DE102016102610A1 - laser scanner - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein multispektraler Laserscanner zur räumlichen und radiometrischen Erfassung von Daten.Disclosed is a multispectral laser scanner for the spatial and radiometric acquisition of data.
Description
Die Erfindung betrifft einen Laserscanner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere zum Erfassen von räumlichen Daten. The invention relates to a laser scanner according to the preamble of
Für die terrestrische Erfassung von 3D-Geoinformationen, z.B. für die Erstellung von 3D-Stadtmodellen, wird seit ca. 10 Jahren das sogenannte terrestrische Laserscanning (TLS) verwendet, das im Gegensatz zu photometrischen Systemen aktiv arbeitet und daher nicht von den Lichtverhältnissen sowie dem vorliegenden Objektkontrast abhängig ist. Laserscanner erfassen flächenhaft sogenannte Punktwolken, welche 3D-Koordinaten abgetasteter Objektoberflächen sowie deren radiometrische Eigenschaften in der Wellenlänge der verwendeten Laserquelle beinhalten. Diese radiometrischen Informationen (Intensitäten) beschreiben folglich das jeweilige lokale Reflexionsverhalten einer Objektoberfläche. For terrestrial acquisition of 3D geoinformation, e.g. For the creation of 3D city models, so-called terrestrial laser scanning (TLS) has been used for about 10 years, which, in contrast to photometric systems, works actively and therefore does not depend on the light conditions or the present object contrast. Laser scanners comprehensively record so-called point clouds which contain 3D coordinates of scanned object surfaces as well as their radiometric properties in the wavelength of the laser source used. These radiometric information (intensities) thus describe the respective local reflection behavior of an object surface.
Neben der rein geometrischen Erfassung des Objektraums ist es vielfach erforderlich, zusätzliche Informationen über die erfassten Objekte, wie etwa deren bauliche oder energetische Eigenschaften, zu erhalten. In diesem Zusammenhang sind besonders Materialeigenschaften von Interesse, zu deren Unterscheidung sich sogenannte spektrale Signaturen eignen, die in Abhängigkeit von der eingesetzten Wellenlänge unterschiedliche Reflexionsgrade aufweisen und beispielsweise durch multispektrale Photographien erfasst werden können. Dadurch können neben der Beurteilung geometrischer Veränderungen im baulichen Zustand von Bauwerken, von Altgebäudesubstanz oder Brücken beispielsweise auch Aussagen über möglicherweise vorliegende Vegetationsspuren (unterschiedlicher Feuchte- und Chlorophyllgehalt) getroffen und generell Materialien unterschieden werden. In addition to the purely geometric detection of the object space, it is often necessary to obtain additional information about the detected objects, such as their structural or energetic properties. In this context, particularly material properties of interest, for their distinction, so-called spectral signatures are suitable, which have different reflectance depending on the wavelength used and can be detected for example by multi-spectral photographs. As a result, in addition to the assessment of geometric changes in the structural condition of buildings, old buildings or bridges, it is also possible to make statements about possibly present traces of vegetation (different moisture and chlorophyll contents) and to generally differentiate materials.
Ein grundlegendes Problem bei der getrennten Erfassung von geometrischen (TLS) und radiometrischen Daten (multispektrale Photographien) durch verschiedene Sensoren ist dabei die notwendige Zusammenführung der Daten. Als Nachteil stellt sich dabei die unterschiedliche räumliche und zeitliche Auflösung der genannten Sensoren dar. Letztere ist im Übrigen sogar konträr zu einander: Kameras erfassen alle Informationen (Pixel) simultan während Laserscanner 3D-Punkte im Objektraum sequentiell abtasten, weshalb ein zeitlicher Versatz zwischen den einzelnen Messungen vorliegt. Die nachträgliche Fusion auf Datenebene ist dabei per se mit Nachteilen behaftet: Die räumlich und zeitlich unterschiedliche Auflösung während der Datenerfassung kann rechnerisch nicht vollständig beseitigt werden. A fundamental problem in the separate collection of geometric (TLS) and radiometric data (multispectral photographs) by different sensors is the necessary merging of the data. A disadvantage is the different spatial and temporal resolution of said sensors. The latter is incidentally even contrary to each other: Cameras capture all information (pixels) simultaneously while laser scanners scan 3D points in the object space sequentially, which is why there is a temporal offset between the individual Measurements are available. The subsequent merger at the data level has per se disadvantages: the spatially and temporally different resolution during data acquisition can not be completely eliminated mathematically.
