Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik
Hochschule Mainz - University of Applied Sciences

SigmaTLS+

Bildverarbeitungsgestütztes Kalibrier-, Prüf- und Feldprüfverfahren zur Qualitätssteigerung für ein terrestrisches Laserscannersystem.
Motivation und Ziele: 

In vielen Bereichen müssen Objekte immer umfassender erfasst und zunehmend genaueren geometrischen Kontrollen unterzogen werden. Zum einen liegt es daran, dass die Qualitätskontrolle eine immer größere Rolle spielt und andererseits daran, dass der Bedarf an digitalen Beschreibungen der Realität wächst, um Prozesse digital per Computer bearbeiten zu können. Ein seit der Jahrtausendwende sehr erfolgreiches Messkonzept stellen Terrestrische Laserscanner (TLS) dar, die viele Anforderungen hinsichtlich Vielseitigkeit, Schnelligkeit, Robustheit, Handhabung und Genauigkeit erfüllen können. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades der Messdatenerfassung mit einem TLS erscheinen diese Messsysteme immer mehr als „Black-Box“, deren Funktions- und Verfahrensweisen nicht offen gelegt und/oder nicht nachvollziehbar sind. Technische Spezifikationen der TLS-Hersteller sind so bezüglich ihrer Aussagekraft oder Richtigkeit kaum verständlich und nachprüfbar und lassen sich schwer in Bezug zu den ermittelten Messungen oder bekannten Qualitätsmodellen bringen (Abb. 1 und Tab. 1). Ein Ziel des Forschungsvorhabens war es, hier zu einer verständlichen Systematik und Vereinheitlichung zu kommen.

Hauptziel des Vorhabens ist es, standardisierte Kalibriermethoden und Prüfverfahren zu finden, die eine Steigerung der Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit heutiger Terrestrischer Laserscanner bewirken können. Erreicht werden sollen die Projektziele durch eine Verfeinerung der physikalischen und mathematischen Modellbildung, Adaptierung von Methoden aus der digitalen Bildverarbeitung, Entwicklung neuer Rechenansätze und neuartiger Prüfkörper sowie der Kopplung mit einem oder mehreren zusätzlichen Bildsensoren. Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung integraler Prüfverfahren und - methoden für TLS. Aus dem Entwurf dieser Verfahren könnten wesentliche Erkenntnisse zum Aufbau eines Kalibrierlabors abgeleitet werden oder Wege aufgezeigt werden für eine noch fehlende Möglichkeit zur Zertifizierung von TLS.

Aktivitäten: 

siehe Ergebnisse

Ergebnisse: 

Als wesentliche Ergebnisse des Vorhabens sind zusammenfassend zu benennen:

- Entwicklung eines auf Kenngrößen basierendes Prüfverfahrens für Terrestrische Laserscanner.
- Entwicklung eines Feldprüfverfahrens für Terrestrische Laserscanner, das auch Maßstabsveränderungen aufdecken kann.
- Herstellerunabhängige Softwaremodule zur teilautomatiserten Ableitung der Kenngrößen im Rahmen der TLS-Prüfung.
- Herstellerunabhängige Softwaremodule zur teilautomatiserten Ableitung von Kalibrierparameter (Ziel- , Kippachsfehler, Höhenindexfehler, Additionskonstante, Maßstab, Zyklischer Phasenfehler) im Rahmen einer TLS-Selbstkalibrierung.


Grundlage der wesentlichen Ergebnisse sind folgende Teilergebnisse:

- Entwicklung eines neuen Zielmarkendesigns.
- Optimierung des Prüfkörpers BÖHLER-Stern.
- Konkretisierungen hinsichtlich Größe und Material des Prüfkörpers Kugel.
- Erkenntnis über Temperaturstabilität von Kalibrierparametern durch Untersuchungen in einer Klimakammer.

Als Nebenergebnisse des Vorhabens sind festzuhalten:

- Entwurf und Implementierung eines Offenen Binäres Austauschformats für TLS-Daten (OpenScan-Format OSF)
- Implementierung einer OpenSource-Bibliothek zur Konvertierung von TLS-Daten Cyclone-Pointcloud-Format (PTG)
- Ein Programm zur Konvertierung von TLS-Daten unterschiedlicher Formate.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das Qualitätsspektrum von TLS-Geräten unterschiedlicher Hersteller sehr groß ist. Die Messqualität hängt stark von der Genauigkeit und Präzision der reflektorlosen Entfernungsmessung per Laser ab und diese wiederum ist überwiegend durch das Material der Messoberflächen sowie deren Ausrichtung abhängig. Die Abhängigkeit der Messqualität von den Materialparametern ist kaum durch standardisierte Experimente untersuchbar, da eine sehr große Vielfalt an Ausprägungen für „Material“ zu berücksichtigen ist. Zudem liegen die festzustellenden Einflüsse im Bereich der allgemeinen Messgenauigkeit und sind daher schwer von anderen Einflüssen zu trennen. Es gelang nicht, die Matreialabhängkeiten so darzustellen, dass sie einer kritischen wissenschaftlichen Analyse standhalten können. Die Messqualität der Streckenmessung ist bei keinem der untersuchten TLS-Geräte besser als 2mm, so dass Kalibrierungen im Nahbereich unter 30m kaum für eine Leistungssteigerung mit Praxisrelevanz sorgen.

Eckdaten

Zeitraum:     01.06.2008 - 31.05.2011
Beteiligte Personen:
  • – Bettina Siegrist M.Sc.
Kooperation:
  • – Metronom Automation GmbH
  • – Leica Geosystems HDS
  • – FARO Technologies Inc.
Titelbild:

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Publikationen

Prüfen und Kalibrieren von terrestrischen Laserscannern.

2008

F. Kern

PDF / RTF

Optische 3D-Messtechnik, Photogrammetrie, Laserscanning - Beiträge der Oldenburger 3D-Tage

Im Beitrag werden Vorschläge zur Prüfung und Kalibrierung von Terrestrischen Laserscannern (TLS) unterbreiten. Das TLS-Prüfverfahren stützt sich auf die Kennwerte der VDI/VDE-Richtlinie 2634 Blatt 2 und erweitert diese um die Kugelradiusabweichung. Das Prüfverfahren wird an einem HDS 6000 und HDS 3000 exemplarisch angewendet und mit den Ergebnissen bisheriger Untersuchungen verglichen. Für die Methode der TLSSelbstkalibrierung wird ein neuartiges Zielmarkendesign vorgestellt. Erste Erfahrungen mit dem hochgenauen i3mainz-Kalibrierfeld und dem realisierten, automatisierten Auswertprozess werden erörtert.