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Die
Erfindung betrifft eine Vermessungseinrichtung und ein Verfahren
zur dreidimensionalen, geometrischen Erfassung einer Umgebung mit
einem beweglich gelagerten Laserscanner, der zum Abtasten einer
Vielzahl von Messpunkten mittels Laserstrahl eingerichtet ist, mit
einem Satellitennavigationsempfänger und mit einer Datenverarbeitungseinheit.
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Es
besteht ein Bedarf zur schnellen dreidimensionalen Erfassung von
künstlichen und natürlichen Objekten im Außenbereich,
beispielsweise um realitätskonforme und fotorealistische
dreidimensionale Stadtmodelle zu erstellen. Hierzu ist bekannt, mittels
Laserscannern die Umgebung des Laserscanners abzutasten, um eine
dreidimensionale Punktwolke zu erhalten, die mittels Datenverarbeitung
in ein dreidimensionales georeferenziertes Punktmodell der Aufnahmeobjekte
umgerechnet wird.
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Aus Manandhar,
D. Shibasaki, R.: "Geo-Referencing of Multi-Sensor Range Data For
Vehicle-borne Laser Mapping System (VLMS)", 21st Asian Conference
an Remote Sensing (ACRS), Vol. 2, Taipei, 4.–8. Dezember
2000, Seiten 932–937; Manandhar, D. Shibasaki,
R.: Vehicle-borne Laser Mapping System (VLMS) for 3-D GIS; Geoscience
and Remote Sensing Symposium; IGARSS '01; IEEE 2001 International,
Vol. 5, 9.–13. Juli 2001, Seiten 2073–2075 und
aus Manandhar, D. Shibasaki, R.: Auto Extraction of Urban
Features From Vehicle-borne Laser Data. Geospatial Theo, Processing
and Applications, ISPRS Commission IV; Symposium 2002, Ottawa, 9.–12.
Juli 2002 ist ein fahrzeuggestütztes System zur
dreidimensionalen geometrischen Erfassung einer Umgebung mit einem
Laserscanner in Verbindung mit Kameras zur Erfassung von Texturinformationen,
einem Satelliteninformationsempfänger zur Positionsbestimmung
und einem Inertialsystem sowie einem Odometer zur Ermittlung von
der Positions- und Lagedaten beschrieben. Das Hauptproblem besteht
dabei in der Identifizierung der Position mit dem Laser abgescannten
Objekte während der Bewegung des Fahrzeugs, auf dem die
Vermessungseinrichtung montiert ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass
der Ausgang des Navigationsempfängers in WGS84-Koordinaten
vorliegt, während der Laserscanner mit seinem eigenen Koordinatensystem
arbeitet. Durch Koordinatentransformationen ist es möglich,
die Messdaten zusammenzuführen. Die zeitliche Synchronisierung
der erfassten Daten erfolgt implizit am Eingang der Datenverarbeitungsanlage.
Eine direkte Synchronisierung der Erfassung und Aufzeichnung der
unterschiedlichen Messinformationen findet nicht satt.
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Gräfe,
G.; Caspary, W.; Heister, H.; Klemm, J.; Lang, M.: Erfahrungen bei
der kinematischen Erfassung von Verkehrswegen mit MoSES; Proceedings,
Ingeniervermessung 2004, 14th International Conference an Engineering
Surveying, Zürich, 15.–19. März 2004 beschreibt
einen mobiles Straßenerfassungssystem, das Sensordaten
von digitalen Videokameras, Stereomesskameras und Laserscannern
zusammenführt. Für die exakt zeitsynchronisierten
Aufnahmesensoren dienen die dreidimensionalen Lagewinkel, die mit
Hilfe einer Inertialenmesseinheit, Satellitennavigationsempfängern DGPS
und weiteren Sensoren kontinuierlich ermittelt werden, als äußere
Orientierung. Die zeitliche Synchronisierung der Positionsdaten
erfolgt anhand des so genannten PPS-Signals, das von Satellitennavigationsempfängern
aufgenommen wird. Das PPS-Signal wird vom Navigationssatelliten
erzeugt, indem ein Impuls pro Sekunde ausgestrahlt wird.
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Wildi,
Th.; Glaus, R.: "A Multisensor Platform For Kinematic Track Surveying"
in: Proceedings of 2nd Symposium an Geodesy for Geotechnical and Structual
Engineering; Berlin 24 Mai 2002, Seiten 238–249 ist
ein Vermessungssystem mit zwei Laserscannern beschrieben. Zusätzlich
zu der mit den Laserscannern aufgenommenen Punktwolke wird mit einer
Echtzeit-GPS-Einheit die absolute Position des Laserscanners und
mit einem Inklinometer und Temperaturfühler eine kompensierte
Lage der Laserscanner ermittelt. Das PPS-Signal des GPS-Empfängers wird
zur Synchronisation der Laserscannerdaten genutzt.
