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Objektivierung von Spezifikationen Terrestrischer Laserscanner – Ein Beitrag des Geodätischen Prüflabors der Technischen Universität München

Prof. Dr.-Ing. Thomas Wunderlich, Dr.-Ing. Peter Wasmeier, Johannes Ohlmann-Lauber, Thomas Schäfer, Fabian Reidl

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Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie Heft 20, 02/2013

Blaue Reihe des Lehrstuhls für Geodäsie, Heft 20, 02/2013

Objektivierung von Spezifikationen Terrestrischer Laserscanner – Ein Beitrag des Geodätischen Prüflabors der Technischen Universität München

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas A. Wunderlich

Technische Universität München Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen Institut für Geodäsie, GIS und Landmanagement Lehrstuhl für Geodäsie

Arcisstraße 21 80290 München Germany

Tel.: +49.89.289.22850 Fax: +49.89.289.23967

Mail: [email protected] URL: http://www.geo.bv.tum.de

2013

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ISBN 978-3-943683-19-6

Objektivierung von Spezifikationen Terrestrischer Laserscanner Th. Wunderlich, P. Wasmeier, J. Ohlmann-Lauber, Th. Schäfer, F. Reidl

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Kurzfassung

Noch immer fehlen verbindliche Normen für einheitliche Spezifikationen von Leistungsmerk-malen Terrestrischer Laserscanner, um eine objektive Vergleichbarkeit verschiedener Scan-nermodelle zu ermöglichen. In diesem Beitrag werden praktikabel umsetzbare Testreihen, die eine solche Vergleichbarkeit auf Basis objektiver Kriterien unterstützen sollen, vorgestellt. Die Grundlage hierfür bildet insbesondere die für den Anwender relevante Fragestellung zur Quali-tät der von einem TLS-System erzeugten 3D-Punktwolke an ebenen Flächen und an Kanten in Abhängigkeit der gewählten Scan-Filtereinstellungen (Scan-Qualitätsstufen). Das Vergleichs-konzept wird auf drei aktuelle TLS-Systeme (Faro Focus3D, Leica HDS7000 und Leica Scan-station P20) angewendet und Ergebnisse werden präsentiert. Ziel ist es insbesondere, losge-löst von den rein technischen Datenangaben des jeweiligen Herstellers einen Satz von praxis-relevanten Versuchsanordnungen vorzustellen, in denen für verschiedene Scanner systemun-abhängige Resultate in Form qualitätsbeschreibender Vergleichsgrößen ermittelt werden kön-nen. Darüber hinaus wird zu Beginn ein Überblick zu einer bestehenden TLS-Prüfrichtlinie ge-ben.

Blaue Reihe Nr. 20 Technische Universität München, Lehrstuhl für Geodäsie

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Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung ............................................................................................................................ 3

Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................. 4

1 Einleitung .......................................................................................................................... 5

2 Bestehendes Konzept eines TLS-Prüfverfahrens ........................................................ 6

2.1 Kenngröße Antastabweichung ................................................................................................. 6

2.2 Kenngröße Kugelradienabweichung ........................................................................................ 7

2.3 Kenngröße Kugelabstandsabweichung ................................................................................... 7

2.4 Kenngröße Auflösungsvermögen............................................................................................. 7

3 Praxisnahe TLS-Vergleichsreihe .................................................................................... 8

3.1 Testparameter Scan-Qualitätsstufen ....................................................................................... 8

3.2 TLS-Vergleichskonzept .......................................................................................................... 10

3.3 Vergleichsmerkmal Genauigkeit ............................................................................................ 10

3.4 Vergleichsmerkmal Geometrietreue ....................................................................................... 12

3.5 Vergleichsmerkmal Reichweite .............................................................................................. 16

3.6 Vergleichsmerkmal Messgeschwindigkeit ............................................................................. 19

4 Untersuchte TLS-Systeme (Lasercanner und Auswertesoftware) ........................... 20

4.1 Datenkonvertierung und Importfiltereinstellungen ................................................................. 20

4.2 Getestete Scan-Qualitätsstufen ............................................................................................. 21

4.3 TLS-Messstrecke Eichenau ................................................................................................... 22

4.4 TLS-Prüffeld München ........................................................................................................... 23

4.5 Präzision (Rauschen) .............................................................................................................. 24

4.6 3D-Genauigkeit ...................................................................................................................... 30

4.7 Kalibrierparameter .................................................................................................................. 30

4.8 Kantenverhalten ..................................................................................................................... 31

4.9 Reichweite .............................................................................................................................. 34

4.10 Zeitbedarf Datenerfassung .................................................................................................... 34

4.11 Einfluss potentieller Störobjekte auf den Testkörpern ........................................................... 35

4.12 Zusammenfassung ................................................................................................................. 36

5 Ausblick .......................................................................................................................... 37

Literatur ................................................................................................................................. 38

Anlage: TLS-Spezifikationen – eine Marktübersicht ......................................................... 41

Autoren .................................................................................................................................. 55


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1 Einleitung

Die rasante Entwicklung auf dem Markt des Terrestrischen Laserscannings (TLS) führte in der Vergangenheit zu einer großen Auswahl an entsprechenden Messsystemen und einer inzwi-schen beinahe jährlichen Neuauflage von bekannten Modellen mit immer vielversprechende-ren Spezifikationen. Grundsätzlich ist festzustellen, dass alle Systeme zuverlässig arbeiten und den grundlegenden Anforderungen im Vermessungsalltag Rechnung tragen. Dabei gilt es je-doch eben diesen „Vermessungsalltag“ näher zu beleuchten, um bei der Neuanschaffung ei-nes Laserscanners die auf die eigenen Bedürfnisse abgestimmte optimale Kaufentscheidung zu treffen. Die im allgemeinen Bewusstsein wesentlichen Kennzahlen scheinen hierbei Mess-geschwindigkeit und Reichweite zu sein, die von den Herstellern stets werbewirksam platziert werden. Im Regelfall besteht zwischen der Messgeschwindigkeit und dem unterschiedlich stark auf die gescannten Punkte wirkenden Glättungsfilter ein Zusammenhang, da die Daten-filterung während der Messung unmittelbar an die Rohmessdaten angebracht wird. Ein Zugriff auf die ungefilterten Daten (Rohdaten) besteht für den Anwender im Regelfall nicht. Zwangs-läufig stellt sich damit die Frage nach der Geometrietreue bzw. welche Einbußen bei der De-tailtreue (z.B. an Kanten) in der Punktwolke zu verzeichnen sind, wenn diese Filter zum Einsatz kommen. Wie aussagekräftig sind also die von Herstellern genannten Kennzahlen im Vergleich – gerade für die individuelle Messaufgabe unter Vorgabe einer bestimmten Genauigkeitserwar-tung?