Ein weiteres grundlegendes Problem ist das rein passive Aufnahmeverfahren herkömmlicher, auf größere Distanzen arbeitender Spektralkameras. Damit hängen die erzielten Resultate von der Umgebungsbeleuchtung (Tageslicht) ab, die sich jedoch je nach Jahreszeit, Tageszeit und Wetterbedingung deutlich ändern kann. Another fundamental problem is the purely passive acquisition method of conventional spectral cameras operating at longer distances. Thus, the results obtained depend on the ambient lighting (daylight), which, however, can change significantly depending on the season, time of day and weather conditions.
In den Druckschriften
In der
Alle Kanäle weisen, bedingt durch Bauteile-Toleranzen und Temperatur-abhängige Änderungen, leicht unterschiedliche Verstärkungen und Laufzeiten auf. Dies verursacht zeitlich und temperaturabhängig veränderliche Farbfehler, was die Güte der Farberfassung beeinträchtigt. In the
All channels have slightly different gains and run times due to component tolerances and temperature-dependent changes. This causes temporally and temperature-dependent variable color errors, which affects the quality of the color registration.
Besonders kritisch sind hier die Bandpass-Filter, besonders dann, wenn sie auf unterschiedliche Modulations-Frequenzen der verschiedenen Kanäle abgestimmt sind. Dies führt fast zwangsläufig zu unterschiedlichen Laufzeiten, die nur mit hohem Aufwand einigermaßen anzugleichen sind. Particularly critical here are the bandpass filters, especially if they are tuned to different modulation frequencies of the different channels. This almost inevitably leads to different terms, which can be reasonably approximated only with great effort.
Selbst wenn die drei (oder mehr) Kanäle nicht zur Phasen (= Distanz) Messung verwendet werden, sondern nur für die Intensität, verursachen selbst leicht unterschiedliche Laufzeiten in den einzelnen Kanälen bei schnellen Farbübergängen Farbfehler, da sich ja nicht alle Kanäle gleichzeitig ändern können. Sind bei einer einfachen Erfassung von RGB Farbwerten leichte Farbfehler vielleicht noch tolerierbar, so erfordert die Auswertung multispektraler Signaturen hochgenaue und stabile Messungen der relativen Intensitäten der Meßkanäle zueinander, so daß die oben erwähnten Fehler nicht mehr hinnehmbar sind. Even if the three (or more) channels are not used for the phase (= distance) measurement, but only for the intensity, even slightly different run times in the individual channels cause color errors in fast color transitions, since not all channels can change simultaneously. If slight color errors may still be tolerable in the case of simple acquisition of RGB color values, the evaluation requires multispectral Signatures highly accurate and stable measurements of the relative intensities of the measuring channels to each other, so that the above-mentioned errors are no longer acceptable.
Der drei-(oder mehr-)fache elektronische Aufbau benötigt außerdem einen gewissen Platz, was bei immer kleineren Realisierungen heutiger Geräte problematisch sein kann. The three (or more) fold electronic structure also requires a certain amount of space, which can be problematic with ever smaller implementations of today's devices.
Es erscheint zunächst naheliegend, durch Abbildung aller Wellenlängen auf nur eine Fotodiode (APD), spätestens nach den TIAs alle Signale zusammen zu führen, weisen sie doch unterschiedliche Modulations-Frequenzen auf, anhand derer sie im Auswerteprozessor durch entsprechende Signalverarbeitung wieder getrennt werden können. It first seems obvious, by mapping all wavelengths on only one photodiode (APD), at the latest after the TIAs all signals together, but they have different modulation frequencies, by which they can be separated again in the evaluation processor by appropriate signal processing.
Tatsächlich ergäbe sich jedoch als wesentlicher Nachteil eine Vervielfachung des Messrauschens, da bei einfacher Überlagerung aller Kanäle sich das (sehr breitbandige) Messrauschen aller Kanäle aufsummieren würde, was zu einer dramatischen Verschlechterung des Signal-Rausch Abstandes (SNR) führen würde, besonders bei den mehr als nur 3 Kanälen einer multispektralen Anwendung. In fact, however, a significant disadvantage would be a multiplication of measurement noise, since with simple superimposition of all channels, the (very broadband) measurement noise of all channels would add up, which would lead to a dramatic deterioration of the signal-to-noise ratio (SNR), especially for the more as only 3 channels of a multispectral application.
Aus diesem Grund sind bei den vorbeschriebenen bekannten Lösungen die Messkanäle getrennt voneinander gehalten. For this reason, the measuring channels are kept separate from each other in the above-described known solutions.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Laserscanner zu schaffen, mit dem die aufgezeigten Nachteile beseitigt sind. In contrast, the invention has for its object to provide a laser scanner, with which the disadvantages are eliminated.
