Autor: Fabian Reidl (B. Sc.)
Titel: Konzept und Durchführung einer Scannerkalibrierung von terrestrischen
Laserscannern
Art: Master's Thesis
Jahr, Nr.: 2012, #414
Betreuer: Dipl.-Ing. Johannes Ohlmann-Lauber (TU München, LfG), Dr.-Ing. Peter Wasmeier

Aufgabenstellung

Zur Kalibrierung von terrestrischen Laserscannern werden derzeit verschiedene Verfahren genutzt undweiterentwickelt. Kalibrierparameter im Sinne von Instrumentenfehlern können dabei mit Hilfe einesgeeigneten 3D-Testfeldes ermittelt werden.Ziel dieser Arbeit ist es, Kalibrierparameter ohne bekannte Soll-Koordinaten des Testfeldes zu bestimmen.Dafür soll ein 3D-Netz im Dieter-Thoma-Labor des Lehrstuhls für Wasserbau und Wasserwirtschaftangelegt werden. Aus redundanten Netzbeobachtungen sind die Kalibrierwerte für einen terrestrischenLaserscanner in einer eigenen Softwarelösung zu ermitteln; hierbei sind insbesondere Achsenfehler undHöhenindexfehler von Interesse. Der Ansatz ist auf seine Eignung kritisch zu evaluieren und das Ergebnisder Kalibrierung geeignet zu bewerten.Der hier zu verwendende Ansatz ist als Systemkalibrierung zu verstehen. Dementsprechend sollen dieNetzpunkte mit herstellerspezifischen Targets vermarkt und die zugehörige Auswertesoftware verwendetwerden. Die Masterarbeit soll zunächst mit dem zur Verfügung stehenden Scanner HDS7000 desHerstellers Leica Geosystems mit Black/White-Targets und der Auswertesoftware Cyclone durchgeführtwerden.Für zusätzliche und vergleichende Untersuchungen können die Laserscanner ScanStation P20 von LeicaGeosystems sowie ein Focus3D von FARO herangezogen werden.

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurde ein Ansatz zur Systemkalibrierung von terrestrischen Laserscannern konzipiert undauf seine Eignung im Praxisfall untersucht. Entsprechend einer Systemkalibrierung wurden zurDatenerfassung herstellerspezifische TLS-Targets und die zugehörige Auswertesoftware verwendet.Um den Aufwand der Kalibrierung möglichst gering zu halten, werden Verfahren eingesetzt, welche keinebekannten Soll-Werte benötigen. Da die bisherigen Ansätze zur Systemkalibrierung allerdings Soll-Wertevoraussetzen, wurden die Berechnungsmodelle von Komponentenkalibrierungen verwendet. AusgewählteInstrumentenfehler können dadurch ohne Soll-Werte bestimmt werden.Eine reine Komponentenkalibrierung setzt jedoch Laborbedingungen sowie vom Hersteller unabhängigeInstrumentarien (Targets und Auswertesoftware) voraus. Um zur Datenerfassung das herstellerspezifischeGesamtsystem nutzen zu können, müssen daher die Ansätze der Komponentenkalibrierung im Sinne einerSystemkalibrierung erweitert werden. Zur Realisierung wurde ein redundantes 3D-Testfeld angelegt. AlsZielpunkte werden dabei die herstellerspezifischen Targets verwendet und von mehreren Standpunktenaus aufgenommen. Nach Auswertung der Target-Scans in der zugehörigen Software, liegen dieZielpunktkoordinaten im lokalen Instrumentensystem des jeweiligen Standpunktes vor und können für dieKalibrierung genutzt werden.Um keine Soll-Werte zu benötigen, werden die Messungen in zwei Lagen durchgeführt. Daraus könnenmit Anätzen der Komponentenkalibrierung einige der wesentlichen Instrumentenfehler bestimmt werden.Um die entsprechenden Verfahren im Sinne einer Systemkalibrierung durchführen zu können, wird mit denMesswerten des Testfeldes eine Freie Netzausgleichung berechnet, welche für die Netzbeobachtungen(Polarmesswerte) die entsprechenden Genauigkeiten liefert. Diese beinhalten alle Einflüsse desGesamtsystems und können somit genutzt werden, um einen Systembezug für dieKomponentenkalibrierung herzustellen, welche mit denselben Beobachtungen durchgeführt wird.In einer ersten Anwendung mit den Messsystemen HDS7000 sowie ScanStation P20 von LeicaGeosystems, konnten vier Instrumentenfehler erfolgreich bestimmt werden: Kippachsenfehler,  Zielachsenfehler, Exzentrizität der Zielachse sowie Höhenindexfehler. Der in dieser Arbeit entwickelteAnsatz wird allerdings durch die Forderung einer Zwei-Lagen-Messung eingeschränkt, welche nicht mitjedem Laserscanner möglich ist. Zudem können nicht alle wesentlichen Instrumentenfehler bestimmtwerden.Das Verfahren bietet jedoch eine geeignete Grundlage für weiterführende Arbeiten. Seine prinzipielleEignung konnte für die oben genannten Instrumentenfehler nachgewiesen werden.