Noch immer fehlen verbindliche Normen für einheitliche Spezifikationen von Leistungsmerk-malen Terrestrischer Laserscanner, um eine objektive Vergleichbarkeit verschiedener Scan-nermodelle zu ermöglichen (z.B. STAIGER 2005 und WUNDERLICH 2012). Die geodätische Nut-zergemeinde bemüht sich neben der Vereinheitlichung von Kenngrößen im Sinne einer TLS-Prüfrichtlinie (KERN 2010, GOTTWALD ET AL. 2008), basierend auf initiativen Arbeiten von HEIS-

TER (2006) seit vielen Jahren auch um die Normierung und Etablierung von Feldprüfverfahren zur Feststellung der Einsatzfähigkeit eines Laserscanners vor einem Messeinsatz (GOTTWALD

ET AL. 2008, GOTTWALD 2008, TÜXSEN 2008 und WEHMANN 2008). Ebenso zu erwähnen ist ein derzeit von NEITZEL ET AL. (2013) in Arbeit befindliches DVW-Merkblatt mit dem Titel „Verfahren zur standardisierten Überprüfung von terrestrischen Laserscannern“, welches sich direkt an den TLS-Anwender richtet und ein ausgewähltes (Feld-)Prüfverfahren zur direkten Anwendung in Ermangelung eines gültigen Standards vorschlagen soll.

Beiträge zur objektiven Überprüfung und Kalibrierung eines TLS-Systems in Laborprüfeinrich-tungen wurden in der Vergangenheit vielfältig geleistet. Gegenwärtig existieren u.a. Prüffelder an der HCU Hamburg (LINDSTAEDT ET AL. 2012), HS Bochum (FELDMANN ET AL., 2011), HTW Dresden (WEHMANN, 2007) und am i3Mainz (KERN, 2011). Die maximalen Zielweiten in diesen Prüffeldern sind auf <25-30m bzw. <70 m (HTW Dresden) beschränkt. Ein umfassender wis-senschaftlicher Überblick hierzu ist in GORDON (2008) zu finden. Daran sind einerseits Universi-täts- und Hochschulinstitute und andererseits Hersteller beteiligt, die sich auch in mehreren Foren und Initiativen zusammengefunden haben (z.B. das „Offene Forum Terrestrisches La-serscanning“). Das Geodätische Prüflabor am Lehrstuhl für Geodäsie der Technischen Univer-sität München, welches Mitglied der Gesellschaft zur Kalibrierung geodätischer Messmittel1 (GKGM) ist, setzt jetzt ebenso einige der akkordierten theoretischen Vorschläge in einer Ver-suchshalle an der Technischen Universität München um. Während die theoretischen Ergebnis-se bereits weit gediehen sind, scheitert die praktische Umsetzung noch mancherorts am Feh-len genügend großer Versuchshallen für die feste Einrichtung von Prüfanlagen.

1 siehe auch GKGM (2013).


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2 Bestehendes Konzept eines TLS-Prüfverfahrens

Der aktuell vorliegende Entwurf einer Richtlinie von KERN (2010) zur Prüfung von Terrestri-schen Laserscannersystemen („Prüfrichtlinie zur Abnahme und Überwachung von Terrestri-schen Laserscanner-Systemen“) konkretisiert und erweitert Arbeiten und Vorschläge zu dieser Thematik, insbesondere von BÖHLER (2005) und HEISTER (2006). Die hier verwendeten Ansätze basieren auf der VDI/VDE-Richtlinie 2634 Blatt 2 „Optische 3D-Messsysteme – Bildgebende Systeme mit flächenhafter Antastung“ (VDI/VDE 2634, 2012) und haben die Absicht, ein ein-heitliches Prüfverfahren, basierend auf ausgewählten, nachvollziehbaren und anwendungsbe-zogenen Kenngrößen, einzuführen. Das Grundprinzip besteht in der Messung von geometri-schen, kalibrierten Prüfkörpern übergeordneter Genauigkeit, welche in einem definierten Messvolumen entsprechend räumlich verteilt anzuordnen sind.

Die TLS-Messungen selbst sind unter normalen Messbedingungen durchzuführen. Die Be-stimmung z.B. der Kenngrößen erfolgt nach der Methode der Kleinsten Quadrate. Im Sinne einer Systemüberprüfung sollte die entsprechende Herstellersoftware für die Datenauswertung herangezogen werden. Wegen teilweise fehlender Auswertemöglichkeiten der vom Hersteller angeboten Auswertesoftware wird in der Praxis noch auf eigene Software zurückgegriffen. Die VDI/VDE-Richtlinie erlaubt prinzipiell unterschiedliche (Daten-)Filterungen und Datenvorverar-beitung, die dann als jeweils eigener Satz an Randbedingungen mit einem individuellen Satz an Kenngrößen verknüpft werden kann. Eine Dokumentation der Art der Filterung und Form der Datenvorverarbeitung ist an dieser Stelle sinnvoll, kann jedoch aufgrund vorhandener Nichtoffenlegung durch den Hersteller meist nicht vom Anwender in Erfahrung gebracht wer-den.

In KERN (2008) und HUXHAGEN ET AL. (2009) wird die Adaption der von HEISTER (2006) aufgegrif-fenen VDI/VDE-Kenngrößen näher beschrieben und weiter überarbeitet für die Anwendung auf Terrestrische Laserscanner. Diese Kenngrößen sind objektiv ermittelbar und daher gute An-haltspunkte zum Vergleich tatsächlicher Qualitätsmerkmale sowohl einzelner Scanner gegen-über den jeweiligen Herstellerangaben als auch untereinander. Nachteilig sind die Notwendig-keit entsprechender Prüfkörper übergeordneter Genauigkeit in einem ausreichend dimensio-nierten Testvolumen, das dem Einsatzbereich des zu prüfenden Laserscanner entspricht. Die vorgeschlagenen Kenngrößen sind im Einzelnen:

2.1 Kenngröße Antastabweichung

Die Antastabweichung R wird definiert als die Standardabweichung aller radialen Abweichun-gen ri von n Antastpunkten, welche zur Schätzung aller im Messvolumen verteilten Kalibrierku-geln mit freiem Radius verwendet werden. R liefert eine Kenngröße über das resultierende Oberflächenrauschen, unabhängig vom (variierenden) Einfallswinkel auf den Kugeloberflächen. Zu beachten ist, dass R dadurch nicht dem Rauschen in Messrichtung und somit der Präzision der Distanzmesseinheit selbst entspricht. Hier und für die nächste Kenngröße generalisierte und somit vernachlässigte Abhängigkeiten von der Messentfernung und der Kugelgröße wer-den in HUXHAGEN ET AL. (2009) genannt und diskutiert.