Diese Aufgabe wird durch einen Laserscanner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a laser scanner having the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Laserscanner hat zum einen Sensoren zur Erfassung von räumlichen Daten – insofern unterscheidet er sich nicht von herkömmlichen 3D-Laserscannern. Zusätzlich sind Sensoren zur Erfassung von radiometrischen Daten/Intensitäten, d.h. weitere Spektralkanäle vorgesehen. Der Sensor zur Erfassung der radiometrischen Daten weist mehrere Laserdioden verschiedener Wellenlängen auf, deren Laserstrahlen über ein 3D-Strahlablenksystem auf das zu vermessende Objekt gerichtet werden. Die vom Objekt reflektierten Strahlen werden über optoelektronische Messkanäle mit Fotodioden, elektronischer Signalaufbereitung und einer zugeordneten Auswerteeinheit verarbeitet. Erfindungsgemäß ist ein Combiner vorgesehen, über den zumindest alle radiometrischen Messkanäle abschnittsweise und selektiv zu einem Signalpfad addiert sind, wobei diesem Signalpfad jeweils ein gemeinsamer Verstärker, A/D-Wandler und Auswerteprozessor zugeordnet ist. Es kann auch vorteilhaft sein, entweder den zusätzlichen Kanal zur Distanzmessung in diesen Signalpfad zu integrieren oder die Distanzmessung ohne zusätzlichen Kanal nur aus den Phasenauswertungen der radiometrischen Kanäle zu gewinnen. On the one hand, the laser scanner according to the invention has sensors for acquiring spatial data - in that respect it does not differ from conventional 3D laser scanners. In addition, sensors for acquiring radiometric data / intensities, i. additional spectral channels provided. The sensor for recording the radiometric data has a plurality of laser diodes of different wavelengths whose laser beams are directed to the object to be measured via a 3D beam deflection system. The beams reflected from the object are processed via opto-electronic measuring channels with photodiodes, electronic signal processing and an assigned evaluation unit. According to the invention, a combiner is provided, via which at least all the radiometric measurement channels are added in sections and selectively to a signal path, wherein this signal path is assigned in each case a common amplifier, A / D converter and evaluation processor. It may also be advantageous to either integrate the additional channel for distance measurement in this signal path or to obtain the distance measurement without additional channel only from the phase evaluations of the radiometric channels.
Vorzugsweise ist der Combiner ausgelegt, um die Messkanäle frequenz-selektiv zu addieren. Dabei werden vorzugsweise nur die Frequenzbereiche ausgeschnitten und addiert, in denen sich die verschiedenen Messsignale befinden, so dass sich auch ein Messrauschen der Einzelkanäle nicht überlagert und somit das SNR des Gesamtsignals nicht verschlechtert wird. Preferably, the combiner is designed to frequency-selectively add the measurement channels. In this case, preferably only the frequency ranges are cut out and added, in which the various measurement signals are located, so that a measurement noise of the individual channels is not superimposed and thus the SNR of the overall signal is not degraded.
Durch eine derartige Frequenz-Selektivität können auch die zahlreichen bei den bisherigen Lösungen erforderlichen Bandpass-Filter eingespart werden. By such a frequency selectivity and the many required in the previous solutions bandpass filter can be saved.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Auswerteprozessor ausgelegt, um Phasenlagen der einzelnen Messfrequenzen zu ermitteln und daraus Driften/Toleranzen im Combiner zu bestimmen und zu korrigieren. In one embodiment of the invention, the evaluation processor is designed to determine phase positions of the individual measurement frequencies and to determine and correct drifts / tolerances in the combiner therefrom.
Die Auswertung der Phasenlagen kann auch dazu benutzt werden, die Objektdistanz zu bestimmen, so dass auf einen zusätzlichen Kanal zur Distanzmessung verzichtet werden kann. The evaluation of the phase positions can also be used to determine the object distance, so that it is possible to dispense with an additional channel for distance measurement.
Dabei können dem Combiner Bauteile mit veränderlicher Kapazität, beispielsweise Variocap-Dioden zugeordnet sein, die zur Kompensation der oben genannten Driften/Toleranzen über den gemeinsamen Auswerteprozessor ansteuerbar sind. In this case, the combiner components with variable capacitance, such as Variocap diodes can be assigned, which can be controlled to compensate for the above drifts / tolerances on the common evaluation processor.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in dem addierten Signalpfad zumindest ein Verstärker und ein A/D-Wandler vorgesehen. In a particularly preferred embodiment of the invention, at least one amplifier and one A / D converter are provided in the added signal path.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung haben alle spektralen Sensoren und auch der Distanzmesser einen gemeinsamen optischen Strahlengang innerhalb des Laserscanners. According to an advantageous development of the invention, all spectral sensors and also the distance meter have a common optical beam path within the laser scanner.
