DE102012000831A1 - Target mark for determining spatial layer of scatter diagram obtained from terrestrial laser scanner, has optical reflector and optical center that are coincided with each other and are positioned in geometric portion - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Zielmarken zur Bestimmung der räumlichen Lage von Punktwolken aus terrestrischen Laserscannern, das heißt, zur Bestimmung einer dreidimensionalen Position und/oder von Rotationsparametern als räumliche Lageparameter von terrestrischen Laserscannerpunktwolken. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Messanordnung und ein Verfahren, in denen die erfindungsgemäßen Zielmarken zur Anwendung kommen.The invention relates to target marks for determining the spatial position of point clouds from terrestrial laser scanners, that is, for determining a three-dimensional position and / or rotational parameters as spatial position parameters of terrestrial laser scanner point clouds. Furthermore, the invention relates to a measuring arrangement and a method in which the target marks according to the invention are used.
Das Verfahren soll es durch die Verwendung von speziellen Zielmarken ermöglichen, eine schnelle und zuverlässige Bestimmung der räumlichen Lage von terrestrischen Laserscannern in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem zu erreichen.The method is intended to allow the use of special targets to achieve a rapid and reliable determination of the spatial position of terrestrial laser scanners with respect to a reference coordinate system.
Bei der Erfassung von Punktwolken mit terrestrischen Laserscannern liegen die erfassten Punktwolken für die einzelnen Laserscannerstandorte jeweils in einem eigenen lokalen Koordinatensystem vor. Dieses Koordinatensystem hat im Allgemeinen als Ursprung das Scannerprojektionszentrum. Das euklidische Dreibein dieses Projektionszentrums wird durch eine Vertikalachse, welche häufig durch einen Gravitationssensor in Richtung des Gravitationsvektors am Laserscannerstandort ausgerichtet ist, und zwei jeweils in ihrer Richtung unbestimmte orthogonale Achsenvektoren definiert. Für die überwiegende Anzahl von Anwendungen sind die einzelnen lokalen Scannerkoordinatensysteme in ein übergeordnetes gemeinsames Referenzkoordinatensystem zu überführen, was gemeinhin auch als Registrierung bezeichnet wird. Diese Transformation wird durch die dreidimensionale räumliche Lage, bestehend aus drei Positions- und drei Rotationsparametern, repräsentiert.When capturing point clouds with terrestrial laser scanners, the captured point clouds for the individual laser scanner locations are each available in a separate local coordinate system. This coordinate system generally has as its origin the scanner projection center. The Euclidean tripod of this projection center is defined by a vertical axis, which is often aligned by a gravitational sensor in the direction of the gravitational vector at the laser scanner location, and two orthogonal axis vectors, each in their direction. For the vast majority of applications, the individual local scanner coordinate systems must be moved to a higher-level common reference coordinate system, commonly referred to as registration. This transformation is represented by the three-dimensional spatial position consisting of three positional and three rotational parameters.
Die Bestimmung dieser Transformationsparameter wird üblicherweise durch die Detektion korrespondierender Zielmarken erreicht. In der Vergangenheit haben sich hierfür sowohl ebene optische Zielmarken als auch voluminetrische Zielmarken, häufig Kugeln, etabliert. Die Zielmarken müssen für eine hinreichende Genauigkeit zur Bestimmung der Transformationsparameter eine günstige räumliche Verteilung aufweisen.The determination of these transformation parameters is usually achieved by the detection of corresponding target marks. In the past, both planar optical targets and volumetric targets, often bullets, have become established for this purpose. The targets must have a favorable spatial distribution for sufficient accuracy to determine the transformation parameters.
Die Scannerpositionen werden zum Teil auch über das Verfahren der Zwangszentrierung bestimmt. Dazu wird der Laserscanner auf einem Dreifuß zentriert. Nach dem Scannen der lokalen Punktwolke wird der Scanner entfernt und durch einen optischen Reflektor ersetzt. Die Position des Reflektors wird anschließend mit einem geodätischen Tachymeter Totalstation), welcher zuvor zum Beispiel durch das Verfahren der freien Stationierung in ein übergeordnetes Koordinatensystem eingepasst wurde, durch polares Anhängen bestimmt. Als Variation existiert eine Haltevorrichtung mit zwei Reflektoren, wobei diese so befestigt sind, dass die Mitte zwischen den Reflektoren dem Scannerzentrum entspricht.The scanner positions are also partly determined by the method of forced centering. For this, the laser scanner is centered on a tripod. After scanning the local point cloud, the scanner is removed and replaced with an optical reflector. The position of the reflector is then determined with a geodetic tachymeter total station), which was previously fitted, for example, by the method of free stationing in a higher-level coordinate system, by polar attachment. As a variation, there is a holding device with two reflectors, which are fixed so that the center between the reflectors corresponds to the scanner center.