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Aus Alamùs,
R., Baron, A., Bosch, E., Casacuberta, J., Miranda, J., Pla, M.,
Sànchez, S., Serra, A., Talaya, J.: On the Accuracy and
Performance of the GEOMÒBIL System. International Archives
of Photogrammetry, Remote Sensing an Spatial Information Siences,
Vol. 35, ISPRS, Istanbul, 2004 ist ein System zur dreidimensionalen,
geometrischen Erfassung einer Umgebung mit einem auf ein Fahrzeug
installierten Laserscanner beschrieben. Zur Bestimmung der Orientierung
des Laserscanners und einer Kamera sind eine Inertialmesseinheit,
ein GPS-Empfänger, ein Abstandsmessgerät und ein
Computersystem zur Ermittlung der Orientierung aus den Daten vorgesehen.
Zur Synchronisierung der mit dem Laserscanner aufgenommenen Zeilenscans
wird das PPS-Signal des GPS-Empfängers als Triggersignal verwendet.
Das Triggersignal wird extern erzeugt und in den Datenstrom des
Laserscanners eingespeist, so dass das System ohne das GPS-Signal nicht
genutzt werden kann.
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Dieses
System ist auch in Alamùs, R., Baron, A., Casacuberta,
J., Pla, M., Sànchez, S., Serra, A., Talaya, J.: "GEOMÒBIL:
ICC land based mobile mapping system for cartographic data capture:
Proceedings of the XXII International Cartographic Conference of
the ICA. La Coruña, Spanien, 2005; Talaya, J.
Alamùs, R., Bosch, E., Serra, A., Kornus, W., Baron, A.:
"Integration of a Terrestrial Laser Scanner with GPS-IMU Orientation
Sensors. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing
and Spatial Information Sciences, Vol. 35, ISPRS; Instanbul, 2004 und
in Talaya, J. Bosch, E., Alamùs, R., Serra, A.,
Baron, A.: "GEOVAN: The mobile mapping system form the ICC Proceedings
of the 4th International Symposium an Mobile Mapping Technology (MMT
'2004); Kumming, China, 2004 näher beschrieben.
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DE 10 2004 028 736
A1 offenbart ein System zur automatischen Erfassung von
ortsfesten Objekten im Freien von einem Fahrzeug aus. Zur Erfassung
der Umgebung werden vier Digitalkameras sowie vier profilmessende
Laserscanner eingesetzt. Die Positionsbestimmung erfolgt durch bis
zu drei im DGPS(Differential-Global-Positioning-System)-Verfahren
arbeitende GPS-Empfänger, sowie über Koppelnavigation
mit Hilfe von Inkrementalgeber und Gierratensensor bei Ausfall der
GPS-Signale. Alternativ ist auch ein Inertialsystem für
die Bestimmung der Position und der Raumwinkel vorgesehen. Die von
dem GPS-Empfänger gelieferten Zeitmarken in Form des PPS-Signals
werden für die Synchronisierung der Messwerte verwendet.
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Mit
den beschriebenen Verfahren soll unter Einsatz eines Laserscanners
in Verbindung mit verschiedenen Navigations-, Positions-, Temperatur- und
weiteren Sensoren eine hochaufgelöste Punktwolke lang gestreckter
Objekte im Außenbereiche verzerrungsfrei und maßstabsgetreu
erfasst werden. Durch den Einsatz des Laserscanners während
der Bewegung wird die notwendige Zeit für die Erfassung minimiert,
die bei statischen Laserscans mit fester Position des Zentrum des
Laserscanners oder im Stop-and-Go-Modus mit einer Aufnahme einer
Abfolge mehrerer statistischer Laserscans mit veränderten
Positionen des Zentrum des Laserscanners bisher notwendige Verknüpfung
von Einzelpunktwolken über Passpunkte oder Merkmale aus
dem Objektraum entfällt hierbei. Vielmehr werden für
jeden Punkt lediglich die mit dem Laserscanner aufgenommenen Profilmessungen
in Form von Y- und Z-Koordinaten sowie der Remissionswert des ausgesendeten
Lasersignals ermittelt.
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Durch
die Bewegung des Laserscanners sind Position und Raumwinkel des
Sensors jedoch variabel und a priori unbekannt. Für die
Transformation der innerhalb der Profile bestimmten zweidimensionalen
Punktkoordinaten in den dreidimensionalen Raum ist die Bestimmung
der unbekannten Parameter mit Hilfe zusätzlicher Sensoren
notwendig. Hierzu werden die beschriebenen GPS-Empfänger,
Odometer etc. eingesetzt. Je nach Geschwindigkeit der Plattform
des Laserscanners ist die Genauigkeit der Verknüpfung von
Positionsinformationen und Raumwinkeln des Laser scanners mit den
durch den Laserscanner bestimmten Profilmessungen zum Objekt entscheidend
für die Qualität der erfassten Punktwolke. Ein
Versatz zwischen Profilmessung und Position und/oder Raumwinkeln
führt beispielsweise bei Kurvenfahrten zu deutlich sichtbaren
Verzerrungen innerhalb der Punktwolke insbesondere am Anfang und
Ende der Kurve. Für eine Geschwindigkeit von 50 km/h muss
die Synchronisierung der einzelnen Sensoren mit einer Genauigkeit
von mehr als 4 ms erfolgen, um den hierdurch bedingten Positionsfehler der
Einzelpunkte auf gerader Strecke nicht größer
als 5 cm werden zu lassen. Bei Kurvenfahrten und der damit verbunden
Schwenkbewegung ist die Anforderung an die Genauigkeit der Zeitsynchronisierung
ja nach Kurvenradius und Fahrgeschwindigkeit entsprechend höher.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, eine verbesserte Vermessungseinrichtung
sowie ein verbessertes Verfahren zur dreidimensionalen geometrischen
Erfassung mit einem beweglich gelagerten Laserscanner zu schaffen,
wobei von dem Satellitennavigationsempfänger Zeiten im
Zeitnormal, wie beispielsweise das PPS-Signal, empfangen werden.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst
durch
- – Aufzeichnen von Messinformationen,
die mindestens die mit dem Laserscanner abgetasteten Messpunkte
und der zu den jeweiligen Messpunkten gehörigen Lage des
Laserscanners enthalten, in Bezug auf Triggerzeitpunkte, die durch
den Laserscanner vorgegeben sind,
- – Aufzeichnen von in einem Zeitnormal vorgegebenen
und von dem Satellitennavigationsempfänger empfangenen
Zeiten, jeweils bezogen auf das empfangene Zeittaktsignal zu den
Triggerzeitpunkten des Laserscanners,
- – Umrechnen der auf die Triggerzeitpunkte bezogenen,
aufgezeichneten Messinformationen auf ein gemeinsames Zeitnormal
mittels der auf das Zeittaktsignal bezogenen und auf die Triggerzeitpunkte
synchronisierten, aufgezeichneten Zeiten im Zeitnormal.