Es erfolgt dabei eine zeitgleiche Abtastung aller Spektralkanäle. Vorzugsweise werden die gleichen Flächen gleichzeitig radiometrisch und räumlich vermessen, wobei die Objekte aktiv beleuchtet werden, was die Ergebnisse unabhängig vom Umgebungslicht macht. There is a simultaneous sampling of all spectral channels. Preferably, the same areas are simultaneously radiometrically and spatially surveyed, with the objects being actively illuminated, which makes the results independent of the ambient light.
Die Grundbestandteile eines Laserscanners sind – wie bereits vorstehend ausgeführt – eine Laser- und eine Photodiode mit welcher Laserlicht einer Wellenlänge emittiert und das vom Objekt rückgestreute Licht wieder empfangen wird, sowie ein Ablenksystem zur dreidimensionalen Abtastung des Objektraums. Zur aktiven Erfassung in mehreren Spektralkanälen sollen zusätzliche Laser- und Fotodioden genutzt werden. Dadurch können neben der Beurteilung des baulichen Zustands z.B. durch relative Feuchte- und Chlorophyllgehalt, der Aussagen über möglicherweise vorliegende Vegetationsspuren trifft, auch Materialien unterschieden werden. The basic components of a laser scanner are - as stated above - a laser and a photodiode with which laser light of a wavelength emitted and the object backscattered light is received again, as well as a deflection system for three-dimensional scanning of the object space. For active detection in several spectral channels additional laser and photodiodes are to be used. As a result, in addition to the assessment of the structural condition, eg by means of relative moisture content and chlorophyll content, which makes statements about possible vegetation traces, materials can also be distinguished.
Eine Besonderheit des multispektralen Laserscanners kann die Nutzung eines identischen optischen Pfades sein, wodurch Parallaxen vermieden werden, so dass alle Informationsschichten für gleiche Objektbereiche Orts- und Zeit- synchron erfasst werden können. Als Schlüsselproblematik ist in diesem Zusammenhang die Kombination der einzelnen Spektralkanäle zu einem koaxialen Messstrahl zu sehen, für die sich faseroptische Methoden oder etwa dichroitische Spiegel oder Prismen eignen. Zur Bestimmung geeigneter Wellenlängen für die multispektrale Abtastung werden spektrale Signaturen von interessierenden Materialien und Stoffen ermittelt. Basierend auf diesen Daten können diejenigen Wellenlängen ausgesucht werden, die möglichst große spektrale Differenzen zwischen den Kennlinien der untersuchten Materialien bzw. bestimmter Material-Gruppen aufweisen. A peculiarity of the multispectral laser scanner can be the use of an identical optical path, which avoids parallaxes, so that all information layers for the same object areas can be detected synchronously in place and in time. The key problem in this context is the combination of the individual spectral channels into a coaxial measuring beam, for which fiber optic methods or, for example, dichroic mirrors or prisms are suitable. To determine suitable wavelengths for the multispectral sampling, spectral signatures of materials and substances of interest are determined. Based on these data, it is possible to select those wavelengths which have the greatest possible spectral differences between the characteristics of the materials investigated or of certain groups of materials.