Diese Verfahren können jedoch nur die räumliche Position des Laserscanners direkt bestimmen. Die räumliche Rotation muss weiterhin über Zielmarken ermittelt werden, deren Lagen im Raum ebenfalls durch das Tachymeter bestimmbar sind.However, these methods can only directly determine the spatial position of the laser scanner. The spatial rotation must continue to be determined using targets whose positions in the room can also be determined by the tachymeter.
Die fortschrittlichsten derzeit am Markt verfügbaren Verfahren beanspruchen für sich, ganz ohne künstliche Zielmarken auszukommen. Dazu werden natürliche Merkmale in der Punktwolke, wie markante Punkte, Kantenstrukturen oder Ebenen, verwendet. Diese Verfahren versagen jedoch, wenn keine ausreichende Anzahl dieser natürlichen Merkmale vorhanden ist und insbesondere, wenn die Anzahl der Scannerpositionen relativ groß ist. Die automatische Zuordnung beziehungsweise Identifikation dieser Merkmale zwischen den einzelnen Scannerpositionen misslingt insbesondere, wenn wiederholte Strukturen in der Szene auftreten. Dies trifft zum Beispiel üblicherweise bei Gebäudekomplexen zu.The most advanced processes currently available on the market claim to operate without any artificial targets. For this purpose, natural features in the point cloud, such as prominent points, edge structures or planes, are used. However, these methods fail when there is not a sufficient number of these natural features, and especially when the number of scanner positions is relatively large. The automatic assignment or identification of these features between the individual scanner positions fails in particular if repeated structures occur in the scene. This usually applies, for example, to building complexes.
Die
In dieser Lösung sind jedoch die Eigenschaften der Kodierung in der Anzahl der Zielmarken beschränkt. Weiterhin sind die Zielmarken über die gesamte zu erfassende Szene zu verteilen und zu fixieren, so dass diese während der einzelnen Scans ihre Position unverändert lassen müssen. Die Zielmarken können nur unter eingeschränktem Blickwinkel und in kürzerer Distanz erfasst werden.In this solution, however, the characteristics of encoding are limited in the number of targets. Furthermore, the targets are distributed over the entire scene to be captured and fixed, so that they must leave their position unchanged during each scan. The targets can only be detected at a limited angle and at a shorter distance.
Die
Die Verwendung von unterschiedlichen geometrischen Körpern ist hinsichtlich deren Anzahl beschränkt, was in der Natur der Sache liegt. Der Gegenstand der oben genannten Offenlegungsschrift löst nicht das Problem der Zuordnung bei der Registrierung. Da die Zuordnung zwischen den einzelnen Scannerstandpunkten erfolgt, akkumuliert sich der Registrierungsfehler insgesamt.The use of different geometric bodies is limited in number, which is the nature of the case. The subject-matter of the above-mentioned publication does not solve the problem of the assignment during registration. Since the assignment is made between the individual scanner standpoints, the total registration error accumulates.
Die
In der
Hierbei sind jedoch hinreichend genaue Näherungskoordinaten sowie eine ausreichend geometrische Struktur in der Szene erforderlich. Das Verfahren ist hinsichtlich der Rechenzeit sehr aufwändig. Da auch hier die Zuordnung zwischen den einzelnen Scannerstandpunkten erfolgt, akkumuliert sich der Registrierungsfehler insgesamt.In this case, however, sufficiently accurate approximation coordinates as well as a sufficient geometric structure in the scene are required. The method is very complex in terms of computing time. Since the assignment between the individual scanner standpoints also takes place here, the total registration error accumulates.
Ein Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Szene mittels eines Laserscanners ist aus der
Die Zuordnung der Targets erfolgt manuell. Auch hier besteht der Nachteil, dass die Zuordnung zwischen den einzelnen Scannerstandpunkten erfolgt, womit sich der Registrierungsfehler insgesamt akkumuliert.The assignment of the targets is done manually. Again, there is the disadvantage that the assignment between the individual scanner standpoints takes place, whereby the total registration error accumulates.
Derzeit ist die Bestimmung der Transformationsparameter bei der Verarbeitung von terrestrischen Laserscannerpunktwolken ein aufwändiger und fehleranfälliger Prozess und erfordert daher überwiegend Spezialisten. Neben der Detektion der Zielmarken in den einzelnen Scans, was derzeit schon mit hinreichender Zuverlässigkeit weitgehend automatisch erfolgt, ist die Zuordnung der korrespondierenden Zielmarken zwischen den einzelnen Scans ein noch oftmals zeitaufwändiges Verfahren. Dies erfordert sehr häufig manuelle Interaktion bei der Zuordnung, das heißt, Identifikation durch Zuordnung einer eindeutigen ID. Um diese Identifikation weitgehend automatisch durchzuführen, verwenden die neuesten Verfahren dafür eindeutige optische Marker, zum Beispiel Barcodes oder Ringcodes.At present, the determination of the transformation parameters in the processing of terrestrial laser scanner point clouds is a complex and error-prone process and therefore requires mainly specialists. In addition to the detection of the target marks in the individual scans, which is currently largely automatic with sufficient reliability, the assignment of the corresponding target marks between the individual scans is often a time-consuming process. This very often requires manual interaction in the mapping, that is, identification by assigning a unique ID. In order to carry out this identification largely automatically, the latest methods use unique optical markers, for example barcodes or ring codes.
