Reduktion der Unsicherheiten bei der Registrierung von TLS-Punktwolken

Abstract

Die Erfassung und Reproduktion der realen Umgebung bleibt auch in unserer zunehmend digitalisierten Welt eine zentrale Herausforderung. Zur flächenhaften Aufnahme unserer Umwelt wird seit einigen Jahren vermehrt das terrestrische Laserscanning (TLS) verwendet. Es ist inzwischen eines der Standardverfahren der Bestandsvermessung, Dokumentation kultureller Bauwerke und weiterer Anwendungsfelder. Durch die stetige technische und methodische Weiterentwicklung des TLS lässt sich dieses zudem in neuen Bereichen einsetzen, wie z. B. der Deformationsanalyse. Mit diesen Weiterentwicklungen und den neuen Einsatzgebieten erhöhen sich auch die Anforderungen an die Qualität der TLS-Punktwolken. <br /> Zur vollständigen und abschattungsarmen Aufnahme eines Messobjektes werden meist mehrere TLS-Standpunkte benötigt. Die Scans der einzelnen Standpunkte müssen anschließend miteinander zu einer Gesamtpunktwolke registriert werden. Die Unsicherheit der Registrierung mittels identischer Punkte (z. B. Zielzeichen) hängt von zwei Einflussgrößen ab: der Beobachtungsunsicherheit und der geometrischen Netzkonfiguration der Registrierung. Auf Basis von Simulationen, empirischen Laboruntersuchungen sowie realen Registrierdatensätzen untersucht die vorliegende Dissertation Möglichkeiten zur Reduktion der Registrierunsicherheit. Es wird insbesondere untersucht, inwieweit die Quantifizierung und Verringerung der Beobachtungsunsicherheit sowie die Einführung neuer Beobachtungen in die Registrierung zur Reduktion beitragen. <br /> Die Erkenntnisse werden in vier Hauptaspekten herausgestellt: <br /> 1. Reduktion der Beobachtungsunsicherheit: Auf Basis von Wiederholungsscans wird der Einfluss verschiedener Algorithmen zur Schätzung der Zielzeichenkoordinaten sowie unterschiedlicher Zielzeichendesigns empirisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung des Kreuzkorrelationsalgorithmus sowie des Bota8-Zielzeichens die Beobachtungsunsicherheit reduzieren und die zielzeichenbasierte Registrierung verbessern. <br /> 2. Quantifizierung und Auswirkung der Beobachtungsunsicherheit: Die Beobachtungsunsicherheit wird mit Hilfe von empirisch stochastischen Modellen für verschiedene Distanzen und Scanner quantifiziert. Es wird festgestellt, dass die verschiedenen Modelle zu unterschiedlichen Registrierparametern führen. Auf Basis der Ergebnisse empfiehlt sich die Nutzung der empirisch stochastischen Modelle für die Beobachtungen. <br /> 3. Analyse der zeitlichen Beobachtungsstabilität: Die Arbeit zeigt erstmals, dass durch die Aufwärmphase des Scanners die Beobachtungen der Registrierung beeinflusst werden – insbesondere die Zenitwinkel. Zur Eliminierung der Instabilitäten und zur Reduktion der Beobachtungsunsicherheit wird empfohlen, den Scanner vor der Datenerfassung mittels Probescans aufzuwärmen. <br /> 4. Integration zusätzlicher Beobachtungen in die Registrierung: Die Integration zusätzlicher Beobachtungen in den Registrierungsprozess trägt erfolgreich zur Verbesserung der Registrierqualität bei. Durch die Einbeziehung der Zielzeichenorientierung sowie markanter Punkte werden die Präzision und Zuverlässigkeit der Registrierung verbessert. <br /> Im Gesamten leistet diese Dissertation Beiträge zur Reduktion der Registrierunsicherheit von TLS-Punktwolken. Die Erkenntnisse verbessern die Qualität der registrierten Gesamtpunktwolke und bieten somit allen Anwendungsfeldern des TLS neue Potentiale und Chancen. Durch die Verbesserungen können beispielsweise BIM-Modelle genauer modelliert werden oder im Bereich der Deformationsanalyse kleinere Signifikanzgrenzen erreicht werden.