-
Die Erfindung betrifft einen Laserscanner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Vermessen eines Objektes mittels eines derartigen Scanners.
-
Die 3D-Vermessung von Objekten mit Hilfe von Laserscannern gewinnt in der Praxis zunehmend an Bedeutung. Bei komplexen oder schwierig zugänglichen Objekten werden stets mehrere Laserscans nacheinander von unterschiedlichen Standpunkten aufgenommen und in einem gemeinsamen Projektordner abgespeichert, die dann in ein gemeinsames übergeordnetes Koordinatensystem überführt werden müssen. Dieser Prozess wird als „Registrierung“ bezeichnet. Zur Berechnung der Transformationen der einzelnen Standpunkte in das übergeordnete Koordinatensystem ist es erforderlich, einzelne, im übergeordneten System bekannte Punkte in den jeweiligen Scans zu finden und über deren Lage eine Transformation zu errechnen, die dann auf die gesamte Punktwolke angewendet wird.
-
Die Lage der gesuchten Punkte im Scann muss des Weiteren sehr genau bekannt sein, da sich sonst die Transformation nicht korrekt berechnen lässt und die Lage der verschiedenen Laserscans, sowohl zueinander als auch zum übergeordneten Koordinatensystem, nur mit geringer Genauigkeit gegeben sind. Aus diesem Grund werden bisher – wie in der
DE 10 2008 034 198 B4 der Anmelderin beschrieben – in der zu vermessenden Umgebung eine Vielzahl von Targets aufgebracht, auf denen eine Kennzeichnung, beispielsweise eine laufende Nummer zu Identifikation aufgedruckt ist, die bei der Auswertung manuell erfasst wird. Alle Targets müssen in einer sogenannten „Totalstation“ tachymetrisch eingemessen und notiert werden – dieser Vorgang ist äußerst aufwendig und bedarf großer Erfahrung.
-
Zur Vereinfachung dieses Aufwand kann auch eine targetlose Registrierung der dreidimensionalen Punktwolken erfolgen. Dabei erfolgt die Registrierung weitestgehend automatisch anhand der Informationen aus den Objektmesspunkten. Dabei ist es jedoch erforderlich, dass das Objekt gewisse Besonderheiten aufweist, die eine eindeutige automatische Zuordnung der einzelnen Scans ermöglichen. Falls derartige charakteristische Elemente des zu vermessenden Objektes, die eine Relativzuordnung der Scans ermöglichen fehlen, kann man manuell eine Vororientierung der Scans bei der Auswertung vorgeben. Bei komplexen Objekten sind allerdings eine Vielzahl von Laserscans erforderlich, von denen nur einige in der vorbeschriebenen Weise anhand charakteristischer Merkmale überlagert werden können. Auch in diesem Fall muss man manuell eine Vororientierung eingeben – diese Vorgehensweise ist jedoch äußerst zeitaufwendig und fehlerbehaftet. Voraussetzung für eine derartige herkömmliche targetlose Registrierung ist, dass die Scans mit möglichst großen Überlappungsbereichen derartiger charakteristischer Bereiche aufgenommen werden.
-
Bekannt ist es auch, zur automatischen Registrierung die einzelnen Standorte des Lasers beim Scannen mittels eines GPS-Systems zu erfassen. Dies ist allerdings nur bei Outdoor-Vermessung möglich, wobei eine hinreichende GPS-Qualität vorhanden sein muss, um die erforderliche Genauigkeit zu erzielen. Bei Indoor-Vermessungen ist die Erfassung der Scannerposition mittels GPS-Systemen mit großen Fehlern behaftet oder unmöglich.
-
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Laserscanner und ein Verfahren zu schaffen, die ein Vermessen von Objekten mit geringem Aufwand ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird im Hinblick durch den Laserscanner durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Erfindungsgemäß hat der Laserscanner zur 3D-Vermessung von Objekten einen Sender zum Abgeben eines Laserstrahls, ein mechanisches Strahlablenkungssystem zum Ablenken des Laserstrahls derart, dass eine 3D-Objektvermessung ermöglicht ist und mit einer Auswerteeinheit zum Auswerten des vom Objekt reflektierten Messstrahls. Der Laserscanner ist des Weiteren mit einer Navigationseinrichtung zum Erfassen der Scannerposition ausgerüstet. Die Navigationseinrichtung hat eine Navigationseinheit zur GPS-Signal-unabhängigen Bestimmung der Scannerposition und -orientierung mit Bezug zu einer Scanner-Grundposition.