Es hat sich jedoch in der Vergangenheit gezeigt, dass eine weitgehende Automatisierung dieses Verarbeitungsschrittes sehr schwierig, zeitlich aufwändig und fehleranfällig ist. Die Reduzierung des Aufwandes und Vereinfachung für diesen Arbeitsschritt würde einen signifikanten ökonomischen Mehrwert aufgrund a) der Nutzung von Laserscannerdaten durch einen Nichtspezialisten und b) durch einen geringeren zeitlichen Aufwand darstellen.However, it has been shown in the past that extensive automation of this processing step is very difficult, time-consuming and error-prone. The reduction of effort and simplification for this step would be a significant economic Adding value due to a) the use of laser scanner data by a non-specialist and b) a lower time expenditure.
Mit den derzeit bekannten Verfahren ergibt sich der überwiegende Aufwand durch das Anbringen ausreichender Zielmarken in der zu scannenden Umgebung und die nachträgliche manuelle Identifikation und Fehlerbereinigung der automatischen Vorprozessierung. Durch die rasante Verbreitung der Laserscannertechnik in unterschiedlichen Branchen, wie in der Architektur, Archäologie, im Bau- und Transportwesen, in der Wertstofflagerung und Wertstoffförderung sowie in der Schwerindustrie, besteht ein Bedürfnis der Verarbeitung der Punktwolken auch durch Nichtspezialisten.With the currently known methods, the overwhelming effort results from the provision of sufficient targets in the environment to be scanned and the subsequent manual identification and error correction of the automatic preprocessing. Due to the rapid spread of laser scanner technology in various sectors, such as in architecture, archeology, construction and transport, in the storage of valuable materials and the transport of valuable materials as well as in heavy industry, there is a need to process the point clouds by non-specialists.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines effizienten und wirtschaftlichen Verfahrens zur Bestimmung der räumlichen Lage einer durch einen Laserscanner aufgenommenen Punktwolke in einem übergeordneten Koordinatensystem.The object of the invention is to provide an efficient and economical method for determining the spatial position of a point cloud recorded by a laser scanner in a superordinate coordinate system.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch Zielmarken nach den Ansprüchen 1 bis 6 gelöst. Es handelt sich dabei gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung um eine Zielmarke zur Bestimmung einer dreidimensionalen Position und/oder von Rotationsparametern als räumliche Lageparameter von terrestrischen Laserscannerpunktwolken, die jeweils aus einem geometrischen Körper mit definiertem geometrischen Zentrum und einem optischen Reflektor mit eindeutig bestimmbarem optischen Zentrum besteht, wobei das geometrische und das optische Zentrum koinzidieren und/oder die relativen Lagen der Zentren zum geometrischen Körper bekannt sind.According to a first aspect of the invention, this object is achieved by targets according to
Gemäß einer alternativen Lösung der Aufgabe der Erfindung besteht eine Zielmarke zur Bestimmung einer dreidimensionalen Position und/oder von Rotationsparametern als räumliche Lageparameter von terrestrischen Laserscannerpunktwolken aus einem geometrischen Körper mit definiertem geometrischen Zentrum und einer Antenne mit elektromagnetischem Phasenzentrum zur Ortsbestimmung, wobei das geometrische Zentrum und das Phasenzentrum koinzidieren und/oder die relativen Lagen der Zentren zum geometrischen Körper bekannt sind.According to an alternative solution of the object of the invention, there is a target for determining a three-dimensional position and / or rotational parameters as spatial position parameters of terrestrial laser scanner point clouds of a geometric body with a defined geometric center and an antenna with electromagnetic phase center for location, wherein the geometric center and the Coincide phase center and / or the relative positions of the centers to the geometric body are known.
Die voluminetrischen Zielmarken mit integriertem optischen Reflektor oder Antenne mit elektromagnetischem Phasenzentrum bestehen, wie bereits erwähnt, aus einem geometrischen Körper mit eindeutig bestimmbarem geometrischen Zentrum. Eine vorteilhafte Ausführung für den geometrischen Körper stellt hier eine Kugel mit beliebigem Radius dar. Ein optischer Reflektor, wie er in der tachymetrischen Messung üblicherweise zum Einsatz kommt, besitzt ebenfalls ein optisches Zentrum. Bevorzugte Ausführungen des optischen Reflektors bestehen in einem Reflektionsprisma oder in einer optischen Zielmarke mit definiertem optischen Zentrum.The volumetric targets with integrated optical reflector or antenna with electromagnetic phase center consist, as already mentioned, of a geometric body with a clearly determinable geometric center. An advantageous embodiment for the geometric body here represents a ball with any radius. An optical reflector, as is commonly used in the tachymetric measurement, also has an optical center. Preferred embodiments of the optical reflector consist in a reflection prism or in an optical target with a defined optical center.