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Gemäß der
Lehre der vorliegenden Erfindung sollen somit die durch den Laserscanner
vorgegebenen Triggerzeitpunkte als Basissynchronisationszeiten genutzt
werden und nicht wie im Stand der Technik vorgeschlagen, das PPS-Signal
des Satellitennavigationsempfängers. Hierdurch ist eine
präzise Triggerung und eine Synchronisierung für
eine präzise Erfassung bei einer hohen Erfassungsrate von
bis zu 500.000 Punkten pro Sekunde bei Profilfrequenzen von 33 bis
zu 50 Hz möglich.
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Die
vom Satellitennavigationsempfänger empfangenen in einem
Zeitnormal vorgegebenen Zeiten werden bezogen auf die Triggerzeitpunkte
des Laserzeitscanner aufgezeichnet, so dass die ebenfalls auf die
Triggerzeitpunkte bezogenen, aufgezeichneten Messinformationen des
Laserscanners und der Lagesensoren mit Hilfe des Zeittaktsignals einfach
auf das gemeinsame Zeitnormal umgerechnet werden können.
Hierdurch wird eine direkte Verrechnung der Sensordaten miteinander
und Transformation der auf die genauen Triggerzeitpunkte der durch
den Laserscanner erfassten Punktwolke bezogenen Mess- und Lagedaten
unmittelbar möglich.
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Die
im Satellitennavigationsempfänger empfangenen und aufgezeichneten
Zeiten liegen vorzugsweise im UTC-Zeitnormal (Universal-Time-Coordinated)
vor. UTC ist die koordinierte Weltzeit und stellt eine Kombination
aus der internationalen Atomzeit TAI und der Universalzeit UT dar.
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Das
vom Satellitennavigationsempfänger empfangene Zeittaktsignal
kann beispielsweise aus dem jede Sekunde ausgestrahlten Zeitimpuls
PPS gewonnen werden.
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Zur
Ermittlung der Lage des Laserscanners ist es vorteilhaft, die Neigungsdaten
des Laserscanners als Lageinformation zu erfassen und aufzuzeichnen.
Zusätzlich hierzu können auch die Nick- und Wank-Winkel
des Laserscanners als Neigungsdaten erfasst werden. Die Erfassung
der Lageinformation kann beispielsweise mit einem Neigungsmesser
und/oder Beschleunigungsmesser erfolgen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, die Umgebungstemperatur des Laserscanners zu
messen und die erfassten Lageinformationen, insbesondere die Neigungsdaten,
in Abhängigkeit von der aktuell gemessenen Umgebungstemperatur
zu kompensieren. Hierdurch werden temperaturbedingte Lageverschiebungen
des Laserscanners aus geglichen, wobei der Zusammenhang zwischen
der Temperatur und der Lageveränderung erkannt und beispielsweise
vom Hersteller als Kalibrierkurve vorgegeben ist.
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Da
die auf die Triggerzeitpunkte bezogenen aufgezeichneten Messinformationen
bereits auf ein gemeinsames Zeitnormal umgerechnet sind, ist es vorteilhaft,
die dreidimensionalen Raumkoordinaten der erfassten Umgebung direkt
aus den auf das Zeitnormal bezogenen Messinformationen zu berechnen.
Eine weitere Zeittransformation einzelner Messinformationen ist
daher nicht mehr nötig. Weiterhin ist es vorteilhaft, den
Gierwinkel des Laserscanners aus dem mit dem Satellitennavigationsempfänger
erfassten Einzelpositionen der Trajektorie des Laserscanners abzuleiten
und diesen Gierwinkel als Messinformation bei der Berechnung der
dreidimensionalen Raumkoordinaten erfassten Umgebung mit zu berücksichtigen.
