liegen. Die Abbildungsgleichung lautet [Luhmann 00]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit c- Kamerakonstante, dx’, dy’- Verzeichnungsparameter

x’0, y’0 - Koordinaten des Bildhauptpunktes

Berücksichtigt man die für die Digitalkamera NIKON D 100 verwendeten Parameter der inneren Orientierung mit den Bezeichnungen (cx, cy) für die Koordinaten des Bildhauptpunktes und der Bestimmung der Kamerakonstante getrennt nach Zeilen- und Spaltenrichtung (fx, fy), ergibt sich ohne die Verzeichnungsparameter:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit xi, yi - Koordinaten, bezogen auf den Bildhauptpunkt, ri - Abstand vom Bildhauptpunkt

Die Abweichungen dx und dy von der idealen zentralperspektivischen Abbildung werden nach einem vereinfachten Polynom von BEYER [Beyer 92] und über die radialsymmetrische (k1- k3) und tangentiale (p1, p2) Verzeichnungsparameter berücksichtigt. Für die verzerrungsfreien Bildkoordinaten (x’,y’), die in diesem Fall Pixelkoordinaten (ui, vi) darstellen, ergibt sich: [Luhmann 00], [Ullrich 03]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die RGB-Werte jedes Pixels lassen sich über diese T ransformationen vollautomatisch auf die Punktewolke abbilden. Grundsätzlich können auch Einzelbilder verwendet werden, deren äußere Orientierung dann über identische Punkte wiederhergestellt wird.

Kamerakalibrierung

Die Werte für die innere Orientierung der Kamera liegen in einer Kalibrierdatei vor, die in das Projekt geladen werden kann. Sie enthält die Koordinaten des Bildhauptpunktes (cx, cy), die Kamerakonstanten (fx, fy) getrennt nach Zeilen- und Spaltenrichtung, sowie die radial- symmetrischen (k1 - k4) und tangentialen (p1, p2) Parameter für die Linsenverzeichnung. Die Bestimmung der inneren Orientierung der Kamera kann über verschiedene T estfelder (räumliches Punktfeld, ebenes Testfeld) realisiert werden, die in RiSCAN PRO unterstützt werden. Sie kann über einen gewissen Zeitraum als konstant betrachtet werden und wird im Allgemeinen bei einer werkseitigen Sensorkalibrierung durchgeführt. Die Bestimmung der Orientierung zwischen Sensor und Kamera (MMounting) ist nach jedem Aufmontieren durchzuführen. Dazu werden im einfachsten Fall korrespondierende Punkte (Reflektormarken) aus einem digitalen Bild und dem dazugehörigen Scan ausgewählt und die Orientierungsparameter durch räumliche Ähnlichkeitstransformation bestimmt.

3. Streifenprojektionsmethode

3.1 Oberflächenbestimmung in der Messtechnik

In den letzten Jahrzehnten haben sich neben den bekannten photogrammetrischen Messmethoden eine Vielzahl von Technologien entwickelt, die die Oberflächenbestimmung von Freiformflächen über die Projektion von verschiedenen Lichtmustern lösen. Bewährt haben sich dabei vor allem Anwendungen in der Industrie (Maschinenbau, Fertigungstechnik) und Forschung in den Bereichen Qualitätskontrolle und Formprüfung. Aber auch für medizinische Belange und in der Archäologie und Baudenkmalpflege sind diese Verfahren geeignet und setzen sich immer mehr durch.

Über die Projektion von Lichtmustern können beliebig geformte Objekte im Nahbereich aufgenommen, modelliert, visualisiert und in einen Rapid-Prototyping-Prozess übergeben werden. Die Genauigkeit dieser Messtechnologie liegt, abhängig von Objektentfernung, lateraler und vertikaler Auflösung im Submillimeterbereich und bietet daher die Möglichkeit kleinste dreidimensionale Strukturen aufzunehmen und darzustellen. Für die Erfassung großer Objektflächen ist die Lichtprojektionstechnik allerdings meist überfordert, da die Aufnahmepositionen relativ zum Objekt nicht bekannt sind. Hier bieten sich Kombinationsmöglichkeiten mit anderen photogrammetrischen Messverfahren, zum Beispiel dem Laserscanning an, die die absolute Geometrie des Objektes festlegen.