-
Eine derartige Navigationseinheit ermöglicht eine hinreichende Bestimmung der jeweiligen Scannerpositionen mit Bezug zu einer Grundposition, so dass entsprechend auch die Relativpositionen des Laserscanners beim Scannen des Objektes von unterschiedlichen Standorten aus relativ zueinander bekannt sind und auf der Basis dieser Werte eine automatische Registrierung mit hinreichender Genauigkeit ermöglicht ist.
-
Über die Navigationseinheit wird somit auch bei fehlendem GPS-Empfang eine Positionsänderung des Scanners von einem zum nächsten Standort relativ mitgekoppelt, so dass dieser mit hinreichender Genauigkeit bestimmt ist.
-
Die Messgenauigkeit lässt sich noch weiter erhöhen, wenn die Navigationseinheit mit einem Barometer, Kompass und/oder einem GPS-Empfänger ausgeführt ist, so dass entsprechend auch die Höhe des Scanners bekannt ist bzw. die Messgenauigkeit bei vorhandenen GPS-Signalen verbessert werden kann.
-
Der Laserscanner kann mit einer internen oder externen Auswerteeinheit zur targetlosen Registrierung mehrerer Scans in Abhängigkeit von der jeweiligen Laserposition und Laserorientierung ausgeführt sein.
-
Die weitestgehend automatisierte Auswertung der Scans ist vereinfacht, wenn der Scanner mit einem Speicher zum Speichern der von der Navigationseinheit ermittelten Standortdaten ausgeführt ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vermessen eines Objektes mittels eines derartigen Scanners hat unter Anderem einen Schritt zur Bestimmung einer Start- oder Grundposition des Scanners mittels der Navigationseinheit, von der aus der erste Scan durchgeführt wird. In einem weiteren Schritt wird dann dieser erste Scan erstellt und auf der Basis der Grundposition erfolgt eine targetlose Registrierung des Scans in einem übergeordneten Koordinatensystem. Die aus der targetlosen Registrierung erhaltene Standposition des Scanners wird dann als Startposition für den nächsten Scan von einem anderen Standort verwendet, wobei von dieser Startposition die Relativbewegung des Scanners mittels der Navigationseinheit mitgekoppelt wird, so dass dieser Standort relativ genau bekannt ist. Dieses Verfahren wiederholt sich dann so lange, bis das Objekt vollständig vermessen ist. Die dabei resultierenden Scans sind mit vergleichsweise großer Genauigkeit und minimal manuellen Eingriffen im übergeordneten Koordinatensystem registriert, so dass die Auswertung der Scans sehr einfach erfolgen kann.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Schemadarstellung eines erfindungsgemäßen Laserscanners;
-
2 eine Prinzipdarstellung der Vermessung eines Objektes durch Aufnahme mehrerer Scans und
-
3 einen stark vereinfachten Ablauf für eine Registrierung der aufgenommenen Scans in einem übergeordneten Koordinatensystem.
-
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Laserscanners
1, dessen prinzipieller Grundaufbau dem von der Anmelderin vertriebenen Laserscanner „Imager
®“ entspricht. Weitere Einzelheiten eines derartigen Laserscanners sind beispielsweise in der
DE 101 50 436 B4 oder der
DE 10 2006 024 534 A1 beschrieben. Ein derartiger Laserscanner
1 hat einen rotierenden Messkopf
2, der um eine Horizontalachse (Ansicht nach
1) rotiert und über den ein Laserstrahl auf ein zu vermessendes Objekt gerichtet wird. Die eingangs erläuterte Sende- und Empfangseinheit des Laserscanners
1 ist in einem Gehäuse
4 angeordnet, das um eine Vertikalachse
6 verschwenkbar ist. Das zu vermessende Objekt kann nahezu vollständig durch Verschwenken des Gehäuses
4 um 180° und dabei rotierenden Messkopf
2 abgetastet werden, wobei der unterhalb des Messkopfs befindliche, durch das Gehäuse abgedeckte Bereich nicht erfassbar ist. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten sei auf die vorgenannte Druckschrift verwiesen.