Dieser den Azimut des Laserscanners wiedergebende Gierwinkel, der
die Ausrichtung des Laserscanners in der X-Y-Ebene wiedergibt und
um die Z-Achse senkrecht zur Strahlrichtung des Laserscanners dreht,
muss nicht mit einer Winkelmesseinheit bestimmt werden. Der Winkel
ist bereits in den Positionsänderungsinformationen des
Laserscanners enthalten und kann aus der Trajektorie einfach mathematisch
abgeleitet werden.
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Das
Ableiten des Gierwinkels kann beispielsweise durch Filterung, Glättung,
Approximation und/oder Interpolation der Einzelpositionen der Trajektorie
oder direkte Messung erfolgen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn eine Filterung der erfassten Lageinformationen
des Laserscanners durchgeführt wird. Die Lageinformationen sollte
dabei mindestens eine mit dem Satellitennavigationsempfänger
bestimmte Ortsinformationen des Laserscanners und mit einer Neigungsmesseinheit erfasste
Neigungsdaten enthalten. Diese Ortsinformationen und Neigungsdaten
werden dann durch die Kalman-Filterung zusammengeführt.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Filterung mit einem Kalman-Filter durchgeführt
wird. Hierbei wird in einer Vorwärtsfilterung zunächst
die Varianz-Kovarianz-Information der durch die Vorwärtsfilterung
ausgeglichenen Lageinformationen für eine nachfolgende
Rückwärtsfilterung gespeichert. Anschließend
wird die Rückwärtsfilterung auf Basis der Varianz-Kovarianz-Information
durchgeführt. Alternativ sind auch andere Verfahren denkbar,
wie z. B. Bessel-Filter, Spline-Approximation etc..
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Nach
der Kalman-Filterung erfolgt vorzugsweise ein Glätten der
gefilterten Lageinformation, beispielsweise mittels eines an sich
bekannten Rauch-Tung-Striebel-Algorithmus.
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Aus
den ggf. gefilterten und geglätteten Lageinformationen
werden dann die Winkelpositionen des Laserscanners berechnet und
die im zweidimensionalen Raum durch den Laserscanner abgetasteten
und aufgezeichneten Messpunkte in Verbindung mit den im Zeitnormal
zugeordneten Winkelpositionen und Ortspositionen des Laserscanners
in dreidimensionale Raumkoordinaten der Umgebung transformiert.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch eine Vermessungseinrichtung der genannten
Art dadurch gelöst, dass die Datenverarbeitungseinheit
durch die von dem Laserscanner vorgegebenen Triggerzeitpunkte gesteuert
und zum
- – Aufzeichnen von Messinformationen,
die mindestens die mit dem Laserscanner abgetasteten Messpunkte
und die zu den jeweiligen Messpunkten gehörige Lage des
Laserscanners enthalten, in Bezug auf Triggerzeitpunkte, die durch
den Laserscanner vorgegeben sind,
- – Aufzeichnen von in einem Zeitnormal vorgegebenen
und von dem Satellitennavigationsempfänger empfangenen
Zeiten, jeweils bezogen auf das empfangene Zeittaktsignal zu den
Triggerzeitpunkten des Laserscanners, und
- – Umrechnen der auf die Triggerzeitpunkte bezogenen,
aufgezeichneten Messinformationen auf ein gemeinsames Zeitnormal
mittels der auf das Zeittaktsignal bezogenen und auf die Triggerzeitpunkte
synchronisierten, aufgezeichneten Zeiten im Zeitnormal eingerichtet
ist.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 – Skizze
einer erfindungsgemäßen Vermessungseinrichtung;
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2 – Blockdiagramm
der Vermessungseinrichtung aus 1;
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3 – Funktionsdiagramm
des Verfahrens zur dreidimensionalen, geometrischen Erfassung einer
Umgebung
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1 lässt
eine auf einem Fahrzeug 1 angeordnete mobile Vermessungseinrichtung
zur dreidimensionalen geometrischen Erfassung einer Umgebung mit
einem beweglich gelagerten Laserscanner 2 erkennen, der
am Dach des Fahrzeugs montiert ist. Die Vermessungseinrichtung hat
weiterhin einen Satellitennavigationsempfänger 3,
beispielsweise einen GPS-Empfänger (Global-Postion-System),
um die Ortsposition des Fahrzeug 1 bzw. des Laserscanners 2 in
an sich bekannter Weise durch Laufzeitmessung aus den Satellitensignalen
und der bekannten festen Position des Satellitennavigationsempfängers 3 in Bezug
auf den Laserscanner 2 zu bestimmen. An Stelle eines GPS-Empfängers
können auch andere Satellitennavigationssysteme genutzt
werden, wie beispielsweise Galileo oder Glonass etc. Denkbar ist auch,
eine Mehrzahl von Satellitennavigationsempfängern zu verwenden
oder alternativ optional gleichwirkende und gleichwertige Mittel,
wie an sich bekannte Mobilfunkortungseinrichtungen, die auf Basis der
Position eines Mobiltelefons in einem zellularen Mobilfunknetz die
Ortsposition bestimmen.
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Der
mindestens eine Satellitennavigationsempfänger 3 sowie
der Laserscanner 2 sind mit einer Datenverarbeitungseinheit 4 verbunden,
die ihrerseits wiederum Zugriff auf mindestens einen Datenspeicher 5 hat,
um die erfassten Messinformationen direkt oder nach einer Verarbeitung
aufzuzeichnen.