Um das System auch auf kinematischen Plattformen wie etwa Autos (Mobile Mapping) nutzen zu können, sollten nach Möglichkeit alle eingesetzten Laserdioden Zeit- und Orts- synchron arbeiten, d.h. zur selben Zeit identische Punkte im Raum vermessen. Auch kann bei der Nutzung des Verfahrens von keinem Anwender verlangt werden, dieselbe Szene mehrmals für verschiedene Spektralkanäle aufnehmen zu müssen. Ein gleichzeitiger Scan in verschiedenen Spektral-Bereichen stellt außerdem einen erheblichen Zeitvorteil dar. Des Weiteren kann die spektrale Information eine automatischen Segmentierung (Unterscheidung verschiedener Objekte) der aufgenommenen Daten in einer Auswerte-Software erheblich beschleunigen und wesentlich zuverlässiger machen. Da die Nutzung des Systems im öffentlichen Raum, etwa zur Erfassung gesamter Innenstädte, angestrebt wird, gilt es, Anforderungen der Augensicherheit bei der Entwicklung zu berücksichtigen. Das bedeutet die Einhaltung der Laserklassen 1, 2 oder 3R (nach BGV-B2 bei sichtbarer Laserstrahlung zulässig für Laser-Vermessungsgeräte im öffentlichen Raum ohne weitere Schutzmaßnahmen). In order to be able to use the system on kinematic platforms such as cars (mobile mapping) as far as possible, all the laser diodes used should work in a time- and space-synchronized manner, ie. measuring identical points in space at the same time. Also, when using the method, no user may be required to record the same scene multiple times for different spectral channels. A simultaneous scan in different spectral ranges also represents a considerable time advantage. Furthermore, the spectral information can significantly speed up and make much more reliable an automatic segmentation (differentiation of different objects) of the recorded data in an evaluation software. Since the use of the system in public space, for example, to capture entire city centers, is sought, it is necessary to take into account requirements of eye safety in the development. This means compliance with
Folgende Elemente könnten vorteilhafte Ausgestaltungen/Aspekte der Erfindung sein:
- • Technisch/Technologische Umsetzung der zu vereinigenden Strahlengänge
- • Mechanische Stabilität der einzelnen Strahlengänge – Abweichung der Ausrichtung zueinander
- • Trennung des Empfangssignals vom ambienten Licht
- • Vermeidung von Instabilitäten der Sendeleistung der Laserdioden – Abweichung von radiometrischen Kalibrierwerten
- • Verwendung mehrerer Laserdioden als Sender verschiedener Wellenlängen für die verschiedenen Spektralkanäle, wobei die empfangenen Wellenlängen nach schmalbandiger optischer Filterung entweder durch nur wenige / eine einzige Photodiode(n) erfasst werden können oder durch getrennte Photodioden erfasst werden, deren elektrische Signale aber bereits nach dem Eingangsverstärker (TIA) wieder zusammen geführt werden.
- • Unterscheidung der einzelnen Spektralkanäle im Empfangszweig durch deren unterschiedliche Modulations-Frequenzen.
- • Verwendung von Modulation / synchroner Demodulation im Sende- / Empfangs- Zweig der Spektralkanäle für hohe Empfindlichkeit und die Unterdrückung von Einflüssen der Umgebungsbeleuchtung.
- • Synchronisation aller Sende- und Empfangskomponenten
- • Softwaretechnische Verarbeitung sehr großer Datenmengen (Punktmengen > 30 Mio. 3D-Punkten mit zugehörigen Spektral-Kanälen) auf Standard-PCs
- • Datenhandling und Datenfluss der Multispektraldaten mittels geeigneter Datenstrukturen und Dateiformate
- • Die gemessenen Intensitätswerte sollen hinreichend korrigiert sein, um die Einflüsse hervorgerufen durch Objektdistanz und Auftreffwinkel zu kompensieren, was sich maßgeblich auf die Datenverarbeitung auswirkt
- • Punktwolkensegmentierung unter vollständiger Ausnutzung aller zur Verfügung stehenden geometrischen und radiometrischen Informationen
- • Technical / technological implementation of the beam paths to be combined
- • Mechanical stability of the individual beam paths - deviation of the alignment with each other
- • Separation of the received signal from the ambient light
- • Avoidance of laser diode transmission power instabilities - Deviation from radiometric calibration values
- Using multiple laser diodes as transmitters of different wavelengths for the different spectral channels, the received wavelengths can be detected by narrow-band optical filtering either by only a few / a single photodiode (s) or are detected by separate photodiodes, but their electrical signals already after the input amplifier (TIA) are brought together again.
- • Differentiation of the individual spectral channels in the reception branch due to their different modulation frequencies.
- • Use of modulation / synchronous demodulation in the transmit / receive branch of the spectral channels for high sensitivity and the suppression of ambient lighting effects.
- • Synchronization of all transmitting and receiving components
- • Software processing of very large amounts of data (point quantities> 30 million 3D points with associated spectral channels) on standard PCs
- • Data handling and data flow of multispectral data using suitable data structures and file formats
- • The measured intensity values should be corrected sufficiently to compensate for the influences caused by the object distance and the angle of incidence, which has a significant effect on the data processing
- • Point cloud segmentation, making full use of all available geometric and radiometric information
Auf Grundlage des Multisensorsystems werden im TLS-Segment neue Anwendungsszenarien und Auswertemöglichkeiten eröffnet, wie beispielsweise:
- • Unterscheidung / Separierung von verschiedenen Materialien (z.B. Teer, Stein, Holz, Kunststoff),
- • Automatisches Entfernen von Vegetation/Bewuchs wie etwa Bäumen, Hecken und Sträuchern aus 3D-Punktwolken von urbanen Szenen zur Vorbereitung der Gebäudemodellierung.