Auch die Anschaffung eines solchen Messsystems bedeutet eine hohe finanzielle Anfangsinvestition und ist daher genau gegenüber den angedachten Anwendungsbereichen abzuwägen.

3.2 Messprinzip

3.2.1 Triangulationsverfahren

Grundaufbau

Die Vermessung mit strukturiertem Licht erfolgt automatisch und berührungslos nach dem Triangulationsprinzip (Abbildung 3-1). Das Triangulationsverfahren orientiert sich am Sehen mit zwei oder mehreren Augen, wobei die Augen durch Kameras oder durch eine Kombination von Projektor und Kamera ersetzt werden. Im zweiten Fall bilden ein Projektor, eine digitale Videokamera und der Objektpunkt ein Dreieck, bei dem die Projektionsrichtungen von Kamera und Projektor unter einem festen Winkel, dem Triangulationswinkel, am Objekt auftreffen. Der spezielle (topometrische) Aufbau aus einer kalibrierten Videokamera zur Aufzeichnung schneller Bildfolgen und einem kalibrierbaren Projektor, der eine zweite Kamera ersetzt und eine schnelle Lichtmusterfolge erlaubt, ist in der industriellen Vermessung gebräuchlich. Allerdings treten bei Objekten mit größeren Oberflächenvariationen leicht Verdeckungen und Abschattungen auf, so dass eine höhere Anzahl von Messungen notwendig wird. Einige Messsysteme arbeiten mit mehreren Kameras (stereometrischer Aufbau), sollen aber hier nicht weiter betrachtet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3-1: Triangulationsprinzip (aus [Wolf 02, S. 1])

Ziel solcher Messmethoden ist, eine dreidimensionale Darstellung eines texturlosen oder texturarmen Objektes und seiner Oberfläche durch flächenhafte Beleuchtung mit einem Projektor und Aufzeichnung des beleuchteten Objektes durch einen CCD-Flächensensor zu erhalten.

Beim T riangulationsprinzip unterscheidet man in:

- Punkttriangulationsverfahren: Ein Laser-Punkt wird mit einer CCD-Kamera aufgezeichnet und durch das bekannte Dreieck die Position bestimmt. (Kapitel 2.3.1)
- Linientriangulationsverfahren: Beim Lichtschnittverfahren wird ein ebenes Lichtbündel auf das zu vermessende Objekt projiziert. [Maas 97]
- Flächentriangulationsverfahren

Die hier beschriebenen Verfahren sind Flächentriangulationsverfahren.

Berechnungsmethodik

Die Bestimmung der dreidimensionalen Objektkoordinaten nach dem T riangulationsprinzip basiert auf trigonometrischen Berechnungen. Abbildung 3-2 verdeutlicht diesen Grundgedanken anhand einer Punktprojektion.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3-2: Geometrische Beziehungen bei der Lichtproj ektion (aus [Schütze 02, S. 5])

O ist das Projektionszentrum der Kamera sowie der Nullpunkt eines Kamerakoordinatensystems, in dem alle Positionsangaben im 3D-Raum erfolgen. Das Koordinatensystem kann dabei so gewählt werden, dass das Zentrum des Projektors auf der x-Achse des Kamerakoordinatensystems liegt. Die Position lässt sich beschreiben durch die Angabe (b, 0, 0). Weiterhin wird die Brennweite der Kamera mit f bezeichnet. Der Winkel α beschreibt in diesem Fall den Winkel zwischen x- Achse des Kamerakoordinatensystems und der orthogonalen Projektion des Lichtstrahls in die x-z-Ebene. Punkt P (X0, Y0, Z0) ist

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