Zum Einfluss der räumlichen Auflösung und verschiedener Qualitätsstufen auf die Modellierungsgenauigkeit einer Ebene beim terrestrischen Laserscanning

Abstract

Terrestrische Laserscanner sind in der Lage, unsere Umgebung in Form von Punktwolken dreidimensional zu erfassen. Hierbei kann geräteintern in der Regel zwischen verschiedenen räumlichen Auflösungsstufen und auch Qualitätsstufen, bezogen auf die Genauigkeit eines einzelnen Punktes, gewählt werden. In der Praxis steht jedoch meist nur eine begrenzte Zeit für die Messung zur Verfügung. Daher stellt sich die Frage, ob es zur Erreichung einer vorgegebenen Genauigkeit von aus Punktwolken abgeleiteten Modellen grundsätzlich besser ist, mehr Punkte mit geringerer Genauigkeit (höhere Auflösungsstufe) oder weniger Punkte mit höherer Genauigkeit (höhere Qualitätsstufe) zu erfassen. Beides führt in der Theorie zu einer Verbesserung der Modellgenauigkeit, aber gleichzeitig auch zu einer Verlängerung der Messdauer. Zur Analyse dieser Fragestellung wird eine planare Zieltafel mit einem Leica HDS 6100 und einer Leica Scan-Station P20 in verschiedenen Distanzen mit variierenden Auflösungs- und Qualitätsstufen abgescannt. Aus den Scans werden mithilfe einer Ausgleichung Ebenenmodelle bestimmt, deren Genauigkeit über eine Varianzkomponentenschätzung abgeleitet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass es im vorliegenden Fall prinzipiell besser ist, eine höhere Auflösungsstufe zu wählen, da in kürzerer Messdauer gleiche Modellgenauigkeiten erreichbar sind. Insbesondere bei längeren Distanzen ist eine höhere Auflösung wichtig, um eine ausreichend gute Punktverteilung und Redundanz für die Modellschätzung zu gewährleisten. Zudem erfolgt die Objekterfassung detaillierter. Bei kürzeren Distanzen wird durch die Erhöhung der Auflösung jedoch ab einem gewissen Punkt kein Genauigkeitsgewinn mehr erzielt, sodass sich Messdauer und Datenrate unnötig erhöhen.

Terrestrial laser scanners are widely used for the acquisition of our environment in the form of 3D point clouds. In the course of this, operators can typically choose between different settings for the spatial resolution of the point cloud as well as different quality levels with respect to the accuracy of single points. In practice, however, usually a limited amount of time is available for the measurement. Therefore, the question arises whether a sufficient accuracy of scan-based models can rather be achieved by acquiring more points with lower accuracy (higher resolution) than by acquiring less points with higher accuracy (higher quality level). In theory, both strategies lead to an improvement of the model accuracy, but at the same time to an extension of the measurement time. For analyzing this issue, a planar target is scanned with different resolution and quality settings at varying distances using a Leica HDS 6100 and a Leica ScanStation P20. Based on the scans, a least squares approach is used to determine plane models for the target. The accuracy of these models is derived by variance component estimation. The results indicate that, in the present case, it is favorable to choose a higher resolution since similar model accuracies can be achieved in a shorter measurement time. Especially at larger distances, a higher resolution is crucial for providing a sufficient point density for the model estimation. In addition, objects can be captured with more details. At shorter distances, however, the improvement of the model accuracy by choosing a higher resolution is limited, needlessly increasing measurement time and data rate.