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Zur Bestimmung von Messunsicherheiten terrestrischer Laserscanner

Gordon, Bianca :
Zur Bestimmung von Messunsicherheiten terrestrischer Laserscanner.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zur Bestimmung von Messunsicherheiten terrestrischer Laserscanner
Language: German
Abstract:

Das terrestrische Laserscanning wird für zahlreiche Anwendungen als schnell durchführbares, berührungsloses 3D-Messverfahren eingesetzt. Insbesondere für anspruchsvolle Messaufgaben spielt die hierbei erreichbare Genauigkeit der 3D-Vermessung eine bedeutende Rolle. Die vorliegende Dissertation befasst sich auf vielschichtige Weise mit Genauigkeitsuntersuchungen terrestrischer Laserscanner. Zunächst erfolgt eine detaillierte Analyse der potenziellen Einflussfaktoren auf die Laserscannermessgenauigkeit. Hierbei wird zwischen systematischen Einflüssen und äußeren Umgebungseinflüssen unterschieden. Die systematischen Einflüsse beziehen sich auf Unzulänglichkeiten des Laserscanner-Messsystems. Äußere Umgebungsbedingungen beeinflussen die Laserabtastung beispielsweise durch die Dämpfung des Laserstrahls in der Atmosphäre oder durch die Oberflächeneigenschaften des Messobjektes. Aus der Analyse der zahlreichen Einflussfaktoren resultiert ein umfassendes Modell zur Beschreibung der Messgenauigkeit beim terrestrischen Laserscanning. Auf der Grundlage dieses Genauigkeitsmodells wird ein Algorithmus entwickelt, der sowohl die Systemkalibrierung eines Laserscanners erlaubt als auch die Möglichkeit bietet, aus den Messdaten selbst die Information bezüglich der während der Laserabtastung vorherrschenden Umgebungsbedingungen zu ermitteln. Dieses Verfahren zur Genauigkeitsabschätzung ist eingebettet in einen Ausgleichungsalgorithmus zur Bestimmung der Orientierung mehrerer Laserscanner-Punktwolken. Der Orientierungsalgorithmus wird zum Einen um funktionale Parameter bezüglich der systematischen Instrumentenabweichungen erweitert, so dass die Kalibrierparameter als Unbekannte in der Orientierungsberechnung mitgeschätzt werden. Zum Anderen erfolgt im stochastischen Modell des Orientierungsalgorithmus eine Zerlegung der Varianz in einzelne, auf die äußeren Einflussfaktoren bezogene Komponenten, so dass durch das Verfahren der Varianzkomponentenschätzung simultan Messgenauigkeiten bezüglich der äußeren Messbedingungen bestimmt werden können. Auf diese Weise gelingt eine umfassende Abschätzung der Laserscannermessgenauigkeit, die sowohl die systematischen Abweichungen des Messsystems als auch die äußeren, realen Messbedingungen erfasst. Das Potenzial des vorgestellten Verfahrens zur Abschätzung der Laserscannermessgenauigkeit wird anhand synthetischer sowie realer Messdaten veranschaulicht und analysiert. Ferner dient das abgeleitete Genauigkeitsmodell zur beispielhaften Ermittlung einer 3D-Messunsicherheitgröße für terrestrische Laserscanner nach Empfehlungen der internationalen Richtlinie "Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen" (DIN V ENV 13005). Zur interdisziplinären Akzeptanzsteigerung des terrestrischen Laserscannings wird zurzeit in Fachkreisen über die Konzeption eines Standards zur Überprüfung terrestrischer Laserscanner diskutiert. Ziel ist die einheitliche und vergleichbare Beschreibung des Leistungspotenzials sowie der Genauigkeit terrestrischer Laserscanner anhand von standardisierten Kenngrößen, die innerhalb eines Überprüfungsszenarios zu bestimmen sind. Ein erster Entwurf für eine standardisierte Laserscanner-Überprüfung liegt bereits vor. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Entwurf experimentell realisiert. Somit können die vorgeschlagenen Kenngrößen Antastabweichung, mittlere Abstandsabweichung und Ebenheitsmessabweichung ermittelt und einer detaillierten und kritischen Analyse unterzogen werden, so dass aus den gewonnenen Erkenntnissen Konkretisierungsvorschläge für die Konzeption eines Überprüfungsstandards resultieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Terrestrial laser scanning is an efficient, non-contact 3-D measuring technique used in many applications. For high-quality measurement applications, the achievable measurement accuracy is of particular importance. This thesis takes a multi-layered approach to investigating the accuracy of terrestrial laser scanners. Initially, the potential error sources are analyzed in detail, separating the instrument errors from the environmental influences on the laser scanning accuracy, e.g. the atmospheric damping of the laser signal or the negative influence of the scanned object’s surface itself. From this analysis a comprehensive accuracy model of terrestrial laser scanning is derived. Based on this model, an algorithm is developed to estimate both the instrument dependent errors (correction parameters) and quality measures concerning the environmental influences. The parameter estimation is integrated in the orientation process (or registration process) of several laser scanner point clouds. The correction parameters are determined, together with the orientation parameters, within a least squares adjustment. Whereas, variance component estimation is used to estimate the quality measures simultaneously. Therefore, a comprehensive assessment of the laser scanner measurement accuracy is achieved. The potential of this approach is investigated and demonstrated by evaluating both simulated and real datasets. Furthermore, the derived accuracy model enables the determination of a 3-D uncertainty measure for terrestrial laser scanning in accordance with the recommendation of the international standard "Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement" (DIN V ENV 13005). The concept of a guideline for a standardised laser scanner calibration to increase the interdisciplinary acceptance of terrestrial laser scanning is currently under discussion. The purpose of the guideline is to describe the performance as well as the achievable accuracy in a consistent and comparable manner by means of standardised quality parameters. Performing laser scanner measurements in a predefined scenario allows these quality parameters to be determined. A first draft for a standardised laser scanner calibration method is available and is experimentally realised within this thesis. The proposed quality parameters; probing error, mean spacing error, and flatness measurement error are determined through measurement and are analyzed in detail. Finally, recommendations for the concept of a standardised calibration guideline are given.English
Uncontrolled Keywords: terrestrisches Laserscanning, Laserscanner, Kalibrierung, Genauigkeit, Messunsicherheit, Genauigkeitsuntersuchung, Überprüfung, Registrierung, Varianzkomponentenschätzung, Ausgleichung, standardisierte Überprüfung, Richtlinie, Additionskonstante, Additionskorrektur, Zielachsenabweichung, Zielachsenfehler, Kippachsenabweichung, Kippachsenfehler, Exzentrizität
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
terrestrisches Laserscanning, Laserscanner, Kalibrierung, Genauigkeit, Messunsicherheit, Genauigkeitsuntersuchung, Überprüfung, Registrierung, Varianzkomponentenschätzung, Ausgleichung, standardisierte Überprüfung, Richtlinie, Additionskonstante, Additionskorrektur, Zielachsenabweichung, Zielachsenfehler, Kippachsenabweichung, Kippachsenfehler, ExzentrizitätGerman
terrestrial laser scanner, laser scanning, accuracy, calibration, uncertainty, testing, Registration, variance component estimation, adjustment, least square estimation, standardEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 670 Industrielle Fertigung
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 000 Allgemeines, Wissenschaft
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 420 Astronomie, Kartographie
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie > Institut für Photogrammetrie und Kartographie
Date Deposited: 17 Dec 2008 09:55
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12061
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schlemmer, Prof. Dr.- Harald and Göpfert, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 22 September 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1206
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