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2 lässt
ein Blockdiagramm der Vermessungseinrichtung in einer besonderen
Ausführungsform erkennen. Die Datenverarbeitungseinheit 4 ist hierbei
in eine Daten-Personalcomputer 4a mit einer Steuerungssoftware
sowie einen multitaskingfä higen Echtzeit-Messrechner 4b aufgeteilt.
Die Daten des Laserscanners 2 werden an den Daten-Personalcomputer 4a geleitet,
während die Triggerzeitpunkte des Laserscanners 2 als
Synchronisationssignal an den multitaskingfähigen Echtzeit-Messrechner 4b geführt
werden. Für die notwendige hoch präzise Synchronisierung
des Scannersystems wird dieses durch den Laserscanner 2 erzeugte
Rechteck-Triggersignal verwendet, mit dem der echtzeitfähige Messrechner 4b präzise
getriggert wird. Die Erfassung von Navigations-, Positions-, Temperatur-
und weiterer Sensordaten erfolgt in Bezug auf dieses Triggersignal
des Laserscanners 2.
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Es
ist erkennbar, dass ein Satellitennavigationsempfänger 3 an
diesen Messrechner 4b angeschlossen ist und das sekündlich
ausgestrahlte PPS-Signal (Puls-Per-Second) sowie einen Zeitstempel über
eine digitale und eine digital-serielle Schnittstelle des Messrechners 4b zu
führen. Weiterhin ist ein erster und zweiter Neigungsmesser 6a, 6b mit
dem Messrechner 4b verbunden, um die mit den Neigungsmessern 6 erfassten
Nick- und Wank-Winkel des Laserscanners 2 zu den durch
den Laserscanner 2 vorgebenen Triggerzeitpunkten vom Messrechner 4b aufzeichnen
zu lassen.
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Zur
Kompensation der mit den Neigungsmessern 6a, 6b erfassten
Lageinformationen ist ein Thermometer 7 vorgesehen, der
die Umgebungstemperatur des Laserscanners 2 misst und die
Temperaturdaten über eine serielle Schnittstelle an den Messrechner 4b leitet.
Auch die Temperaturdaten werden zu den Triggerzeitpunkten bezogen
auf die Triggerzeitpunkte aufgenommen.
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Der
Daten-Personalcomputer 4a ist über ein lokales
Netzwerk mit dem Echtzeit-Messrechner 4b verbunden.
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Ein
weiterer Satellitennavigationsempfänger 8 ist
mit dem Daten-Personalcomputer 4a verbunden, um die mit
diesem Satellitennavigationsempfänger ermittelten Ortsinformationen
zusammen mit den mit dem ersten Satellitennavigationsempfänger 3 ermittelten
Ortsinformationen aufzuzeichnen.
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Mit
dieser Vermessungseinrichtung ist eine schnelle dreidimensionale
Erfassung von natürlichen und künstlichen Objekten
im Außenbereich möglich. Diese Erfassung wird
mit Hilfe des terrestrischen Laserscanners 2 durchgeführt,
der auf einer Plattform, wie z. B. dem Fahrzeug 1, mit
einer Geschwindigkeit von bis zu 50 km/h bewegt werden kann. Der
terrestrische Laserscanner 2 wird in Verbindung mit den Navigations-,
Positions-, Temperatur- und weiteren Sensoren 3, 6, 7, 8 dazu
benutzt, um eine hochaufgelöste Punktwolke lang gestreckter
Objekte im Außenbereich verzerrungsfrei und maßstabsgetreu
zu erfassen. Um eine möglichst hohe Punktdichte des zu
erfassenden Objektes zu erzielen, wird der Laserscanner 2 im
Profilmodus betrieben, in dem der Laserstrahl von einem um seine
horizontale Achse rotierenden Spiegel abgelenkt wird. Hierdurch
sind Profilfrequenzen von bis zu 33 bis 50 Hz mit Erfassungsraten
von bis zu 500.000 Punkten pro Sekunde realisierbar. Die bei statischen
Scans, d. h. bei einer festen Position des Scannerzentrums, oder
im Stop-and-Go-Modus, d. h. eine Abfolge mehrerer statischer Scans
mit veränderten Positionen des Scannerzentrum, bisher notwendige
Verknüpfung von Einzelpunktwolken über Passpunkte
oder Merkmale aus dem Objektraum entfällt hierbei. Für
jeden Punkt der resultierenden Punktwolke sollen seine X-Y-Z-Koordinaten
sowie der Remissionswert des ausgesendeten Lasersignals ermittelt
werden.
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Der
Einsatz des Laserscanners 2 während der Bewegung
minimiert die notwendige Zeit für eine Erfassung, wodurch
eine Beeinträchtigung bei einem Einsatz im Straßenverkehr
im Vergleich zum konventionellen Einsatz im statischen Modus verhindert
werden können.
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Durch
die Bewegung des Laserscanners 2 sind Position und Raumwinkel
des Laserscanners 2 jedoch variabel und a priori unbekannt.