- • Detektion von Feuchtigkeit und biologischem Bewuchs (Moose, Flechten, etc.) an Bauwerken,
- • Weitere deutliche Verbesserung der Datenbasis für die Generierung fotorealistischer bzw. zweckgebunden strukturierter Gebäudemodelle.
- • Klassifizierung von Gestein im Bergbau, z.B. zur Verfolgung von Rohstoff-Adern unter Tage.
- • Klassifizierung von trennbaren Materialien in abzureißenden Anlagen, Gebäuden oder auf Deponien.
- • Unterscheidung verschiedener Spuren in der Forensik (Körperflüssigkeiten, Materialien, gefährliche Stoffe).
- • Einfachere und schnellere Segmentierung von 3D Punktewolken anhand der vorkommenden Oberflächen, Pflanzen, Straßen, Gebäude, Personen, Brücken, etc..
- Differentiation / separation of different materials (eg tar, stone, wood, plastic),
- • Automatically remove vegetation / vegetation such as trees, hedgerows, and shrubs from 3D point clouds of urban scenes to prepare for building modeling.
- • detection of moisture and biological growth (mosses, lichens, etc.) on structures,
- • Further significant improvement of the database for the generation of photorealistic or earmarked structured building models.
- • Classification of rocks in mining, eg for tracking of underground resource veins.
- • Classification of separable materials in plants, buildings or landfills to be demolished.
- • Differentiation of different tracks in forensics (body fluids, materials, dangerous substances).
- • Easier and faster segmentation of 3D point clouds based on surfaces, plants, streets, buildings, people, bridges, etc.
Die erfindungsgemäße Sensorik ermöglicht weiterhin erstmals eine integrierte Datenerfassung zur Beantwortung aktueller wissenschaftlicher Fragestellungen aus den Bereichen „Stadtsystemmodellierung“ bzw. „Strukturmodellierung von Bauwerken“. The sensor system according to the invention also makes it possible for the first time to provide integrated data acquisition for answering current scientific questions in the fields of "urban system modeling" and "structural modeling of structures".
Folgende Elemente können auch vorteilhafte Weiterbildungen sein:
- • Simulation und Vergleich eines gemeinsamen optischen Strahlengangs nach verschiedenen Verfahren, da es für die erforderliche spektrale Breite keine Standardlösungen am Markt gibt.
- • Analyse zur Aufteilung des reflektierten Laserlichts in die einzeln emittierten Wellenlängen, wobei eine hohe Empfindlichkeit und die schmalbandige optische Filterung der einzelnen Kanäle wesentlich sind, und somit eine Messung bis auf mindestens 50m Distanz erlaubt.
- • Erzielen einer extrem kompakten Bauweise, die nach Möglichkeit in einem modifizierten Standard Laserscanner untergebracht werden kann, zumindest aber als Gesamtgerät tragbar (<15Kg) und Batterie betrieben gehalten sein muss.
- • Modularer Aufbau der Multispektral-Einheit, so dass diese möglichst einfach auf andere Spektralkanäle umgerüstet werden kann, ohne dass eine Umkonstruktion erforderlich wird.
- • Softwaretechnische Umsetzung eines Algorithmus zur Unterscheidung von Objekten oder Bauteilen an Gebäuden unter Ausnutzung des radiometrischen Segmentierungsergebnisses (aus externer Software). Es wird vorzugsweise eine sogenannte Segmentierungsgenauigkeit bzw. Klassifizierungsgüte von etwa 80% erreicht. Dies bedeutet, dass in einem bekannten Referenzszenario 80% aller erfassten Flächen segmentiert und schließlich korrekt klassifiziert wurden.
- • Nutzung von effizienten Datenstrukturen, Datenfluss und Algorithmen zum Handling sehr großer 3D-Datenmengen (Punktwolken > 30 Mio. Punkten) auf Standard-PCs
- • Nutzung eines Verfahrens zur radiometrischen und geometrischen Kalibrierung des Multisensorsystems
- • Auswertung der ausgesandten und empfangenen Signale und Ableitung von multispektralen Intensitäten bzw. Intensitätsunterschieden, die für die spektrale Klassifizierung erforderlich sind. Es gilt dabei eine Aufschlüsselung der einzelnen Kanäle mit einer Messgenauigkeit von 3% oder besser zu erreichen,
- • Verwendung eines Austauschformates zwischen 3D-Auswertesoftware und etablierten radiometrisch basierten Segmentierungsalgorithmen aus dem Bereich der Fernerkundung,
- • radiometrische und geometrische Kalibrierung des Multisensorsystems.
- • Simulation and comparison of a common optical beam path using different methods, as there are no standard solutions on the market for the required spectral width.