∑n

iirn

R1=

21= (1)

Es kann eine Genauigkeitsaussage mittels der Standardabweichungen sRj für die geschätzten Radien der p Kalibrierkugeln ermittelt werden. In HEISTER (2006) wird die Antast-Messunsicher-heit uR definiert:


7

p

s

u

p

iRj

R

∑1=

2

= (2)

2.2 Kenngröße Kugelradienabweichung

Die Kugelradienabweichung RK als mittlerer Abweichungswert aller Einzelabweichungen νi der durch Messung und Ausgleichung geschätzten k Kugelradien von ihren bekannten Sollwerten. Die Kenngröße liefert eine Aussage über systematische Formabweichungen im Lokalen.

∑k

iiK k

R1=

ν1

= (3)

2.3 Kenngröße Kugelabstandsabweichung

Die Kugelabstandsabweichung ΔL ist definiert als mittlerer Abweichungswert aller durch Mes-sung und Ausgleichung mit festem Sollradius bestimmten Kugelabstandsabweichungen ΔLj. Die Kugelabstandsabweichungen ΔLj leiten sich von den bekannten Sollabständen lkj und den gemessenen Abständen lmj von p Kugelpaaren oder Kugelkombinationen ab. Soll-Abstände sind entsprechend mit übergeordneter Genauigkeit zu bestimmen. Die Kugelabstandsabwei-chung dient als Aussage über die Maßtreue des TLS im Messvolumen.

mjkjj

p

ij llLL

pL -∑ =∆ mit ∆

1=∆

1=

(4)

Es kann zusätzlich eine Genauigkeitsaussage in Form der Standardabweichung der Stichpro-be ermittelt werden. In HEISTER (2006) wird hierzu eine Abstands-Messunsicherheit uL definiert:

p

L

u

p

ij

L

∑1=

2∆

= (5)

Als Alternative kann die Kugelabstandsabweichung auch mittels 3D-Ähnlichkeitstransforma-tion und der Betrachtung der Standardabweichungen der beobachteten Koordinatenwerte a posteriori im Sinne eines Punktfehlers betrachtet werden. Durch die Festsetzung des Maßsta-bes (6-Parameter Transformation) in der Ausgleichung, in der Regel gleich Eins, kann dieser bei signifikanter Abweichung jedoch als Abhängigkeit zwischen dem Kugelabstand und der Soll-Ist-Differenz auftreten; siehe hierzu insbesondere auch KERN (2008).

2.4 Kenngröße Auflösungsvermögen

Das Auflösungsvermögen AV ist definiert als diejenige minimale Spaltenbreite an einem Böh-ler-Stern (BÖHLER, 2005), bei der die Punkte einer Punktwolke signifikant in Punkte auf der Vorder- und Rückfläche unterschieden werden können. Einflussfaktoren für das Auflösungs-vermögen sind die Abtastrate (realisierbare Winkelinkremente), die Strahldivergenz, der Ein-fallswinkel, sowie Eigenschaften der Signalverarbeitung und wirkende Datenfilter, insbesonde-re zur Minderung des Oberflächenrauschens. Für die mathematische Definition der Kenngröße sei auf die oben genannte Literatur verwiesen.


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3 Praxisnahe TLS-Vergleichsreihe

Der hier angewandte Ansatz des Lehrstuhls für Geodäsie der Technischen Universität Mün-chen beschreibt ein objektives Vergleichsverfahren für TLS-Systeme zur Beurteilung der Ge-nauigkeit, der Geometrietreue, der Messgeschwindigkeit und der erzielbaren Reichweiten. Das erarbeitete Vergleichskonzept soll einen weiteren Beitrag zur Ermittlung und Etablierung objek-tiver TLS-Instrumentenspezifikationen leisten. Die Fragestellung der Auswirkung von Scan-Qualitätsstufen auf das resultierende Messrauschen und das Auftreten von grob fehlerhaften Punkten an Kanten (Mischpunkte) wird in diesem Zusammenhang besonders untersucht. Ge-nerell darf angenommen werden, dass rauschunterdrückende Filter an ebenen Objekten gute Ergebnisse liefern, jedoch an Kanten ist mit einem Verlust der Geometrietreue zu rechnen. Hierbei wird ohne die notwendige Nutzung von streng kalibrierten Prüfkörpern im Sinne der bisher verwendeten Referenzkörper verfahren, um den hier behandelten Fragestellungen ge-recht zu werden.

Konkret wurde ein Testkatalog erstellt, welcher objektive Aussagen über verschiedene Ver-gleichsgrößen ermöglicht, die in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen relevant sind. Als Testkörper wurden dazu für die meisten Untersuchungen bewusst Konstruktionen ver-wendet, die mit geringem Aufwand auch von anderen Interessierten selbst hergestellt und ent-sprechend genutzt werden können. Zusätzlich sind auch Methoden aufgeführt, welche den bestehenden Prüfkörper-Tests ähnlich sind sowie eine Untersuchung der 3D-Genauigkeit, für die ein Testfeld notwendig ist. Der Schwerpunkt dieses Berichts wird jedoch auf den einfachen Vergleichsmethoden liegen, wobei diese so gestaltet worden sind, dass sie den von Herstel-lerseite genannten Arbeitsbereich der Laserscanner von bis zu ca. 200 m (in 10 m-Schritten) abdecken. Es soll bewusst der gesamte nominelle Arbeitsbereich analysiert werden.