Im Falle der Verwendung von Antennen zur Ortung aus elektromagnetischen Signalen muss das elektromagnetische Phasenzentrum bekannt und die Empfangbarkeit der elektromagnetischen Signale sichergestellt sein.In the case of using antennas for locating electromagnetic signals, the electromagnetic phase center must be known and the reception of the electromagnetic signals ensured.
Eine vorteilhafte Kombination des geometrischen Körpers und der voluminetrischen Zielmarke besteht in der Weise, dass die jeweiligen Zentren koinzidieren, das heißt, in einem Punkt zusammentreffen. Alternativ kann über eine bekannte Exzentrizität zwischen den Zentren aus der Messung des Reflektor- oder Antennen-Zentrums auf das geometrische Zentrum des Messkörpers geschlossen werden. Im Falle, dass die voluminetrische Zielmarke innerhalb des geometrischen Körpers liegt, ist die Sichtbarkeit des optischen Reflektors beziehungsweise die Empfangbarkeit von elektromagnetischen Signalen durch eine Öffnung in der Oberfläche des geometrischen Körpers sicherzustellen. Ob für den Empfang von elektromagnetischen Signalen bei Anwendung einer Antenne mit elektromagnetischem Phasenzentrum zur Ortsbestimmung innerhalb der Zielmarke eine Öffnung notwendig ist, hängt vom Material des geometrischen Körpers ab. Insbesondere bei der Anwendung von Kunststoff als Material für den geometrischen Körper ist keine Öffnung erforderlich.An advantageous combination of the geometric body and the volumetric target is such that the respective centers coincide, that is, coincide in one point. Alternatively, it is possible to deduce a known eccentricity between the centers from the measurement of the reflector or antenna center on the geometric center of the measuring body. In the event that the volumetric target is within the geometric body, the visibility of the optical reflector or the reception of electromagnetic signals through an opening in the surface of the geometric body is to ensure. Whether an opening is necessary for the reception of electromagnetic signals when using an antenna with electromagnetic phase center for location within the target depends on the material of the geometric body. In particular, in the application of plastic as a material for the geometric body no opening is required.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Zielmarken unterschiedliche farbliche Markierungen auf und/oder werden mit optischen Kodes versehen, um eine nachträgliche Kontrolle der Ergebnisse zu vereinfachen.In a further advantageous embodiment of the invention, the target marks have different color markings and / or are provided with optical codes in order to simplify a subsequent control of the results.
Die Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zur Bestimmung einer dreidimensionalen Position und/oder von Rotationsparametern als räumliche Lageparameter von terrestrischen Laserscannerpunktwolken gelöst, bei dem in den folgenden Verfahrensschritten a1 bis a4
- a1) über die Identifikation von mindestens zwei jeweils einen geometrischen Körper bildenden Zielmarken in den lokalen Punktwolken der jeweiligen Laserscannerstandorte, die jeweils ein definiertes geometrisches Zentrum und einen integrierten optischen Reflektor mit bekanntem optischen Zentrum aufweisen, sowie über die Kenntnis der jeweiligen relativen Lage des integrierten optischen Reflektors und des optischen Zentrums zum geometrischen Körper und
- a2) über eine Messung der Position der optischen Reflektoren in einem übergeordneten Referenzkoordinatensystem
- a3) die Zuordnung der in den lokalen Laserscannerpunktwolken bestimmten geometrischen Körper zu den optischen Reflektoren über eine Befolgung eines Aufnahmemusters/einer Reihenfolge oder über die Identität der relativen Lage der mindestens zwei Zielmarken zueinander im lokalen Scannerkoordinatensystem und im Referenzkoordinatensystem gelöst wird und
- a4) daraus Transformationsparameter der lokalen Laserscannerpunktwolke in das übergeordnete Referenzkoordinatensystem rechentechnisch bestimmt werden.
- a 1 ) on the identification of at least two each forming a geometric body targets in the local point clouds of the respective laser scanner locations, each having a defined geometric center and an integrated optical reflector having a known optical center, and on the knowledge of the respective relative position of the integrated optical reflector and the optical center to the geometric body and
- a 2 ) via a measurement of the position of the optical reflectors in a higher reference coordinate system
- a 3 ) the assignment of the geometrical determined in the local laser scanner point clouds Body is resolved to the optical reflectors by following a recording pattern / sequence or the identity of the relative position of the at least two targets to each other in the local scanner coordinate system and in the reference coordinate system, and
- a 4 ) transformation parameters of the local laser scanner point cloud into the superordinate reference coordinate system can be computationally determined.