-
Zur Vereinfachung der Registrierung ist der Laserscanner 1 mit einer Navigationseinheit 8 ausgeführt (MEM) (Micro Electronic Mecanical System). Diese weist einen Accelerometer, ein Gyroskop, einen Barometer, einen Magnetometer und einen herkömmlichen GPS-Empfänger auf. Über die erstgenannten Komponenten (Magnetometer, Barometer, Gyroskop, Accelerometer) kann unabhängig von der Verfügbarkeit eines GPS-Signals die Orientierung und Relativposition des Laserscanners mit Bezug zu einer bekannten Ausgangs- oder Grundposition erfasst werden.
-
D. h., über diese Komponenten kann eine Positionsänderung des Laserscanners 1 mit Bezug zur ursprünglichen Grundposition mitgekoppelt werden, so dass der nachfolgende Standpunkt mit relativ hoher Genauigkeit geschätzt/erfasst werden kann. Der Laserscanner 1 ist des Weiteren mit einem Speicher für die über die Navigationseinheit erfassten Positionsdaten ausgeführt. Dieser Speicher wird auch Projektfile genannt.
-
2 zeigt in stark vereinfachter Weise die Vermessung eines Raums 10 mittels eines derartigen Laserscanners 1. Dieser Raum 10 sei beispielsweise mit charakteristischen Abschnitten, beispielsweise erkerförmigen Vorsprüngen 14, 16 ausgeführt. Ein derartiger Raum, der noch mit mehreren Trennwänden versehen sein kann, kann üblicherweise nicht durch einen einzigen Scan erfasst werden. Dem entsprechend sind mehrere, im vorliegenden Fall drei Scans aus unterschiedlichen Positionen aufzunehmen. Da es sich um einen Innenraum handelt, ist ein GPS-Signal nicht verfügbar.
-
Es sei angenommen, dass ein erster Standort A des Laserscanners 1 bekannt ist. Dieser Standort A kann beispielsweise durch Erfassen eines außenliegenden Standorts mittels des GPS-Signals bestimmt werden, wobei dann die neue Position innerhalb des Raums über die Navigationseinheit und deren oben genannten Komponenten als Relativposition zum außenliegenden Standort erfasst wird. Angedeutet mit dem schwarzen Pfeil ist die Orientierung des Laserscanners (lokales Koordinatensystem). Es erfolgt eine erste Messung vom Standort A aus.
-
Nach der Aufnahme des Scans liegen die Daten (3D-Messwolke) in einem lokalen Scannerkoordinatensystem vor. Dieses lokale Koordinatensystem muss dann in dem übergeordneten einheitlichen Koordinatensystem registriert werden, wobei aufgrund der relativ genauen Kenntnis der Grundposition (Standort A) eine automatische Registrierung ermöglicht ist.
-
Als Ergebnis dieser automatischen, targetlosen Registrierung wird auch der Standort A in dem übergeordneten Koordinatensystem erhalten. Der Laserscanner 1 wird dann zum Standort B verbracht, wobei die Positionsänderung des Laserscanners 1 über die Navigationseinheit 8 mitgekoppelt wird, so dass der Standort B in etwa oder mit relativ hoher Genauigkeit mit Bezug zum Standort A bekannt ist. An diesem neuen Standort B erfolgt dann wiederum die Aufnahme eines Scans. Dieser Scan kann dann wiederum targetlos im übergeordneten Koordinatensystem registriert werden.
-
In einem folgenden Schritt wird dann der Laserscanner 1 vom Standort B zum Standort C verbracht und diese Positionsänderung wiederum über die Navigationseinheit 8 mitgekoppelt, so dass die Relativposition des Standorts C mit Bezug zum Standort B und zur Grundposition (Standort A) mit hinreichender Genauigkeit bekannt ist und auch eine automatische Registrierung dieses dritten Scans im übergeordneten Koordinatensystem erfolgen kann.
