Terrestrisches Laserscanning

mini|Terrestrischer Laserscanner mit aufgeschraubtem GNSS-Empfänger

Das terrestrische Laserscanning (TLS) oder terrestrisches LiDAR (Light Detection And Ranging) ist ein stationäres, aktives, bildgebendes 3D-Verfahren, das laserbasierte Streckenmessungen in einer automatisierten Abfolge von quasi gleichabständigen Abtastschritten in vertikaler und horizontaler Richtung erfasst und daraus geometrische Informationen über das Objekt gewinnt. Die Funktionsweise eines Laserscanners unterscheidet sich von anderen Messverfahren, insofern als mit dem Laserscanner über ein regelmäßiges Raster eine flächenhafte Objekterfassung erfolgt, und nicht wie sonst üblich eine Objektdiskretisierung durch repräsentative Punkte.

Datenerfassung Geometrie Die Rohdaten, die durch einen Laserscanner erzeugt werden, sind Messwerttripel, bestehend aus einer gemessenen Schrägdistanz sowie je einem Wert für die Horizontal- und Vertikalablenkung. Für die Distanzmessung kommen je nach Hersteller unterschiedliche Verfahren zur Anwendung. Man unterscheidet das Impulslaufzeitverfahren, das Phasendifferenzverfahren und das Triangulationsverfahren. Auch die Abtastung, d. h. die Ermittlung der Vertikal- bzw. Horizontalwerte kann auf verschiedene Arten erfolgen. Neben einer Abtastung durch Servomotoren, die den Laser bewegen, können durch Servomotoren rotierende Planspiegel oder ein kontinuierlich rotierender Spiegelpolygon eingesetzt werden. Die Hersteller nutzen häufig eine Kombination aus verschiedenen Abtastarten.

Über einfache trigonometrische Beziehungen werden die erfassten Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten umgewandelt. Dieses Zwischenergebnis stellt eine Punktwolke dar, welche anschließend am Computer weiterverarbeitet werden kann, um beispielsweise 3D-Modelle zu erzeugen. Auch bei der Modellbildung gibt es grundsätzliche Unterschiede gegenüber den konventionellen Methoden, da kein zuvor definierter diskreter Objektpunkt gemessen wird, sondern eine Vielzahl zufällig auf dem Messobjekt verteilte Punkte. Daher müssen die geometrischen Repräsentanzpunkte in der Nachbearbeitung durch geometrische Algorithmen bestimmt werden.

Registrierung der Remissionsintensität und Farbinformation Sofern neben den geometrischen Daten zusätzlich Intensitätsinformationen der reflektierten Lasermessungen registriert werden, kann auch von 4D-Laserscanning gesprochen werden, wobei die vierte Dimension hier nicht als zeitliche Auflösung im Sinne eines 3D-Filmes oder als vierte Raumdimension zu verstehen ist. Mit Hilfe der Intensitätsinformationen lassen sich die gewonnenen dreidimensionalen Punktwolken mit Falschfarben kodieren, was oftmals für grundsätzliche Objektunterscheidungen innerhalb der Punktwolke ausreichend ist. Zur Ergänzung mit realen Farbinformationen, beispielsweise durch RGB-Bilder, können interne oder externe Digitalkameras herangezogen werden. Interne Kameras sind zumeist Kompaktkameras mit geringer Auflösung und Farbqualität – sie dienen somit in erster Linie einer schnellen Einfärbung der Punktwolke. Deutlich bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn eine externe Spiegelreflexkamera montiert wird. Durch die Kombination mit RGB-Informationen kann später die Qualität des Modells gesteigert werden, was z. B. Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der virtuellen Realität ermöglicht.

Bauformen und Marktübersicht Bei den Bauformen haben sich grundsätzlich drei Arten von Laserscannersystemen durchgesetzt, die sich durch ihr Gesichtsfeld unterscheiden. Die Laserscanner lassen sich in die Klassen Profilscanner, Panorama-Scanner und Camera-View-Scanner einteilen. Bei Profilscannern ist das Sichtfeld typischerweise ein 360° Profil. Camera-View-Scannern ist das Sichtfeld sowohl in der Horizontalen, als auch der Vertikalen deutlich begrenzt. Panorama-Scanner können in einem Sichtfeld von 360° horizontal und ± 30° bis 180° vertikal arbeiten, was z. B. bei einer Innenraumaufnahme von Vorteil ist, da sich theoretisch (bei freier Sicht) die Anzahl der Scans gegenüber einem Camera-View-Scanner reduziert.

