Beiträge zur Kalibrierung und Evaluierung von Multisensorsystemen für kinematisches Laserscanning

Abstract

In den letzten Jahren hat die Nutzung von Multisensorsystemen für kinematisches Laserscanning zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies zeigt sich durch die wachsende Anzahl am Markt verfügbarer Systeme und die sich stetig erweiternden Anwendungsfelder in den Bereichen Kartierung, Bestandserfassung und Monitoring. Aufgrund der gestiegenen Operationalität derartiger Systeme, rückt die Frage nach der Qualität der Daten – vor allem in Hinblick auf die Genauigkeit der erfassten Punktwolken – verstärkt in den Fokus. <br /> Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf bodengebundene Multisensorsysteme im Outdoor-Bereich, die zur Objektraumerfassung einen Profillaserscanner und zur Trajektorienbestimmung eine GNSS/IMU-Einheit nutzen. Solchen Systemen liegt eine komplexe Verarbeitungskette zugrunde, in der viele Abweichungsquellen existieren, die Einfluss auf die Genauigkeit der Punktwolke haben. Abweichungen entstehen bei der Objektraumerfassung, der Systemkalibrierung, der Zeitsynchronisierung und der Trajektorienschätzung. Dies macht eine durchgreifende Qualitätsanalyse sehr herausfordernd. Der Weg einer Vorwärtsmodellierung zur Bestimmung der Genauigkeit der Punktwolke verschließt sich meist, da das funktionale und stochastische Modell der Verarbeitungskette häufig nicht vollständig bekannt ist. In der Praxis wird die Genauigkeit daher in der Regel empirisch auf Grundlage der gemessenen Punktwolke bestimmt, z. B. durch Wiederholungsmessungen oder Vergleiche mit Referenzwerten. Eine Rückwärtsmodellierung ist aufgrund des lückenhaften Modellwissens jedoch auch hier schwierig. Folglich lässt sich die Qualitätsanalyse kinematischer Laserscanningsysteme als nicht vollständig gelöste Problemstellung identifizieren. Aufgrund der Komplexität der Verarbeitungskette ist die umfassende Lösung dieser Problemstellung als langfristiger Prozess einzustufen. Diese Dissertation zielt darauf ab, durch gezielte Beiträge diesen Prozess konstruktiv mitzugestalten: <br /> - Es wird eine Methodik entwickelt, um intensitätsbasierte stochastische Modelle für die Distanzmessung von Profillaserscannern abzuleiten. In diesem Kontext wird auch die Präzision der Distanzmessung im Nahbereich < 20 m genauer analysiert, da man bei kinematischen Laserscanningsystemen häufig mit kurzen Zielweiten konfrontiert ist. Aufgrund von Defokussierungs- und Abschattungseffekten in der Laseroptik ist im Nahbereich mit erhöhtem Messrauschen zu rechnen. Diese Analysen tragen zur verbesserten stochastischen Modellierung und Bewertung kinematischer Laserscanningsysteme bei. Dies wird am Beispiel einer Straßenzustandserfassung demonstriert. <br /> - Die Methodik der Konfigurationsanalyse, wie sie aus der geodätischen Netzausgleichung bekannt ist, wird auf die ebenenbasierte Kalibrierung des Hebelarms und der Boresight-Winkel zwischen einem Profillaserscanner und einer GNSS/IMU-Einheit übertragen. Auf diese Weise wird eine Ebenenanordnung abgeleitet, die eine genaue, zuverlässige und sensitive Schätzung der Kalibrierparameter mit möglichst geringen Korrelationen ermöglicht. Auf Basis der Konfigurationsanalyse wird ein dauerhaft installiertes Kalibrierfeld im Outdoor-Bereich realisiert, das eine schnelle und weitestgehend automatisierte Kalibrierprozedur implementiert. Dadurch lässt sich die Qualität der Kalibrierung theoretisch und empirisch durchgreifend beurteilen und sichern. <br /> - Es werden punkt-, flächen- und parameterbasierte Evaluierungsstrategien für kinematische Laserscanningsysteme erprobt sowie deren Vor- und Nachteile beleuchtet. Die Evaluierung kinematischer Laserscanningsysteme ist bisher nicht standardisiert und Einrichtungen zur Evaluierung sind nur in begrenztem Maße vorhanden. Daher wird eine dauerhaft installierte Evaluierungseinrichtung im Outdoor- Bereich aufgebaut, die aus Kontrollpunkten und TLS-Referenzpunktwolken besteht. In dieser Einrichtung ist eine getrennte Evaluierung von Lage- und Höhengenauigkeit möglich. Ferner können einzelne Systemkomponenten (z. B. die Systemkalibrierung) genauer analysiert werden. <br /> Die Beiträge und Untersuchungen der vorliegenden Dissertation tragen zu einer verbesserten Qualitätsanalyse und -sicherung kinematischer Laserscanningsysteme bei. Vor diesem Hintergrund leistet die Dissertation einen wichtigen Beitrag, um den oben angesprochenen, langfristigen Prozess progressiv voranzutreiben.