-
Dabei bedarf es keiner oder lediglich minimaler manueller Eingriffe, um die Registrierung vorzunehmen. In gleicher Weise lassen sich auch eine Vielzahl weiterer Scans von unterschiedlichen Standorten aufnehmen, wobei die jeweiligen Positionen stets durch das Navigationssystem ausgehend von der Grundposition A oder dem letzten Standort mitgekoppelt werden – die automatische Registrierung ist somit auch bei komplexen Objekten mit einer Vielzahl von Scans ohne weiteres möglich.
-
In 2 rechts ist die herkömmliche Vorgehensweise angedeutet. Dargestellt sind zwei Scans, die beispielsweise von zwei unterschiedlichen Standorten aus aufgenommen werden. Diese beiden Scans sind zunächst in ihrem lokalen Koordinatensystem abgelegt. Eine targetlose Registrierung ist dabei in der Regel nur dann möglich, wenn manuell eine Vororientierung anhand künstlicher Zielmarken, oder aber anhand Besonderheiten, wie beispielsweise den charakteristischen Ausbuchtungen 14, 16 erfolgt. Unter bestimmten Umständen könnte sogar anhand der Ausbuchtungen 14, 16 eine automatische Registrierung durchgeführt werden, da diese Ausbuchtungen unter Umständen eine targetlose Orientierung ermöglichen. Falls derartige prägende Merkmale des zu vermessenden Objekts jedoch nicht vorhanden sind, ist eine targetlose Registrierung ohne manuellen Eingriff praktisch nicht möglich.
-
In 3 sind nochmals wesentliche Elemente des erfindungsgemäßen Messverfahrens dargestellt. Dem entsprechend erfolgt zunächst die Ermittlung der Grundposition des Laserscanners 1 für eine erste Messung. Ausgehend von dieser Grundposition (Standort A) erfolgt die Aufnahme des ersten Scans. Anhand der über die Navigationseinheit ermittelten Grundposition kann ein targetloses Registrieren im übergeordneten Koordinatensystem erfolgen. Die dabei erhaltene korrigierte Grundposition (Standort A) wird dann als Referenz für die Bestimmung des neuen Standorts B verwendet, von dem aus ein weiterer Scan aufgenommen wird. Da die Relativposition dieses neuen Standorts B mit Bezug zum Standort A über die Navigationseinheit 10 erfasst ist, kann auch dieser zweite Scan im übergeordneten Koordinatensystem registriert werden. In entsprechender Weise erfolgt dann die Aufnahme weiterer Scans, bis das Objekt vollständig vermessen ist – die einzelnen Scans sind dann nach Art eines Feldbuchs im übergeordneten Koordinatensystem registriert.
-
Die in MEM-Bauweise ausgeführten Bauelemente der Navigationseinheit 10 weisen zwar üblicher Weise eine nicht unerhebliche Drift auf, diese spielt jedoch keine Rolle, da der „Track“, d. h., die Veränderung des Scannerstandorts nicht über eine lange Zeit oder einen großen Weg aufgenommen werden muss und sich der Scanner während des Scannens nicht bewegt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Laserscanner ermöglichen somit ein sehr präzises schnelles Vermessen von Objekten ohne nennenswerte manuelle Eingriffe beim Registrieren. Die Vermessung ist dabei unabhängig von GPS-Signalen durchführbar, wobei unter Umständen die Messgenauigkeit durch einen GPS-Empfänger weiter verbessert werden kann.
-
Offenbart ist ein Laserscanner, der mit einer GPS-Signal-unabhängigen Navigationseinheit ausgeführt ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Laserscanner
- 2
- Messkopf
- 4
- Gehäuse
- 6
- Vertikalachse
- 8
- Navigationseinheit
- 10
- Objekt
- 14
- Ausbuchtung
- 16
- Ausbuchtung
- 18
- Scan
- 20
- Scan
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008034198 B4 [0003]
- DE 10150436 B4 [0020]
- DE 102006024534 A1 [0020]