Seit der Entwicklung des ersten terrestrischen Laserscanners im Jahre 1995 vollzog sich eine rasante Entwicklung auf der Seite der Hardware. Die Laserscaner-Systeme wurden im Laufe der Zeit immer schneller und leichter, aber demgegenüber aber nur geringfügig genauer. Neuere Systeme messen zudem über viel größere Entfernungen und sind eher mit einer Farbkamera ausgestattet. Nachfolgende Tabelle soll einen Überblick über aktuelle und historische 3D-Laserscanner geben:

Hersteller System Markteinführung Distanzmessprinzip Reichweite [m] Messrate [Punkte/s] CLAUSS RODEON scan 2012 Impulslaufzeit 250 14400 CLAUSS RODEON smartscan 2013 Impulslaufzeit 250 14400 Cyra Technologies Cyrax 2400Niemeier, W., Kern, F.: Anwendungspotentiale von scannenden Meßverfahren (PDF; 1,4 MB) 1998 Impulslaufzeit 100 800 Cyra Technologies Cyrax 2500 2000 Impulslaufzeit 100 1000 Faro Technologies Photon 80/20 (PDF; 3,3 MB) 2008 Phasendifferenz 76 120000 Faro Technologies Photon 120/20 2009 Phasendifferenz 153 976000 Faro Technologies Focus3D 120Faro Laser Scanner Focus 3D 2010 Phasendifferenz 120 976000 Faro Technologies Focus3D X 330 2013 Phasendifferenz 330 976000 IQvolution IQSun880/LS 880/840iQsun 880 HE80 3D Laser Scanner 2004 Phasendifferenz 76 120000 IQvolution IQSun420/LS 420 (PDF; 141 kB) 2005 (?) Phasendifferenz 20 12000 Leica Geosystems HDS3000 2002 Impulslaufzeit 300 4000 Leica Geosystems HDS4500 2003 Phasendifferenz 53,5 125000 Leica Geosystems ScanStation 2005 Impulslaufzeit 300 4000 Leica Geosystems ScanStation 2 2007 Impulslaufzeit 300 50000 Leica Geosystems HDS6000 2007 Phasendifferenz 79 500000 Leica GeosystemsLeica Geosystems – HDS Hardware ScanStation C10 2009 Impulslaufzeit 300 50000 Leica Geosystems HDS4400 2009 Impulslaufzeit 700 4400 Leica Geosystems HDS6100 2009 Phasendifferenz 79 508000 Leica Geosystems HDS6200 2010 Phasendifferenz 79 1016727 Leica Geosystems HDS7000 2011 Phasendifferenz 187 1016727 Leica Geosystems HDS8400 2012 (?) Impulslaufzeit 1000 8800 Leica Geosystems ScanStation P20 2012 Impulslaufzeit 120 1000000 Leica Geosystems HDS8800 2012 Impulslaufzeit 2000 8800 Maptek I-Site 8800 2010 Impulslaufzeit 2000 8800 MaptekMaptek - I-Site 3D Laser Scanning Technology I-Site 8400 2011 Impulslaufzeit 1000 8800 Riegl LMS-Z420i 2003 Impulslaufzeit 1000 11000 Riegl LMS-Z390i 2006 Impulslaufzeit 40011000 Riegl LPM-321 2007 Impulslaufzeit 6000 1000 RieglRIEGL - Terrestrial Scanning VZ-400 2008 Impulslaufzeit 500 125000 Riegl VZ-1000 2010 Impulslaufzeit 1400 122000 Riegl VZ-4000 2012 Impulslaufzeit 4000 222000 Riegl VZ-6000 2012 Impulslaufzeit 6000 222000 Topcon GLS-1500GLS 1500 - Topcon Positioning Systems, Inc. 2010 Impulslaufzeit 330 30000 Trimble Navigation GS 200 3D 2005 Impulslaufzeit 200 5000 Trimble Navigation FX 2009 Phasendifferenz 46 190000 Trimble Navigation CXTrimble CX Scanner 2010 Kombination Phase & Impuls 80 54000 Trimble Navigation TX5Trimble TX5 Scanner 2012 Phasendifferenz 120 976000 Zoller+FröhlichZF-Laser - Produkte IMAGER 5006Ex 2009 Phasendifferenz 79 508000 Zoller+Fröhlich IMAGER 5006h060 Phasendifferenz 79 1016727 Zoller+Fröhlich IMAGER 5010 2010 Phasendifferenz 187 1016027 Zoller+Fröhlich Z+F PROFILER 6007 duo 2011 Phasendifferenz 79 1016000 Zoller+Fröhlich Imager 5010C 2012 Phasendifferenz 187 1016000 Zoller+Fröhlich Profiler 9012 2012 Phasendifferenz 119 1016000 Zoller+Fröhlich Imager 5010X120