- • Analysis of the distribution of the reflected laser light into the individually emitted wavelengths, whereby a high sensitivity and the narrow-band optical filtering of the individual channels are essential, and thus allows a measurement to at least 50m distance.
- • Achieving an extremely compact design, which can be accommodated in a modified standard laser scanner if possible, but at least as a portable device (<15Kg) and must be battery operated.
- • Modular design of the multispectral unit so that it can be easily converted to other spectral channels without the need for reconfiguration.
- • Software implementation of an algorithm for distinguishing objects or building components by exploiting the radiometric segmentation result (from external software). It is preferably achieved a so-called segmentation accuracy or classification quality of about 80%. This means that in a known reference scenario 80% of all recorded areas were segmented and finally classified correctly.
- • Use of efficient data structures, data flow and algorithms for handling very large amounts of 3D data (point clouds> 30 million points) on standard PCs
- • Use of a method for radiometric and geometric calibration of the multi-sensor system
- • Evaluation of the transmitted and received signals and derivation of multispectral intensities or intensity differences, which are required for the spectral classification. It is a breakdown of the individual channels with a measurement accuracy of 3% or better to achieve
- Use of an exchange format between 3D evaluation software and established radiometrically based segmentation algorithms in the field of remote sensing,
- • radiometric and geometric calibration of the multi-sensor system.
Der erfindungsgemäße Ansatz beinhaltet (beliebig viele) spektrale Kanäle und weist auf die Möglichkeit hin, die gescannte Szene anhand spektraler Unterschiede zu segmentieren. Das würde die automatische Erkennung von zusammen gehörenden Flächen oder Objekten erheblich erleichtern. The inventive approach includes (any number) spectral channels and indicates the possibility to segment the scanned scene based on spectral differences. This would greatly facilitate the automatic detection of related surfaces or objects.
Der neue Ansatz benötigt beispielsweise für drei oder mehr spektrale Kanäle im Wesentlichen nur einen gemeinsamen Signalpfad, zu dem alle Messkanäle nach den Vorverstärkern (TIAs) der Photodioden (APDs) über einen sogenannten frequenzselektiven Combiner zusammen geführt werden. Das minimiert nicht nur den Bauteileaufwand, sondern hat den großen Vorteil, dass Unterschiede in der Signalübertragung (z.B. durch Bauteile Toleranzen oder thermische Drift) minimiert werden, da alle Messsignale identischen Variationen unterworfen sind. For example, the new approach requires essentially only one common signal path for three or more spectral channels, to which all measurement channels are connected after the preamplifiers (TIAs) of the photodiodes (APDs) via a so-called frequency-selective combiner. This not only minimizes component cost, but has the great advantage of minimizing differences in signal transmission (e.g., component tolerances or thermal drift) since all measurement signals are subjected to identical variations.
Die im frequenz-selektiven Combiner auftretenden Variationen lassen sich dort in einfacher Weise über veränderliche Kapazitäten (z.B. Varaktoren) kompensieren, die vom Auswerteprozessor angesteuert werden oder – falls sie nicht zu groß sind – sogar ohne Rückführung rein rechnerisch nur im Auswerte-Prozessor. The variations occurring in the frequency-selective combiner can be compensated in a simple manner via variable capacitances (for example varactors), which are controlled by the evaluation processor or, if they are not too large, even without feedback, purely mathematically only in the evaluation processor.