3.1 Testparameter Scan-Qualitätsstufen

Zuerst ist eine Abstrahierung notwendig, um im Rahmen des hier angewandten Vergleichs-konzepts die Auswirkungen unterschiedlicher Scan-Qualitätsstufen verschiedener Instrumente objektiv miteinander zu vergleichen. Die Qualitätsstufen unterscheiden sich je nach Hersteller in Ihrer Nomenklatur und beinhalten im Wesentlichen den Grad der Rohdatenfilterung fDist so-wie der oft in Abhängigkeit dazu stehenden Bandbreite an verfügbaren Scan-Auflösungs-stufen r. Die Wirkungsweise der Rohdatenfilterung auf die Punktwolken konnte nur empirisch untersucht werden, da keine Kenntnis über die jeweiligen wirkenden Algorithmen vorliegen. Eine Offenlegung der Algorithmen durch den Hersteller wäre für den ingenieurgeodätischen Nutzer eines TLS-Systems nicht nur ein bestehender Wunsch, sondern für die Qualitätsbeur-teilung von gemessenen Punktwolken eine unabdingbare Notwendigkeit.


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Tabelle 1: TLS-Vergleichskonzept

Vergleichsmerkmale Vergleichsgröße Ableitung Realisierung Testparameter Konkretisierungen

Ge

na

uig

ke

it

Präzision

σDIST: Entfernungsabhängiges

Rauschen der Distanzmessein-

heit

Standardabweichung der Resi-

duen einer frei ausgeglichenen

Ebene

Testkörper: Weiße Testfläche

mit Albedo- und Einfallswinkel-

Testfeldern, Messstrecke unter-

teilt in Streckenintervalle ΔDIST

f DIST: Filter der Distanz-

messung in [%]

α: Einfallswinkel in [°]

Albedo: Reflexionsgrad

in [%]

ΔAlbedo = ~ 40 %

Δα = 15 °

Δf,DIST = 50 %

r = 100 %

ΔDIST = 10 m

3D-

Genauigkeit

σ3D: Äußere 3D-Genauigkeit

σd: Distanzgenauigkeit

σHz: Horizontalwinkelgenau-

igkeit

σV: Vertikalwinkelgenauigkeit

Diverse Kalibrierparameter

Ergebnisse einer 3D-Netzaus-

gleichung.

Ausgleichung mittels redundan-

ter Zwei-Lagen-Messungen

3D-Testfeld unter Verwendung

von herstellerspezifischen Ziel-

marken und Auswertesoftware

(Systemkalibrierung)

keine f DIST = 0 %

r = 100 %

Ge

om

etr

ietr

eu

e

Kantenverhalten

nrichtig: Punkte mit geometrisch

korrekter Information (entfer-

nungsabhängige geometrische

Richtigkeit)

Punktklassifizierung mittels

3σDIST-Konfidenzintervallbildung

Testkörper: Weißer Kreisring auf

weißer Hintergrundfläche mit

definiertem Abstand, Messstre-

cke unterteilt in Streckeninter-

valle ΔDIST


messung in [%]

ΔDIST = 20 m

γ = 0 °

Δf,DIST = 50 %

Formtreue Repräsentative geometrische

Parameter (z.B. Kugelradien)

Soll-Ist-Vergleich des mittels

Ausgleichung abgeleiteten

geometrischen Parameters

Prüfkörper: Geometrischer

Referenzkörper, Messstrecke

unterteilt in Streckenintervalle

ΔDIST

(f DIST: Filter der Distanz-

messung in [%])

ΔDIST = 10 m

(Δf,DIST = 50 %)

Re

ich

we

ite

Modellierungs-

reichweite

dmax: Maximale Messentfernung

auf Objekte

Erfassungsgrad ε oder Nach-

weis normalverteilter Messun-

gen

Testkörper: Weiße Testfläche,

Messstrecke unterteilt in Stre-

ckenintervalle ΔDIST


messung in [%]

α: Einfallswinkel in [°]

Albedo: Reflexionsgrad

in [%]

ΔDIST = 5-10 m

γ = 0 °

Δf,DIST = 50 %

r = 100 %

Registrierungs-

reichweite

dziel: Maximale Messentfernung

auf spezifische Zielmarken

Ergebnisse eines Soll-Ist-

Vergleichs und der Qualität der

Zielmarkenkoordinaten

Messstrecke unterteilt in Stre-

ckenintervalle ΔDIST, Hersteller-

spezifische Zielmarken

r: Auflösungsstufe in [°]

(f DIST: Filter der Distanz-

messung [%])

ΔDIST = 5-10 m

Δf,DIST = 50 %

Messge-

schwin-

digkeit

Zeitbedarf

Datenerfassung ttypisch: typische Messdauer [min] Zeit der Datenerfassung

Zeitmessung/Zeitangaben aus

Benutzerhandbüchern keine

f DIST = 50 %

r = konstant


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Die durchgeführten Vergleichsmessungen basieren auf adäquaten Qualitätsstufen unter Be-rücksichtigung der jeweils höchsten verfügbaren Auflösungsstufe. Konkret wird das gesamte „Qualitätsspektrum“ in Prozent abgebildet. Dazu werden Messungen bei minimaler Qualitäts-stufe (fDist = 0%), maximaler Qualitätsstufe (fDist = 100%) und einer mittleren Stufe (fDist = 50%) verglichen, wobei letztere diejenige sein soll, die aufgrund ihrer Bezeichnung als „vom Herstel-ler empfohlen“ dem Anwender nahegelegt wird. Innerhalb jeder Qualitätsstufe wird dann mit der maximal verfügbaren Auflösungsstufe r = 100% gescannt, um die Stichprobenzahl der Einzelmesswerte auf den Testflächen möglichst hoch zu halten.

3.2 TLS-Vergleichskonzept

Eine detaillierte Übersicht über das Konzept durchgeführten Vergleichsreihe wird in Tabelle 1 gegeben. In der Folge werden die darin aufgeführten einzelnen Vergleichsmerkmale von TLS-Systemen genauer betrachtet und die jeweiligen Bausteine einzeln erläutert. Grau hinterlegte Teile der Tabelle wurden im Rahmen des Instrumentenvergleichs derzeit nicht durchgeführt, sind aus Gründen der Vollständigkeit im konzeptionellen Entwurf aufgeführt.