<strong>Contributions to the Calibration and Evaluation of Multi Sensor Systems for Kinematic Laser Scanning</strong> <br /> In recent years, the utilization of multi sensor systems for kinematic laser scanning has become increasingly popular. Clearly, this trend is confirmed by the growing number of commercially available systems and the constantly expanding fields of application in the context of mapping, inventory, and monitoring. Due to the improved operationality of the related systems, the issue of data quality – especially in terms of the accuracy of the measured point clouds – is frequently raised and has become a relevant topic. This dissertation focuses on ground-based outdoor systems that make use of a 2D laser scanner for sensing objects and a GNSS/IMU-unit for estimating the trajectory of the platform. Such systems are based on a complex processing chain. In this processing chain many error sources exist that affect the accuracy of the point cloud, i. e., the process of sensing an object with the 2D laser scanner, the system calibration, the time synchronization and the trajectory estimation. Consequently, quality analysis is very challenging. In most cases, the strategy of forward modeling for determining the accuracy of the point cloud cannot be used, since the functional and stochastic model of the processing chain is often not completely known. Thus, in practice, the accuracy is usually determined empirically on the basis of the measured point cloud, e. g., by repeated measurements or comparisons with reference values. However, backward modeling is difficult as well due to the inadequately known functional and stochastic model. This leads to the conclusion that the problem of quality analysis of kinematic laser scanning systems is not completely solved, yet. Due to the complexity of this problem, the solution to this problem seems to be a long-term process. Thus, the goal of this dissertation is to contribute to this process by the following contributions: <br /> - A methodology for determining intensity-based stochastic models for the distance measurements of 2D laser scanners is derived. In this respect, also the precision of distance measurements in the close range < 20 m is analyzed in more detail, because kinematic laser scanning systems are frequently faced with short measuring distances. Due to defocusing and shadowing effects in the laser optics increased measurement noise is expected in the close range. These investigations contribute to an improved stochastic modeling and evaluation of kinematic laser scanning systems. This is demonstrated using the example of a road condition survey. <br /> - The methodology of configuration analysis, as known from geodetic network adjustment, is applied to the plane-based calibration of the lever arm and the boresight angles between a 2D laser scanner and a GNSS/IMU-unit. In this way, a plane setup is derived that allows for an accurate, reliable and sensitive estimation of the calibration parameters with small correlations. Based on the configuration analysis, a permanently installed calibration field is realized outdoors, implementing a fast and mostly automated calibration procedure. In this way, the quality of the calibration can be evaluated and assured both theoretically and empirically. <br /> - Point-based, area-based and parameter-based evaluation methods for kinematic laser scanning systems are tested and their advantages and disadvantages are discussed. Yet, the evaluation of kinematic laser scanning systems has not been standardized and facilities for evaluation purposes are only available to a limited extent. Therefore, a permanently installed evaluation environment is realized outdoors, consisting of a network of control points and TLS reference point clouds. In this environment, a separate evaluation of position and height accuracy is possible. Furthermore, individual system components (e. g., the system calibration) can be examined in more detail. <br /> The contributions and investigations of this dissertation contribute to an improved quality analysis and quality assurance of kinematic laser scanning systems. In the light of this, this dissertation makes an important contribution to progressively advance the long-term process mentioned above.