Alternativ wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Bestimmung einer dreidimensionalen Position und/oder von Rotationsparametern als räumliche Lageparameter von terrestrischen Laserscannerpunktwolken gelöst, bei dem in den Verfahrensschritten b1 bis b4
- b1) über die Identifikation von mindestens zwei jeweils einen geometrischen Körper bildenden Zielmarken in den lokalen Punktwolken der jeweiligen Laserscannerstandorte, die jeweils ein definiertes geometrisches Zentrum und eine integrierte Antenne mit elektromagnetischem Phasenzentrum zur Ortsbestimmung aufweisen, sowie über die Kenntnis der jeweiligen relativen Lage der integrierten Antenne und des Antennen-Phasenzentrums zum geometrischen Körper und
- b2) über eine Messung der Position des Antennen-Phasenzentrums in einem übergeordneten Referenzkoordinatensystem
- b3) die Zuordnung der in den lokalen Laserscannerpunktwolken bestimmten geometrischen Körper zu dem Antennen-Phasenzentrum über eine Befolgung eines Aufnahmemusters/einer Reihenfolge oder über die Identität der relativen Lage der mindestens zwei Zielmarken zueinander im lokalen Scannerkoordinatensystem und im Referenzkoordinatensystem gelöst wird und
- b4) daraus Transformationsparameter der lokalen Laserscannerpunktwolke in das übergeordnete Referenzkoordinatensystem rechentechnisch bestimmt werden.
- b 1 ) on the identification of at least two each forming a geometric body targets in the local point clouds of the respective laser scanner locations, each having a defined geometric center and an integrated antenna with electromagnetic phase center for location determination, and on the knowledge of the respective relative position of the integrated Antenna and the antenna live center to the geometric body and
- b 2 ) via a measurement of the position of the antenna phase center in a higher reference coordinate system
- b 3 ) the assignment of the geometrical bodies determined in the local laser scanner point clouds to the antenna phase center is achieved by following a recording pattern / sequence or by the identity of the relative position of the at least two target marks relative to one another in the local scanner coordinate system and in the reference coordinate system, and
- b 4 ) from this, transformation parameters of the local laser scanner point cloud into the higher-order reference coordinate system are determined by computation.
Die voluminetrischen Zielmarken werden somit durch ein automatisches Verfahren in den lokalen Punktwolken detektiert, wobei darüber dann die räumliche Transformation in das übergeordnete Referenzkoordinatensystem direkt bestimmt wird. Die direkte Bestimmung der räumlichen Lagen mit räumlicher Position und Rotation verbessert die Wirtschaftlichkeit des entsprechenden Verfahrens. Gemäß der Konzeption der Erfindung erfolgt eine Identifikation der erfindungsgemäßen Zielmarken demzufolge schon während der Aufnahme. Unter Befolgung eines Aufnahmemusters wird zum Beispiel verstanden, dass die Messungsreihenfolge der Zielmarken im Referenzkoordinatensystem von der Zielmarke mit der größten Entfernung bis zur Zielmarke mit der kleinsten Entfernung zum Scannerstandort sortiert ist. Die Sortierung der Reihenfolge der automatisch detektierten Zielmarken im lokalen Scannerkoordinatensystem erfolgt über die Distanzen automatisch.The volumetric target marks are thus detected by an automatic method in the local point clouds, wherein then the spatial transformation is directly determined in the parent reference coordinate system. The direct determination of the spatial positions with spatial position and rotation improves the economic efficiency of the corresponding method. According to the conception of the invention, an identification of the targets according to the invention consequently takes place during the recording. By following a pickup pattern, it is understood, for example, that the measurement order of the targets in the reference coordinate system is sorted from the target with the greatest distance to the target with the shortest distance to the scanner location. The order of the automatically detected targets in the local scanner coordinate system is sorted automatically over the distances.
Eine Identifikation über die lokale räumliche Lage kann bei mindestens drei Zielmarken über den automatischen Vergleich der Dreiecksbeziehung der aus den Zielmarken gebildeten Dreiecke im Referenzkoordinatensystem sowie im lokalen Scannerkoordinatensystem bezüglich der Strecken und/oder Winkel erfolgen. Alle Schritte erfolgen unter Verwendung einer Recheneinheit.Identification via the local spatial position can take place with at least three target marks via the automatic comparison of the triangular relationship of the triangles formed from the target marks in the reference coordinate system and in the local scanner coordinate system with respect to the distances and / or angles. All steps are done using a computational unit.
Die zusätzliche Verwendung von alternativen Zielmarken, das heißt, von ebenen optischen Zielmarken oder voluminetrischen Körpern ohne integrierte Antenne beziehungsweise Reflektor, ist nicht ausgeschlossen. Da über das in dieser Erfindung beschriebene Verfahren hinreichend genaue Transformationsparameter bestimmt werden können, ist die Identifikation weiterer, alternativer Zielmarken über deren Näherungskoordinaten eindeutig realisierbar.The additional use of alternative targets, that is, planar optical targets or volumetric bodies without integrated antenna or reflector, is not excluded. Since sufficiently precise transformation parameters can be determined via the method described in this invention, the identification of further, alternative targets via their proximity coordinates can be realized unambiguously.