3.3 Vergleichsmerkmal Genauigkeit

Bei dem Genauigkeitsvergleich soll die Distanzmesseinheit eines TLS-Systems analysiert wer-den. Es wird hier unterschieden zwischen der Präzision (innere Genauigkeit) und der absoluten 3D-Genauigkeit (Richtigkeit) der aus der 3D-Punktwolke abgeleiteten diskreten Einzelpunkte bei Verwendung von entsprechenden TLS-Zielmarken in einem 3D-Testfeld.

3.3.1 Präzision (Rauschen)

Als Maß für die Präzision von Einzelmessungen eines TLS-Systems, wird die zufällige Abwei-chung der Messungen von einem repräsentativen Mittelwert einer Stichprobe herangezogen. Hierfür wird die Standardabweichung der Residuen einer mittels der Methode der Kleinsten Quadrate frei ausgeglichenen lokalen Ebene verwendet und als Vergleichsgröße für das Rau-schen von Einzelmessungen definiert. Durch die senkrechte Ausrichtung der Testebene zum Messstrahl des Laserscanners können Einflüsse des Einfallswinkels vernachlässigt oder durch definierte Verkippung einer Testebene analysiert werden. Die Bestimmung erfolgt ähnlich zu der in HEISTER (2006) und HUXHAGEN ET AL. (2009) definierten Antastabweichung als Stan-dardabweichung der Residuen der Einzelmessungen mit Bezug auf die Soll-Geometrie einer empfohlenen Kugel als kalibrierter Prüfkörper.

Als Testkörper wird eine 60 cm x 80 cm große, matt weiß beschichtete und somit annehmbar diffus streuende Spanplatte verwendet, welche weiter in Einzeltestfelder für konkrete Einzelun-tersuchungen der Testparameter unterteilt wird (Abbildung 1).

Im dargestellten Testkörper können die Bereiche links und rechts für die Bestimmung der Ver-

gleichsgröße σDIST in Abhängigkeit zur Messentfernung (wie oben beschrieben als Präzisions-

aussage bezüglich der Distanzmesseinheit) verwendet werden. Hierfür wird der Testkörper in

konstanten Intervallen ΔDIST entlang einer Messstrecke im gesamten Messbereich des TLS-

Systems gescannt. Um unterschiedliche Materialreflexionsgrade zu simulieren wurden in der

Mitte der Tafel handelsübliche Grauwertkarten angebracht (Opteka Farbkarten: schwarz mit

RGB 16/16/15, grau mit RGB 162/162/160 und weiß mit RGB 220/224/223). Die Albedo-Werte

wurden im Labor der Firma Leica, Heerbrugg, als total diffuse Reflektion über alle Richtungen

ermittelt. Der Albedo-Wert ist hierbei definiert als Verhältnis zwischen den diffusen Reflektio-


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nen der Testfläche mit einem idealen diffusen Reflektor. Die relativen Messungen beinhalten

eine Messunsicherheit von 5%.

Abbildung 1: Testkörper „Tafel“ zur Bestimmung des Rauschens eine TLS-Systems

Die Albedo-Werte sind abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lasers. In Tabelle 2

sind Werte für die Wellenlängen der Scanner Leica HDS7000 und Leica ScanStatioP20 gelis-

tet. Der hier mangels zeitlicher Verfügbarkeit nicht getestete Scanner Faro Focus3D besitzt zum

Vergleich eine Wellenlänge von 905 nm.

Tabelle 2: Albedo-Werte der Testflächen

Albedo Werte für getestete Wellenlänge

Testflächen Leica HDS7000 (1550 nm) Leica ScanStation P20 (808 nm)

Weiße Spanplatte 53,6% 87,5%

Weiße Grauwertkarte 83,1% 86,3%

Graue Grauwertkarte 33,2% 32,5%

Schwarze Grauwertkarte 5,2% 5,8%

Auf einer Schiene am oberen Ende der großen Fläche sind drei vertikal schwenkbare Einfalls-winkel-Testflächen aus demselben Material wie die Hauptfläche angebracht, welche unter-schiedliche Einfallswinkel des Laserstrahls simulieren (siehe in Abbildung 1 rechts unten). Die Kombination der verschiedenen Einzeltestfelder wurde gewählt, um unterschiedliche Auswer-tefälle (Testparameter) aus ein- und demselben Scan zu identisches Umgebungsparametern zu analysieren. Dadurch ist eine direkte Vergleichbarkeit unterschiedlicher Messobjekteigen-


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schaften gegeben und eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber Einzelmessungen wird er-reicht. Für weitere Untersuchungen und Vergleiche kann die Zusammenstellung der einzelnen Testflächen prinzipiell beliebig gewählt werden.

3.3.2 3D-Genauigkeit

Die 3D-Genauigkeitaussage soll als äußere Genauigkeit und somit als ein Maß für die mittlere Abweichung gemessener Koordinaten von ihren tatsächlichen Sollwerten definiert werden. Für die Ermittlung werden Koordinaten aus hochauflösend gescannten TLS-Zielmarken herange-zogen. Durch die Schätzung der Zielpunktskoordinaten aus hochredundanten Beobachtungen mittels Kleinster-Quadrate-Ausgleichung wird der Einfluss des Rauschens (siehe oben) auf die 3D-Genauigkeit minimal und somit vernachlässigbar. Die Genauigkeit der 3D-Koordinaten

lässt sich durch einen Punktfehler σ3D oder durch die Rückführung auf Standardabweichungen in der Streckenmessung σd und des Winkelabgriffs als σHz und σV ausdrücken. Wirkende Ein-flussgrößen sind hier alle (systematischen) Fehler der Distanzmesseinheit (z. B. Additions- und Maßstabskonstante) sowie die Ungenauigkeiten der Encoder für Horizontal- und Vertikalwin-kelablesung, darüber hinaus gehen Achsfehler und Exzentrizitäten ein. Eine Zusammenstel-lung und Klassifizierung der möglichen Einflussgrößen ist in KERN ET AL. (2008) zu finden. Un-tersuchungen zur Ermittlung der als TLS-Kalibrierparameter zu betrachtenden Größen benöti-gen ein Referenzfeld übergeordneter Genauigkeit und werden daher im Rahmen des hier dar-gelegten einfachen Praxisvergleichs mit gesonderten Fragestellungen nur am Rande behan-delt.