Für die Transformation der innerhalb der Profile bestimmten
zweidimensionalen Punktkoordinaten in den dreidimensionalen Raum
ist die Bestimmung der unbekannten Parameter mit Hilfe von Sensoren
notwendig. Der Nick- und Wank-Winkel wird hierbei durch elektronische
Neigungsmesser 6a, 6b erfasst. Die Position der
Plattform und somit auch des Laserscanners 2 werden über
einen oder wie dargestellt mehrere GPS-Empfänger 3, 8 in
Kombination mit differentiellen Auswerteverfahren, wie beispielsweise
durch den GPPS(Geodätischer Postprocessing Positionierungs Service)-Dienst
des SAPOS (Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landvermessung)
ermittelt. Der Gierwinkel kann in einer nachfolgenden Auswertung
aus den Einzelpositionen der Trajektorie mit Hilfe geeigneter Filterverfahren
abgeleitet werden. Dies hat den Vorteil, dass aufwendige Intertialnavigationssysteme
nicht notwendig sind.
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Der
Nickwinkel beschreibt hierbei die Längsneigung des Laserscanners 2,
während der Wank-Winkel die Querneigung bzw. den Hängewinkel
definiert. Der Gierwinkel beschreibt das Azimut bzw. die Winkelrichtung
des Laserstrahls in der X-Y-Ebene.
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Je
nach Geschwindigkeit der Plattform ist die Genauigkeit der Verknüpfung
von Positionsinformationen und Raumwinkeln des Laserscanners 2 mit
den durch den Laserscanner 2 bestimmten Profilmessungen
zum Objekt entscheidend für die Präzision der erfassten
Punktwolke. Ein Versatz zwischen Profilmessung und Position und/oder
Raumwinkeln führt insbesondere bei Kurvenfahrten zu deutlich
sichtbaren Verzerrungen innerhalb der Punktwolke am Anfang und Ende
der Kurve. Für eine Genauigkeit von 50 km/h muss die Synchronisierung
der einzelnen Sensoren mit einer Genauigkeit von besser als 4 ms erfolgen,
um den hierdurch bedingten Positionsfehler der Einzelpunkte auf
gerader Strecke nicht größer als 5 cm werden zu
lassen. Bei Kurvenfahrten und den damit verbundenen Schwenkbewegungen
ist die Anforderung an die Genauigkeit der Zeitsynchronisierung
entsprechend höher, je nach Kurvenradius und Fahrtgeschwindigkeit.
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Durch
die ermittelten Positionsinformationen und die Raumwinkel kann die
dreidimensionale Punktwolke ohne Zusatzinformationen aus dem Objektraum
direkt im Anschluss an die Messung erstellt werden.
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Hierzu
ist als bildgebender Sensor der dreidimensionale terrestrische Laserscanner 2 vorgesehen.
Dieser Laserscanner 2 wird lediglich für die Erfassung
der Messinformationen im zweidimensionalen Profiler-Modus betrieben.
Die Distanzmessung wird bei einem solchen System nach einem Phasenvergleichsverfahren
durchgeführt. Die Synchronisation der Sensoren erfolgt
mit Hilfe des Messrechners 4b mit echtzeitfähigem
Betriebssystem. Als Zeitnormal wird das PPS-Signal des geodätischen L1/L2-GPS-Empfängers 3 mit
einer Frequenz von 1 Hz verwendet, um evtl. auftretende Driften
der Uhr des Messrechners 4b zu bestimmen und alle Messwerte
in das UTC-Zeitnormal (Universal-Time-Coordinate) zu überführen.
Hierzu ist ein direkter Bezug zu den durch den Satellitennavigationsempfänger 3 ermittelten
und ebenfalls im UTC vorliegenden kinematischen Einzelpunktpositionen
möglich.
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Der
Messrechner 4b ist zur Erfassung der unterschiedlichen
Signalformate mit einem optoentkoppelten Digital-IO-Modul, einer
seriellen RS-232-RS-422-Schnittstelle und einem AD-Wandler bestückt.
Sensorseitig werden ein Laserscanner 2, zwei oder mehr
GPS-Empfänger 3 sowie zwei Neigungsmesser 6a, 6b zur
Datenerfassung eingesetzt.
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Der
Laserscanner 2 erzeugt bei der Messung ein 24 Volt-Rechtecksignal,
dessen steigende Flanke mit dem Nulldurchgang eines jeden Profils
zusammenfällt. Dies wird ebenso wie das in Form eines TTL-Pegels
vorliegende PPS-Signal (Puls-Per-Second) des GPS-Empfängers
vom Digital-IO-Modul ereignisgesteuert erfasst. Der Kanal für
den Laserscanner 2 besitzt hierbei eine höhere
Priorität als der Kanal für den PPS-Puls. Da der
Zeitpunkt der steigenden Flanke des PPS-Signals in Bezug auf die vollständige
GPS-Zeit mehrdeutig ist, muss der GPS-Empfänger 3 parallel
dazu an ein Modul mit serieller RS-232-Schnittstelle angeschlossen
werden, an die der Zeitstring der zugehörigen GPS-Zeit
in ASCII-Codierung gesendet wird. Der Zeitstring wird hierbei 0,5
s vor dem eigenen PPS-Puls auf die Schnittstellen ausgegeben. Über
das serielle Modul wird ebenfalls ein Digitalmodul 7 angeschlossen,
das die Systemtemperatur erfasst, mit Hilfe derer die Temperaturkorrektionen
der Neigungsmesser 6a, 6b errechnet werden können.