Damit entfallen auch die einzelnen, in bisherigen Schriften beschriebenen, Bandpassfilter, deren Driften sich – wenn überhaupt, dann nur mit großem Aufwand – kompensieren ließen. This eliminates the individual, described in previous writings, bandpass filter whose drift - if at all, then only with great effort - could compensate.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
Der Grundaufbau von 3D-Laserscannern ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik und beispielsweise auch aus der
Dementsprechend hat der Laserscanner
Die Ansteuerung der Laserdioden IR, λ1...λn erfolgt über eine Modulatoreinheit
Die vom zu vermessenden Objekt reflektierten/rückgestreuten Strahlen werden über den Drehspiegel
Drei dieser Messkanäle
Demgemäß hat jeder Messkanal
Ein weiterer Vorteil gegenüber den eingangs beschriebenen bekannten Lösungen besteht darin, dass die vielen, bei herkömmlichen Messkanälen erforderlichen Bandpass-Filter entfallen. Die in dem frequenzselektiven adaptiven Combiner
Diese Signale werden dann von einem für alle Messkanäle
Wie vorstehend erwähnt, ist der Combiner
Durch das erfindungsgemäße Konzept, mehrere Messkanäle
Offenbart ist ein multispektraler Laserscanner zur räumlichen und radiometrischen Erfassung von Daten. Disclosed is a multispectral laser scanner for the spatial and radiometric acquisition of data.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Laserscanner laser scanner
- 2 2
- Modulatoreinheit modulator unit
- 4 4
- koaxiales Bündel Laserstrahlen coaxial bundle of laser beams
- 6 6
- Drehspiegel rotating mirror
- 8 8th
- Rotationsachse the rotation axis
- 10 10
- Vertikalachse vertical axis
- 12 12
- Bohrung drilling
- 14 14
- Spiegel mirror
- 16 16
- Optik optics
- 18 18
- Bandpass-Filter Bandpass filter
- 20 20
- Messkanal measuring channel
- 22 22
- Messkanal measuring channel
- 24 24
- Messkanal measuring channel
- 26 26
- APD APD
- 28 28
- APD APD
- 30 30
- APD APD
- 32 32
- TIA TIA
- 34 34
- TIA TIA
- 36 36
- TIA TIA
- 38 38
- Combiner Assemblers
- 40 40
- addierte Messsignale added measuring signals
- 42 42
- Verstärker amplifier
- 44 44
- A/D-Wandler A / D converter
- 46 46
- Auswerteprozessor evaluation processor
- 48 48
- Rückführung return
- 50 50
- Signalpfad signal path
- IR IR
- Laserdiode (Distanzmesser) Laser diode (distance meter)
- λ1..N λ 1..N
- Laserdioden (radiometrische Erfassung) Laser diodes (radiometric detection)
- S1..N S 1..N
- Dichroitische Spiegel Dichroic mirrors
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009015920 B4 [0006] DE 102009015920 B4 [0006]
- EP 2097715 B1 [0006] EP 2097715 B1 [0006]
- US 2015/0043009 A1 [0007] US 2015/0043009 A1 [0007]
- DE 102012105027 A1 [0040, 0040] DE 102012105027 A1 [0040, 0040]
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020120278A1 (en) * | 2018-12-12 | 2020-06-18 | Robert Bosch Gmbh | Lidar system and motor vehicle |
EP3982149A1 (en) * | 2020-10-09 | 2022-04-13 | Yandex Self Driving Group Llc | Multispectral lidar systems and methods |
US12017678B2 (en) | 2020-10-09 | 2024-06-25 | Direct Cursus Technology L.L.C | Multispectral LIDAR systems and methods |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012105027A1 (en) | 2011-06-09 | 2013-01-10 | Zoller & Fröhlich GmbH | Laser scanner and method for driving a laser scanner |
EP2097715B1 (en) | 2006-12-06 | 2013-11-27 | Enea-Ente Per Le Nuove Tecnologie E L' Ambiente | Three-dimensional optical radar method and device which use three rgb beams modulated by laser diodes, in particular for metrological and fine arts applications |
DE102009015920B4 (en) | 2009-03-25 | 2014-11-20 | Faro Technologies, Inc. | Device for optically scanning and measuring an environment |
US20150043009A1 (en) | 2009-03-25 | 2015-02-12 | Faro Technologies, Inc. | Laser scanner having a multi-color light source and real-time color receiver |
-
2016
- 2016-02-15 DE DE102016102610.7A patent/DE102016102610A1/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2097715B1 (en) | 2006-12-06 | 2013-11-27 | Enea-Ente Per Le Nuove Tecnologie E L' Ambiente | Three-dimensional optical radar method and device which use three rgb beams modulated by laser diodes, in particular for metrological and fine arts applications |
DE102009015920B4 (en) | 2009-03-25 | 2014-11-20 | Faro Technologies, Inc. | Device for optically scanning and measuring an environment |
US20150043009A1 (en) | 2009-03-25 | 2015-02-12 | Faro Technologies, Inc. | Laser scanner having a multi-color light source and real-time color receiver |
DE102012105027A1 (en) | 2011-06-09 | 2013-01-10 | Zoller & Fröhlich GmbH | Laser scanner and method for driving a laser scanner |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020120278A1 (en) * | 2018-12-12 | 2020-06-18 | Robert Bosch Gmbh | Lidar system and motor vehicle |
CN113196087A (en) * | 2018-12-12 | 2021-07-30 | 罗伯特·博世有限公司 | Laser radar system and motor vehicle |
EP3982149A1 (en) * | 2020-10-09 | 2022-04-13 | Yandex Self Driving Group Llc | Multispectral lidar systems and methods |
US12017678B2 (en) | 2020-10-09 | 2024-06-25 | Direct Cursus Technology L.L.C | Multispectral LIDAR systems and methods |
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