Im Rahmen einer aktuellen Master-Arbeit am Lehrstuhl für Geodäsie der Technischen Univer-sität München (REIDL, 2012) wurde ein Ansatz von NEITZEL (2006) zur Bestimmung von TLS-Achsfehlern, welcher auf bekannten Formelsätzen für Theodolite aufbaut, angewendet und erweitert. Hierbei wird die Möglichkeit der Zwei-Lagenmessung eines TLS-Systems vorausge-setzt. Der Vorteil besteht in der Verwendung eines 3D-Punktfeldes ohne erforderliche Soll-Koordinaten. Nach NEITZEL (2006) wird der Ansatz einer reinen Komponentenkalibrierung ver-folgt. REIDL (2012) setzt dies im Sinne einer Systemkalibrierung um. Um die Einflüsse des Ge-samtsystems zu berücksichtigen, werden die zum Laserscanner gehörenden Zielmarken so-wie die spezifische Auswertesoftware verwendet. Neben der überbestimmten Schätzung von Achsfehlern liefert die Anwendung einer Freien 3D-Netzausgleichung Genauigkeitsaussagen für die TLS-Beobachtungen. Darin spiegeln sich weitere Instrumentenfehler (z.B. Höhenindex-fehler) wieder und können so im Sinne einer Systemkalibrierung berücksichtigt werden. Dies stellt eine Erweiterung des Ansatzes nach HESSE (2008) dar.

Zusätzliche aktuelle Untersuchungen behandeln die nicht triviale Ermittlung und Trennung von Maßstabskomponente und Additionskonstante eines Laserscanners. Erste Ergebnisse zeigen entfernungsabhängig sprunghafte Einflüsse und somit einen nicht linearen Maßstabsfaktor im Arbeitsbereich der getesteten Laserscanner, was stückweise Korrekturen über Lookup-Tables vermuten lässt.

3.4 Vergleichsmerkmal Geometrietreue

Der Begriff Geometrietreue wurde im Zusammenhang der TLS-Vergleichsreihe insbesondere eingeführt, um den Einfluss der (Glättungs-)Filter auf die Qualität der Punktwolke zu untersu-chen. Der Anteil an geometrisch fehlerhaften Punkten im Bereich von Kanten ist dabei von besonderem Interesse. Darüber hinaus kann analysiert werden, inwieweit eine eindeutig defi-nierte geometrische Form durch die gemessene Punktwolke geometriehaltig und maßhaltig repräsentiert wird.


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3.4.1 Kantenverhalten

Insbesondere an geometrisch scharfen Objektkanten oder an Vorsprüngen, d.h. parallelen Ebenen in unterschiedlicher Tiefe, treten unkorrekte Messpunkte, welche durch Mischsignale („Kometenschweif“-Effekt) erzeugt werden, auf. Pulslaufzeitscanner mit Full-Waveform-Analysemethoden können diese Effekte positiv beeinflussen (WEHMANN ET AL., 2007). Als Folge daraus gibt es Verschmierungseffekte im Bereich der Kanten, die folglich nicht mehr scharf in der Punktwolke detektierbar sind. In der Praxis werden daher bei der Modellierung von Kanten ausschließlich Schnitte von Ebenen gebildet, wobei diese mit ausreichend vielen Messpunkten gescannt sein müssen und Messpunkte im unmittelbaren Kantenbereich selbst eliminiert wer-den. Sind nicht alle notwendigen Ebenen für einen Schnitt vorhanden, z.B. bei vorgelagerten Objekten oder aufgrund von Abschattungen, ist eine eindeutige Bestimmung der Objektbe-grenzungen nicht mehr möglich. Verstärkt wird diese Problematik zusätzlich durch Messda-tenfilter, welche zu einer Vergrößerung des Bereichs mit Mischsignalen führen können.

Darüber hinaus lassen sich systematisch auftretende Muster und Artefakte an Kanten be-obachten. Die Ursache für diese Kantenartefakte (Abbildung 2) bedarf weiterführender Unter-suchungen, der Effekt soll an dieser Stelle zumindest erwähnt werden.

Abbildung 2: Fehlerhafte Punkte an Kanten (TLS-System HDS7000): Kugel mit Hintergrundtafel auf Stativ (links oben) mit Mischpunkten und Artefakten an den Stativbeinen, Senkrechte Kante mit Misch-punkten (rechts oben) und nach hinten versetzte Objekt-Silhouetten als weitere Kantenartefakte (unten)

Für die Praxis ist die Bestimmung von Objektbegrenzungen (Kanten) eine wichtige Aufgaben-stellung. Die Präzision der Distanzmessung, welche sich in einem mehr oder weniger hohen Rauschniveau in der Punktwolke widerspiegelt, stellt jedoch in diesem Zusammenhang nicht den entscheidenden Einfluss dar. Vielmehr kann eine fehlerhafte Punktlage die Modellierung in der Praxis systematisch beeinflussen. Wie groß der Einfluss verschiedener Scan-Qualitäts-stufen (Datenfilter) auf die Geometrietreue an Kanten ist soll hier näher untersucht werden: Unter der hier neu eingeführten Vergleichsgröße der Geometrischen Richtigkeit nrichtig [%] soll


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der prozentuale Anteil an Scanpunkten verstanden werden, welche den gewählten geometri-schen Testkörper in richtiger Weise beschreiben, d.h. nicht signifikant durch Mischsignale be-einflusst werden. Der Anteil der Punkte, welcher sich innerhalb eines ± 3σDIST Konfidenzinter-vall um die Testkörpergeometrie befinden werden als richtige Punkte nrichtig [%] segmentiert. Der eingeführte Wert σDIST entspricht der Standardabweichung der Residuen einer ausgegli-chenen Ebene auf derselben Testoberfläche und basiert demnach auf dem jeweiligen Rauschniveau des untersuchten Scanners. Durch die prozentuale Betrachtung ist die Ver-gleichsgröße theoretisch unabhängig von der gewählten Auflösungsstufe r.