9 Phasendifferenz 187 1016000 Zoller+FröhlichImager 50162016Phasendifferenz3601016000 Pulsar Measuring SystemsPulsar Measuring Systems PMS 500 ? Impulslaufzeit 8000 3,3 Pulsar Measuring Systems PMSImpulse 100LR ? Impulslaufzeit 400 3,3 Basis SoftwareSurphaser 3D Scanner Surphaser 25HSX ? Phasendifferenz 70 1200000MDL Laser SystemsMDL Laser Systems C-ALS 2009 (?) Impulslaufzeit 150 250MDL Laser Systems VS150 2009 (?) Impulslaufzeit 300 200MDL Laser Systems Quarryman Pro 2009 (?) Impulslaufzeit 600 250MDL Laser Systems Quarryman Pro LR 2011 (?) Impulslaufzeit 1200 250MDL Laser Systems Dynascan HD100 2012 Phasendifferenz 120 976000

Auswertung Georeferenzierung, Co-Referenzierung, Registration Je nach Projektanforderungen erfolgt die Objekterfassung von einem oder mehreren Standpunkten mit unterschiedlichen Blickwinkeln auf das zu erfassende Objekt. Als Ergebnis jedes einzelnen Standpunktes erhält man die Punktwolke in einem lokalen Koordinatensystem. Im weiteren Verlauf der Auswertung müssen die einzelnen lokalen Punktwolkensysteme miteinander verbunden (Co-Referenzierung) und eventuell auf ein übergeordnetes Koordinatensystem (Georeferenzierung im Falle von erdbezogenen Raumbezugssystemen) referenziert werden. Dieser Schritt wird im Englischen mit registration bezeichnet und häufig falsch mit Registrierung statt mit Referenzierung übersetzt. Bei der Referenzierung bestehen mehrere Ansätze, wie z. B. Referenzierung über Passflächen von Regelgeometrien (Ebene, Kugel, Zylinder), über manuell ausgewählte identische Punkte der Punktwolken, über retroreflektierende Zielmarken und über flache Zielmarken mit speziellem Muster hinsichtlich der Remissionswerte (Bildmarken mit z. B. Schachbrettmuster oder weißem Kreis auf schwarzem Grund). Als markenlose Lösung wird der ICP (iterative closest point) angewendet. Hierbei werden im Überlappungsbereich zweier Punktwolken Bereiche segmentiert, in denen dann näherungsweise identische Punkte über die Bestimmung der kürzesten Distanz ausgewählt werden. Iterativ kann dann über räumliche Ähnlichkeitstransformationen eine Annäherung der beiden Punktwolken erreicht werden. Das Referenzierungsergebnis ist eine Punktwolke, die idealerweise sämtliche Objektflächen diskritisiert und für die weitere Modellierung, Kombination mit anderen Geoinformationen und Visualisierung geeignet ist.

Modellierung Durch Zufuhr von speziellem Fachwissen kann aus diesem Datensatz ein Modell des realen Objektes erzeugt werden. Aus der Gesamtpunktwolke können beispielsweise bestimmte Bereiche selektiert werden, um daraus über bestimmte Algorithmen geometrische Primitive wie Ebenen oder Zylinder zu approximieren. Diese können anschließend zu einem Randflächenmodell verschnitten werden.

Auch lassen sich Grundrisse, Ansichten und Schnitte anfertigen.

Gerade der Teil der Auswertung ist aufgrund der fehlenden Automatisierungen sehr arbeits- und damit kostenaufwändig. Der Prozessablauf von der Objekterfassung über die Referenzierung und Modellierung bis hin zur Visualisierung sollte aufgrund der vollständigen Datenverfügbarkeit im Computer automatisierbar sein. Erste Ansätze hierzu wurden z. B. 2003 von Fredie Kern beschrieben (s. Literatur).

Anwendungsbereiche Durch die Möglichkeit einer berührungslosen und flächenhaften Vermessung in Kombination mit automatisierter Verarbeitung ergeben sich viele Bereiche, für die das Laserscanning eine interessante Methodik darstellt. Das terrestrische Laserscanning kann oft dort wirtschaftlich eingesetzt werden, wo komplexe Objekte berührungslos, schnell und vollflächig erfasst werden sollen. Somit ist das terrestrische Laserscanning eine sinnvolle Ergänzung zu den konventionellen – im Vergleich genaueren – Messverfahren wie der Photogrammetrie oder der Tachymetrie. Eine Synergie der Vermessungsverfahren Laserscanning, Photogrammetrie und Tachymetrie sowie eine Automatisierung des Auswerteprozesses werden in Zukunft das volle Potential des terrestrischen Laserscannings wirtschaftlich ausnutzen können und somit ein optimales Geometriemanagement ermöglichen.

Anwendungen in der Bauwerksüberwachung