Ein Analog-Digital-Wandler übernimmt die Digitalisierung
der analogen Signale der Neigungsmesser 6a, 6b.
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Eine
interne Uhr liefert die Systemzeit für die einzelnen Abtastzeitpunkte.
Parallel dazu werden die Rohdaten des Laserscanners 2 auf
dem externen Daten-Personalcomputer 4a erfasst, um die
Belastung von dem Messrechner 4b so gering wie möglich zu
halten. Der Anschluss der GPS-Empfänger 3, 8 an den
Datenpersonalcomputer 4a ist optional und kann entfallen,
wenn der oder die Satellitennavigationsempfänger 3, 8 über
einen ausreichend großen internen Speicher verfügen.
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3 lässt
ein Funktionsdiagramm des Verfahrens der zur dreidimensionalen geometrischen
Erfassung einer Umgebung mit einer oben beschriebenen Vermessungsvorrichtung
erkennen.
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Zur
präzisen Synchronisierung der einzelnen Sensoren wird ein
echtzeitfähiges Betriebssystem verwendet. Die Datenerfassungsaufgaben
werden hierbei von hardwarenahen Programmen übernommen,
die als unabhängige Aufgaben (Tasks) auf Betriebssystemebene
laufen. Hierdurch wird gewährleistet, dass die unterschiedlichen
Datenkanäle nahezu parallel abgetastet werden können
und die Latenz der Datenerfassung möglichst wenig durch
das Betriebssystem beeinflusst wird.
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Die
Erfassung der durch die einzelnen Laserscanprofile erzeugten Rechtecksignale
erfolgt interruptgesteuert an einem Digital-IO-Eingang in Task 1. Ebenso
wie dieser reagiert ein Task 2 auf Interrupts, die durch
das PPS-Signal des Satellitennavigationsempfängers 3 erzeugt
werden. Dieser erste Task 1 besitzt nach dem Betriebssystem
die höchste Task-Priorität, da er maßgeblich
die Qualität der gesamten Synchronisierung bestimmt. Task 3 liest
den Port des seriellen Moduls aus, auf dem der String zu der GPS-Zeit,
d. h. des PPS-Zeitstempels ausgegeben wird. Task 4 liest
einen weiteren Port des seriellen Moduls aus, über den
die aktuelle Systemtemperatur von einem digitalen Thermometer 7 gelesen wird.
Der Task 5 tastet die analogen Signale aller angeschlossenen
elektronischen Neigungsmesser 6a, 6b (Inklinometer)
mit vorgegebener Frequenz ab. Task 6 dient zur Verwaltung
und Steuerung der internen Systemuhr.
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Die
Erfassung der Rohdaten des Laserscaners 2 sowie sämtliche
Steuerbefehle können über Treiberfunktionen direkt
aus der Anwendersoftware heraus gesteuert werden. Über
Bibliotheksaufrufe lassen sich die binär gespeicherten
Daten zur weiteren Bearbeitung ins ASCII-Format konvertieren. Bedingt
durch die große Datenmenge werden die Daten des Laserscanners
aus Gründen der Geschwindigkeit auf dem externen Daten-Personalcomputer 4a gespeichert.
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Die
Erfassung der GPS-Position mit den Satellitennavigationsempfängern 3, 8 sowie
die Speicherung der Ortsinformations-Rohdaten wird in der Regel
vom Satellitenna vigationsempfänger 3, 8 übernommen,
der die Ortsinformations-Rohdaten in diesem Fall in seinen internen
Speicher ablegt. Alternativ kann die Speicherung je nach Messdauer
auch optional auf dem externen Daten-Personalcomputer 4a erfolgen.
In Verbindung mit Beobachtungsdaten einer nahe gelegenen SAPOS-
oder virtuellen Referenzstationen werden mit Hilfe differentieller
Auswerteverfahren präzise kinematische Einzelpunktpositionen
der abgefahrenen Trajektorie durch eine Postprocessing-Auswertung
erzeugt. Dies geschieht mit Hilfe geodätischer GPS-Standardsoftware.
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Die
Steuerung des gesamten Messablaufs erfolgt von einem zentralen Programm
aus, das auf dem Daten-Personalcomputer 4a läuft.
Dieses übernimmt nicht nur die Kommunikation mit dem Laserscanner 2 über
Treiberfunktionen, sondern überträgt auch sämtliche
Echtzeitprogramme auf den Messrechner 4b nach dessen Inbetriebnahme.
Zudem sorgt es für den Start und die Beendigung der Echtzeitprogramme
und die Speicherung der Messwerte auf den Daten-Personalcomputer 4a,
da der Messrechner 4b nur über einen flüchtigen
Ringpuffer verfügt. Durch die Information über
die Anzahl der aktuell verfügbaren Satelliten und über
die Information über die Positionsgenauigkeit (PDOP-Positional-Dilution
of precissionlerringerung der Positionsgenauigkeit), die vom Satellitennavigationsempfänger 3, 8 am
Ende des Zeitstrings bereitgestellt wird, kann der Messablauf ereignisgesteuert
modifiziert werden. So lässt sich bei einer länger
andauernden Unterbrechung der Satellitensignale die Datenerfassung
mit dem Laserscanner 2 ebenfalls unterbrechen, da eine Prädiktion
der Trajektorie mit zunehmender Dauer nicht zuverlässig
möglich ist. Zudem kann der aktuelle Systemstand dem Benutzer
permanent mitgeteilt werden.