Abbildung 3: Testkörper „Lochscheibe“ zur Bestimmung des Kantenverhaltens eines TLS-Systems

Als Testkörper dient eine Lochscheibe mit 10 cm Ringstärke und 10 cm Abstand von einer dahinter befindlichen weißen Hintergrundfläche der Größe 60 x 60 cm² (Abbildung 3). Um exakte Kanten in Messrichtung zu erhalten, wurden die Seiten der Lochscheibe nach hinten abgeschrägt, so dass es zu keinen Messpunkten auf der Seitenfläche kommen kann. Die Fer-tigung der verwendeten Testkörper „Tafel“ und „Lochscheibe“ wurde in der Feinmechani-schen Werkstatt des Lehrstuhls für Geodäsie an der Technischen Universität München durch-geführt. Das hier eingeführte Testkonzept erweitert die von BÖHLER (2005) und WEHMANN ET

AL. (2007) rein qualitativ durchgeführten Vergleiche zur Kantenerfassung. Das hier vorgeschla-gene Testkonzept kann prinzipiell auch auf andere Testkörpergeometrien angewendet oder erweitert werden.

10 cm 10 cm20 cm

60 cm

10 cm 10 cm

10 cm

Draufsicht

Seitensicht


15

Abbildung 4: Ableitung der Vergleichsgröße nrichtig zur Beurteilung des Kantenverhaltens

Auf die Einführung von festen Grenzen (z.B. cm-Bandbreite) wurde in diesem Zusammenhang bewusst verzichtet. Zum einen handelt es sich bei der Definition des Grenzwertes um die gän-gige Definition von groben Fehlern in geodätischen Beobachtungen, zum anderen wird der Ableitung von geometrischer Information mittels bestangepasster geometrischer Primitive nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus Punktwolken in der Modellierungspraxis Rechnung getragen. Höhere Scan-Qualitätsstufen beeinflussen die Qualität der Punktwolken, in dem insbesondere das Rauschen verringert wird. In der Punktwolke wird dem Anwender somit ein höheres Maß an Präzision in den Messdaten vermittelt, welches sich negativ auf den (relativen) Anteil an geometrischer Fehlinformation wie oben beschrieben auswirken kann. Eine Steigerung der Präzision in Punktwolken (was einer Verringerung des Rauschens entspricht) bedingt nicht ein höhere Maß an Geometrietreue - das Gegenteil kann mitunter der Fall sein, wenn der Anteil an grober Fehlinformation steigt. Aus diesem Grund ist die Vergleichsgröße nrichtig nicht in direkter Abhängigkeit zum Rauschniveau σDIST zu betrachten. Der Ansatz ent-spricht im Sinne der Vergleichbarkeit einer Normierung auf das Rauschniveau des Scanners.


16

Weiterführende Betrachtungen zum Auflösungsvermögen eines TLS-Systems werden an die-ser Stelle nicht behandelt. Hier sei auf die einschlägige Literatur, insbesondere auf die Unter-suchungen von Böhler (2005) verwiesen.

3.4.2 Formtreue

Als Maß für die Formtreue wird bisher meist die Kugelradienabweichung RK verwendet (siehe Formel 2). Dabei gewinnt man über mehrere geschätzte Radien R, die aus der Berechnung besteingepasster Kugeln resultieren, ein Maß für die tatsächliche Entsprechung des abgeleite-ten mittleren geometrischen Parameters R bezüglich dessen bekannten Soll-Maßes. Es han-delt sich um eine Aussage über die Qualität der abgeleiteten Geometrie und somit der geo-metrischen Modellierbarkeit. Das Rauschen hat bei ausreichend redundanter Punktinformation keinen direkten Einfluss. Die Kugel ist hierbei von besonderer Eignung, da die Bandbreite an verschiedenen Einfallswinkeln sowie die Intensitätsverteilung die tatsächlich auftretenden Wer-te abdecken. Für diese Vorgehensweise ist es jedoch in der Praxis notwendig, diejenigen Punkte zu definieren, welche für die Berechnung des Best-Fit-Körpers herangezogen werden. Insbesondere werden dadurch diejenigen Messpunkte, welche aus Mischsignalen gebildet werden und daher fehlerhaft sind („Kometenschweif“-Effekt), nicht berücksichtigt.

Abbildung 5: Bestangepasste Kugel an Punktwolke (TLS-System HDS7000)

Das heißt in diesem Zusammenhang auch, dass keine Aussage über die tatsächliche Geomet-rietreue der Messung entsteht, sondern lediglich über die erreichbare Maßhaltigkeit eines spe-ziellen Auswertungsresultats. Prinzipiell ist eine Beurteilung der Formtreue auch mit anderen geometrischen Primitiven denkbar. Ein weiteres Kriterium könnte hier z.B. die Ableitung von Schnittwinkeln aus bestangepassten und verschnittenen Flächen oder auch die Bestimmung von Flächen und Volumina von Referenzkörpern aus erzeugten Punktwolken sein.

3.5 Vergleichsmerkmal Reichweite

Innerhalb der von den Herstellern angegebenen (nominellen) Reichweiten oder Arbeitsberei-chen ist, je nach Strahldivergenz, Winkelauflösung, Qualität der Distanzmessung und Oberflä-chenbeschaffenheit, ein unterschiedlicher Qualitätsverlauf der erzielbaren Ergebnisse zu er-warten. Dies betrifft sowohl die Punktdichte als auch die Verwertbarkeit des jeweiligen Einzel-punkts.

3.5.1 Modellierungsreichweite (Messentfernung auf Objekte)

Der Erfassungsgrad ε(d) kann aus dem Verhältnis von theoretisch vorhandenen und tatsäch-lich gemessenen Objektpunkten in Abhängigkeit der Messentfernung d in [%] angegeben wer-den (siehe Abbildung 6). Notwendiges Kriterium für die Bestimmung einer praxisrelevanten


17

maximalen Messentfernung dmax ist ein Mindestmaß εK an gemessenen Punkten (definierter kritischer Erfassungsgrad).

Abbildung 6: Maximale Messentfernung und kritischer Erfassungsgrad

Die Bestimmung der maximalen Messentfernung dmax kann somit aus dem angenommenen (linearen) Zusammenhang wie folgt geschehen:

( ) ( )( )( )dndn

dddt

g

K =ε und ε=ε für max max (6)

Die Zahl der theoretisch vorhandenen Punkte nt auf einer Testfläche kann entsprechend der Messentfernung d aus der gewählten Winkelauflösung berechnet werden. Die Zahl der tat-sächlich gemessen Punkte ng kann durch die Ermittlung aller Punkte auf dieser Testfläche an-gegeben werden, indem grobe Fehler mit Residuen größer als ± 3σDIST nach Berechnung einer ausgleichenden Ebene vernachlässigt werden. εK ist in diesem Zusammenhang sinnvoll zu wählen. Eine Empfehlung bedarf näherer Untersuchungen und kann hier noch nicht gegeben werden. Ergänzend können auch die Residuen im Hinblick auf das Vorhandensein einer Nor-malverteilung analysiert werden. Dies entspricht einem Zuverlässigkeitswert für Einzelmessun-gen in einer bestimmten Entfernung und erlaubt, eine für den praktischen Einsatz geeignete Obergrenze für eine zuverlässige Modellierbarkeit von Objekten festzulegen.