Die Erfindung löst das Problem der räumlichen Lagebestimmung von Punktwolken aus terrestrischen Laserscannern durch direkte Bestimmung der Transformationsparameter mit Hilfe einer Messanordnung nach den Ansprüchen 10 bis 14.The invention solves the problem of the spatial position determination of point clouds from terrestrial laser scanners by direct determination of the transformation parameters with the aid of a measuring arrangement according to
Eine erfindungsgemäße Messanordnung zur Bestimmung einer dreidimensionalen Position und/oder von Rotationsparametern als räumliche Lageparameter von terrestrischen Laserscannerpunktwolken umfasst
- – im Falle einer bekannten, durch das Scannerprojektionszentrum des Laserscanners verlaufenden Vertikalachse mindestens zwei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zielmarken mit integriertem optischen Reflektor oder Antenne mit elektromagnetischem Phasenzentrum,
- – wenn die Vertikalachse nicht bekannt ist, mindestens drei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zielmarken mit integriertem optischen Reflektor oder Antenne mit elektromagnetischem Phasenzentrum,
- – eine Einheit für die Positionsbestimmung der optischen Reflektoren oder der elektromagnetischen Phasenzentren der Zielmarken im übergeordneten Referenzkoordinatensystem und
- – eine Recheneinheit, die für die Aufnahme und Verarbeitung der lokalen zentrischen Koordinaten der geometrischen Körper der Zielmarken in den lokalen Scannerkoordinatensystemen und von mit der Einheit für die Positionsbestimmung der optischen Reflektoren oder der elektromagnetischen Phasenzentren der Zielmarken im übergeordneten Referenzkoordinatensystem ermittelten Daten vorgesehen ist und entsprechende Datenverbindungen aufweist.
- In the case of a known vertical axis passing through the scanner projection center of the laser scanner, at least two of the above-described inventive targets having an integrated optical reflector or antenna having an electromagnetic phase center,
- If the vertical axis is not known, at least three of the above-described inventive targets with integrated optical reflector or electromagnetic phase center antenna,
- A unit for determining the position of the optical reflectors or the electromagnetic phase centers of the target marks in the higher-order reference coordinate system and
- - A computing unit, which is provided for the recording and processing of the local centric coordinates of the geometric bodies of the targets in the local scanner coordinate systems and determined by the unit for determining the position of the optical reflectors or the electromagnetic phase centers of the targets in the parent reference coordinate system data and corresponding data connections having.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Messanordnung ist am geometrischen Körper der Zielmarke mindestens ein Anschlussadapter ausgebildet, mit dem der geometrische Körper einer Zielmarke an beliebigen Haltevorrichtungen fixiert werden kann. Bevorzugt werden als Anschlussadapter magnetische Anschlussadapter, Schraub- oder Steckadapter angewendet. In an advantageous embodiment of the measuring arrangement at least one connection adapter is formed on the geometric body of the target, with which the geometric body of a target can be fixed to any holding devices. Magnetic connection adapters, screwed or plug-in adapters are preferably used as connection adapters.
Zur Vereinfachung der Messanordnung beinhaltet diese gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Haltevorrichtung für mindestens eine erfindungsgemäße voluminetrische Zielmarke. Die Haltevorrichtung fixiert die voluminetrische Zielmarke während des Scanvorgangs und der tachymetrischen Aufnahme beziehungsweise einer Positionsbestimmung des elektromagnetischen Phasenzentrums, zum Beispiel mit elektromagnetischen Signalen (EM-Ortung), räumlich. Somit kann die Ortsbestimmung der voluminetrischen Zielmarke mit dem Tachymeter oder über eine EM-Ortung während der Erfassung der Punktwolke mit dem Laserscanner erfolgen.In order to simplify the measuring arrangement, according to an advantageous embodiment, this includes a holding device for at least one volumetric target mark according to the invention. The holding device fixes the voluminetric target during the scanning process and the tachymetric recording or a position determination of the electromagnetic phase center, for example, with electromagnetic signals (EM location), spatially. Thus, the location of the volumetric target can be done with the tachymeter or via an EM-location during the detection of the point cloud with the laser scanner.
Die Haltevorrichtung zur Vereinfachung der Messkonfiguration für die voluminetrische Zielmarke kann dabei außer aus einem Adapter zum Laserscannerfuß unter anderem auch aus dem Laserscannerträger bestehen, welcher häufig ein Dreibeinstativ ist, mit mindestens einem Auslegerarm beliebiger Länge und mindestens einem Adapter zur Fixierung einer voluminetrischen Zielmarke.The holding device for simplifying the measurement configuration for the volumetric target mark can consist, inter alia, of the laser scanner carrier, which is often a tripod, with at least one cantilever arm of any length and at least one adapter for fixing a voluminetric target mark.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die voluminetrische Zielmarke über den Anschlussadapter mit dem Laserscannerfuß oder mit einer vergleichbaren Halterung, wie einer Stativhalterung, verbunden. Der Anschlussadapter korrespondiert dabei vorzugsweise mit einem weiteren Adapter, wobei dieser Adapter Teil der oben genannten Haltevorrichtung ist, die neben dem Adapter einen mit dem Adapter verbundenen Adapterarm beziehungsweise Auslegearm umfasst. Über diesen Adapterarm kann mindestens eine Zielmarke jeweils durch eine Verbindung mit dem Laserscannerfuß oder mit einer Halterung räumlich fixiert werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the voluminetric target mark is connected via the connection adapter with the laser scanner foot or with a comparable holder, such as a tripod holder. The connection adapter preferably corresponds with a further adapter, this adapter being part of the abovementioned holding device, which, in addition to the adapter, comprises an adapter arm or extension arm connected to the adapter. At least one target can be spatially fixed in each case via a connection to the laser scanner foot or with a holder via this adapter arm.