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Im
Anschluss an die Datenerfassung werden alle Abtastzeitpunkte in
einem gemeinsamen Zeitrahmen überführt. Hierzu
wird die GPS-Zeit verwendet, da die GPS-Beobachtungen bereits in
dieser Zeitskala vorliegen, oder die hieraus abgeleitete UTC-Zeit. Über
das erfasste PPS-Zeitsignal, den dazugehörigen Zeitstempel
und die Abtastzeit aller Sensoren lassen sich alle in Systemzeit
vorliegenden Sensordaten in UTC-Zeit überführen.
Eine eventuelle Driftkorrektur der Systemuhr wird, falls notwendig,
vorgenommen.
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Weiterhin
sind an die Inklinometermessung durch die Neigungsmesser 6a, 6b ebenso
Korrektionen, insbesondere hinsichtlich des Temperatureinflusses
anzubringen. Hierzu werden die Temperaturmessungen des digitalen
Thermometers 7 genutzt, die durch Task 4 auf der
seriellen Schnittstelle erfasst werden. Als Ergebnis dieser Auswertungen
liegen die Profilzeitpunkte sowie die Neigungsmessungen kalibriert
und interpoliert in UTC-Zeit vor.
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Die
in kartesischen Koordinaten vorliegenden Scannerrohdaten werden
zunächst in Polarkoordinaten umgewandelt, um verschiedene
Kalibrierwerte an die Winkel- und Streckenmessung anzubringen. Ebenfalls
ist der Nullpunktversatz der Profile gegenüber der Zenitrichtung
zu berücksichtigen. Das Ergebnis der Profilmessungen sind
kalibrierte 2D-Polarkoordinaten, sowie der Intensitätswert
des vom Objekt zurückgestrahlten Lasersignals. Die Profilzeitpunkte
müssen nur noch um den Nullpunktversatz gegenüber
der Vertikalen und Achsabweichungen korrigiert werden.
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Die
eigentliche Auswertung aller gemessenen Daten erfolgt schließlich
dadurch, dass im Rahmen einer Kalman-Filterung alle Messungen zusammengeführt
und anschließend geglättet werden. Die aus der
differentiellen GPS-Auswertung ermittelten Einzelpositionen der
GPS-Antennen werden mit Hilfe der Kalibierwerte der Fahrzeugplattform
auf das Zentrum des Laserscanners 2 umgerechnet. Diese
Kalibrierwerte können vor oder nach einer Messung im Labor
bestimmt werden. Als Filter kommt in diesem beschriebenen System
ein Kalman-Filter-Algorithmus als rekursives Schätzverfahren
zum Einsatz, der sowohl vorwärts als auch rückwärts
auf die 3D-Trajektorie angewendet wird, die vom Satellitennavigationsempfänger
aufgenommen wurde. Weiterhin werden die Neigungsdaten des Laserscanners 2 sowie die
Kalibrierwerte bei der Filterung berücksichtigt. Die Varianz-Kovarianz-Information
der ausgeglichenen Zustandgrößen aus der Vorwärtsfilterung
wird hierbei für die Rückwärtsfilterung
gespeichert. Im Anschluss daran wird die 3D-Trajektorie durch einen Rauch-Tung-Striebel-Algorithmus
zusätzlich geglättet. Aus diesen gefilterten und
geglätteten Punktpositionen werden im Anschluss die Azimute
des Laserscanners 2 für jeden prädizierten
Zeitpunkt berechnet, um die in den 2D-Einzelprofilen vorhanden Objektpunkte
zusammen mit den Positionen des Laserscanners und den Raumwinkeln
in den 3D-Raum zu transformieren. Als Ergebnis dieser automatischen Prozessierung
wird eine vollständig entzerrte und maßstäbliche
Punktwolke des eingescannten Objektraumes gewonnen.
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Das
Verfahren nutzt das vom Laserscanner 2 erzeugte Rechtecksignal
zur notwendigen hochpräzisen Synchronisierung des Laserscannersystems aus.
Mit Hilfe des Triggersignals des Laserscanners 2 wird der
echtzeitfähige Messrechner 4b präzise
getriggert, so dass dieser weitgehend unabhängig von extern
erzeugten Triggern, wie dem PPS-Signal des GPS-Systems ist. Das
Triggersignal des Laserscanners 2 bestimmt die Abtastzeitpunkte
der weiteren Sensoren wie Satellitennavigationsempfänger 3, 8, Thermometer 7 und
Neigungsmesser 6a, 6b. Die auf diesen gemeinsamen
Triggerzeitpunkt bezogenen Messinformationen können dann
die UTC-Zeit aufgrund der ebenfalls auf die Triggerzeitpunkte bezogenen
PPS-Signale und damit zusammenhängend den mit dem Satellitennavigationsempfänger 3 aufgezeichneten
UTC-Zeiten überführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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