Die Genauigkeit der zu bestimmenden Transformationsparameter hängt von der geometrischen Anordnung der Zielmarken ab. Eine für eine hohe Genauigkeit vorteilhafte Ausführung des Verfahrens beinhaltet mindestens eine Zielmarke in unmittelbarer Nähe des Laserscannerstandortes und mindestens eine Zielmarke in größerer Distanz zum Laserscannerstandort. Erstere garantiert eine hohe Präzision in der Lagebestimmung des Laserscannerstandortes, letztere in der Rotationsbestimmung.The accuracy of the transformation parameters to be determined depends on the geometric arrangement of the target marks. An embodiment of the method which is advantageous for high accuracy includes at least one target in the immediate vicinity of the laser scanner location and at least one target at a greater distance from the laser scanner location. The former guarantees high precision in determining the position of the laser scanner location, the latter in the rotation determination.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die Haltevorrichtung zur Vereinfachung der Messkonfiguration mit zwei Zielmarken mit kleinem Durchmesser und mindestens einer Zielmarke als Fernziel mit großem Durchmesser verwendet. Um eine nachträgliche Kontrolle der Ergebnisse zu vereinfachen, können die Zielmarken unterschiedlich farblich markiert oder mit optischen Kodes versehen werden.In a particularly advantageous embodiment, the holding device is used to simplify the measurement configuration with two small-diameter targets and at least one target as a large-diameter long-range target. In order to facilitate a subsequent control of the results, the targets can be marked in different colors or provided with optical codes.
Die oben genannten voluminetrischen Zielmarken werden in der Ausführungsform des Verfahrens beziehungsweise in der Messanordnung, in der optische Reflektoren verwendet werden, vorzugsweise durch ein Tachymeter als Totalstation, in ihrer räumlichen Position bestimmt.The above-mentioned volumetric target marks are determined in the embodiment of the method or in the measuring arrangement in which optical reflectors are used, preferably in their spatial position by a total station tachymeter.
In der Ausführungsform des Verfahrens beziehungsweise der Messanordnung, bei der eine Antenne mit elektromagnetischem Phasenzentrum verwendet wird, die zum Beispiel bei der GPS- oder WLAN-Ortung zum Einsatz kommt, werden die voluminetrischen Zielmarken vorzugsweise über die Positionsbestimmung mit elektromagnetischen Signalen (EM-Ortung) beziehungsweise über eine entsprechend dafür vorgesehene Einheit bestimmt.In the embodiment of the method or the measuring arrangement in which an antenna with electromagnetic phase center is used, which is used, for example, in GPS or WLAN localization, the volumetric target marks are preferably determined by determining the position with electromagnetic signals (EM locating). or determined via a correspondingly intended unit.
Die Bestimmung der räumlichen Lage erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in den folgenden zwei Schritten: im ersten Schritt werden die geometrischen Körper in den Punktwolken der jeweiligen Laserscannerstandorte identifiziert. In einem zweiten Schritt werden über die aus der tachymetrischen Bestimmung der optischen Reflektoren oder aus der Messung der Position des Antennen-Phasenzentrums, zum Beispiel durch EM-Ortung, ermittelten Zentren im übergeordneten Referenzkoordinatensystem und den lokalen zentrischen Koordinaten der Körper im Scannerkoordinatensystem mittels der mathematischen Beziehung
- a) Aufstellen und Lösen eines linearen Gleichungssystems, welches wiederum von der Repräsentation der Variablen abhängt, oder
- b) ein Optimierungsverfahren
- a) establishing and solving a linear system of equations, which in turn depends on the representation of the variables, or
- b) an optimization method
Die Zuordnung der geometrischen Körperzentren zu den im zweiten Schritt bestimmten Zentren erfolgt entweder über eine Befolgung eines Aufnahmemusters/einer Reihenfolge oder über die Identitäten der lokalen geometrischen relativen Lage wie bereits beschrieben. The assignment of the geometric body centers to the centers determined in the second step takes place either by following a recording pattern / order or by the identities of the local geometric relative position as already described.
Zusammenfassend ergeben sich gegenüber den Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik folgende wesentliche Vorteile:
- • Es ist keine nachträgliche, zeitlich aufwändige Identifikation von Zielmarken erforderlich.
- • Die Transformationsparameter können direkt für jede Scanneraufnahme unabhängig bestimmt werden.
- • Es gibt keine Einschränkung für die Verwendung von zusätzlichen klassischen Zielmarken zur Genauigkeitssteigerung, wobei keine manuelle Identifikation dieser notwendig ist.
- • Das beschriebene Verfahren nutzt inhärent die genauigkeitssteigernden Vorteile der geodätischen Zwangszentrierung.
- • No subsequent, time-consuming identification of target marks is required.
- • The transformation parameters can be independently determined directly for each scanner image.
- • There is no limit to the use of additional classic accuracy enhancement targets, with no manual identification necessary.
- • The method described inherently uses the accuracy-enhancing advantages of geodetic forced centering.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Die
Da gemäß dem in
Die
In
Die
Die
Die Messanordnung
Das Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Position und/oder von Rotationsparametern als räumliche Lageparameter von terrestrischen Laserscannerpunktwolken umfasst im Wesentlichen die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte a1 bis a4. Mittels einer Messanordnung
- a1) über die Identifikation der drei jeweils einen geometrischen Körper
3 bildenden Zielmarken 1 , die jeweils ein definiertes geometrischesZentrum 4 und einen integrierten optischen Reflektor2 mitbekanntem optischen Zentrum 5 aufweisen, in den Punktwolken der jeweiligen Laserscannerstandorte13 sowie über die Kenntnis der jeweiligen relativen Lage des optischen Reflektors2 und des optischen Zentrums5 zum geometrischen Körper3 und - a2) über eine Messung der Position der optischen Reflektoren
2 im übergeordneten Referenzkoordinatensystem 19 - a3) die Zuordnung der in den lokalen Laserscannerpunktwolken bestimmten geometrischen Körper
3 zuden optischen Reflektoren 2 gelöst und - a4) daraus Transformationsparameter der lokalen Laserscannerpunktwolke in
das übergeordnete Referenzkoordinatensystem 19 unter Anwendung einer in5 nicht dargestellten Recheneinheit rechentechnisch bestimmt.
- a 1 ) on the identification of the three each a
geometric body 3 formingtarget marks 1 , each a definedgeometric center 4 and an integratedoptical reflector 2 with knownoptical center 5 in the point clouds of the respectivelaser scanner locations 13 as well as the knowledge of the relative position of theoptical reflector 2 and theoptical center 5 to thegeometric body 3 and - a 2 ) via a measurement of the position of the
optical reflectors 2 in the higher-level reference coordinatesystem 19 - a 3 ) the assignment of the determined in the local laser scanner point clouds
geometric body 3 to theoptical reflectors 2 solved and - a 4 ) from this transformation parameter of the local laser scanner point cloud in the parent reference coordinate
system 19 using an in5 Computing unit, not shown computationally determined.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zielmarketarget
- 1a1a
- Zielmarketarget
- 1b1b
- Zielmarke, FernzielmarkeTarget mark, remote target mark
- 22
- optischer Reflektor, Reflektionsprisma, Antenneoptical reflector, reflection prism, antenna
- 33
- geometrischer Körper, Kugelgeometric body, sphere
- 44
- geometrisches Zentrum, voluminetrisches geometrisches Zentrumgeometric center, voluminetric geometric center
- 55
- optisches Zentrum, Phasenzentrum, Antennen-Phasenzentrumoptical center, phase center, antenna phase center
- 66
- Öffnung (für Sicht beziehungsweise Empfang)Opening (for view or reception)
- 77
-
Anschlussadapter, Adapter am geometrischen Körper
3 Connection adapter, adapter on thegeometric body 3 - 88th
- Haltevorrichtungholder
- 99
-
Adapter (der Haltevorrichtung
8 ), Adapter am Adapterarm10 , KugelhalterungenAdapter (the holding device8th ), Adapter on theadapter arm 10 , Ball mounts - 9a9a
- senkrechter Vorsprungvertical projection
- 1010
- Auslegearm, AdapterarmExtension arm, adapter arm
- 11 11
- Halterung, StativhalterungBracket, tripod mount
- 1212
- Messanordnungmeasuring arrangement
- 1313
- Laserscanner, LaserscannerstandortLaser scanner, laser scanner location
- 1414
- LaserscannerstativLaser scanner tripod
- 1515
- ScannerkoordinatensystemScanner coordinate system
- 1616
- ScannerprojektionszentrumScanner projection center
- 1717
- Vertikalachsevertical axis
- 1818
-
orthogonale Achsenvektoren (des euklidischen Dreibeins des Scannerprojektionszentrums
16 vom Scannerkoordinatensystem15 )orthogonal axis vectors (of the Euclidean tripod of thescanner projection center 16 from the scanner coordinate system15 ) - 1919
- ReferenzkoordinatensystemReference coordinate system
- 2020
-
Einheit für die Positionsbestimmung der optischen Reflektoren
2 oder der elektromagnetischen Phasenzentren der Zielmarken1 , TachymeterUnit for the position determination of theoptical reflectors 2 or the electromagnetic phase centers of the target marks1 , Tachymeter - 2121
- TachymeterstativTachymeterstativ
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R082 | Change of representative |
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20130806 |