Als Testfläche könnte wieder eine Ebene oder eine Kugel dienen, wobei mögliche Einflüsse von Einfallswinkel und Reflektivität beachten werden sollten. Testmessungen erfolgen eben-falls auf einer Teststrecke, mindestens im gegebenen nominellen Arbeitsbereich des Scan-ners. Untersuchungen zur Reichweite eines Scanners können mit der Ableitung des Rau-schens σDIST kombiniert werden.


18

Abbildung 7: Erfassungsgrad von Punktwolken einer weißen Fläche bei 20 m, 100 m und 160 m Mes-sentfernung (TLS-System HDS7000)

3.5.2 Registrierungsreichweite (Messentfernung auf Zielmarken)

Vergleichsuntersuchungen der Reichweite sind neben der Messentfernung auf Objekte dmax im Hinblick auf die Modellierbarkeit von Objekten auch für die maximale Messentfernung auf Ziel-marken dziel durchzuführen. Letztere geben Informationen über die entsprechende entfer-nungsabhängige Verwendbarkeit von Zielmarken für die Registrierung von TLS-Daten. Somit kann das maximale Arbeitsfeld bezüglich Passmarken und -kugeln bestimmt werden. Diese Information ist für den praktischen Einsatz sehr interessant und oft nicht direkt verfügbar. Ein Konzept zur allgemeinen Bestimmung sowie eine konkrete Richtlinie für den Laserscanner HDS7000 ist derzeit am Lehrstuhl für Geodäsie der Technischen Universität München in Ar-beit.

Abbildung 8: Analyse der Messentfernung auf Zielmarken (TLS-System HDS7000)

Konkret ist zum einen zu untersuchen, mit welcher Qualität die geometrische Modellierung und Ableitung der Koordinaten einer Zielmarke mit den vorhandenen Punkten überhaupt mög-lich ist und zum anderen, inwieweit sich zu bestimmende Sollpositionen dadurch verifizieren lassen. Geeignete Grenzwerte sind zu definieren, um eine zu erzielende Genauigkeit in der


19

Registrierung zu gewährleisten. Die Untersuchungen sind in Abhängigkeit der (vordefinierten) Auflösungsstufen und gegebenenfalls der Scan-Qualitätsstufen eines TLS-Systems durchzu-führen.

Bei Verwendung einer entfernungsbeschränkten Komparatorbahn können daneben Informati-onen über Maßstabsunregelmäßigkeiten in deren Messbereich gewonnen werden. Für die Un-tersuchung des Maßstabes im gesamten Arbeitsbereich des Scanners bedarf es aufwendiger Messungen auf entsprechenden Referenzstrecken oder anderer Konzepte.

3.6 Vergleichsmerkmal Messgeschwindigkeit

Prinzipiell trivial ist die Bestimmung der Messgeschwindigkeit. Darunter verstanden wird die Dauer eines Rundumscans (gesamter Messbereich) mit einer praxisüblichen Scan-Auflösung und einer mittleren (empfohlenen) Scan-Qualitätsstufe. Als Scan-Auflösung soll in diesem Zu-sammenhang ein horizontaler und vertikaler Objektpunktabstand von 5 mm bei einer Messent-fernung von 10 m als praxisrelevant angenommen werden. Die Zeit der Datenerfassung eines Rundumscans lässt sich somit durch ttypisch in Minuten ausdrücken. Vordefinierte Auflösungs-stufen können von diesem Wert leicht abweichen. Prinzipiell besitzen TLS-System verschiede-ne vordefinierte Scan-Qualitätsstufen und Scan-Auflösungsstufen, ein exakter und objektiver Vergleich ist somit jedoch nur mit Einschränkungen möglich.

Zusätzlich kann generell in Kombination mit allen weiteren Vergleichskriterien überprüft wer-den, ob durch höhere Scan-Qualitätsstufen und somit eine längere Messdauer der nach-zuweisende Genauigkeitsgewinn gerechtfertigt oder nicht ist. Dies muss natürlich im Kontext der praktischen Anwendung gesehen werden.


20

4 Untersuchte TLS-Systeme (Lasercanner und Auswertesoftware)

Zur Anwendung der TLS-Vergleichsreihe wurden drei Scanner der Firmen Leica und Faro ver-wendet. Darunter die beiden auf dem Phasenvergleichsverfahren basierenden Scanner Leica HDS7000 (baugleich mit dem Laserscanner Imager 5010 des Instrumentenherstellers Zoller & Fröhlich) und Faro Focus3D sowie der Laserscanner Leica ScanStation P20, dessen EDM-Einheit auf dem Pulslaufzeitverfahren mit Waveform Digitizing (WFD) basiert, welches der Technologie des Full Waveform Laserscannings in den Grundzügen ähnlich sein darf. Das Waveform Digitizing kann als Kombination aus Phasenvergleichsverfahren und Impulslauf-zeitmessung verstanden werden. Eine hohe Messgeschwindigkeit kann dadurch theoretisch mit einer hohen Messgenauigkeit im mittleren Entfernungsbereich kombiniert werden.

Für die von den Herstellern in den Datenblättern angegebenen Spezifikationen, insbesondere auch betreffend der nominellen Distanzmessunsicherheiten sei auf die in der Anlage befindli-chen Instrumentenspezifikationen verwiesen, in der die drei Scanner neben weiteren aufge-führt sind.

Abbildung 9: Von links nach rechts: TLS-Systeme Leica HDS7000 (LEICA, 2013), Faro Focus3D (FARO 2013) und Leica ScanStation P20 (LEICA, 2013)

4.1 Datenkonvertierung und Importfiltereinstellungen

Für die nachfolgend beschriebene TLS-Versuchsreihe wurden für die Datenkonvertierung die herstellerspezifischen Softwareprodukte Leica Cyclone (Version 7.4.1) und Faro Scene (Versi-on 4.8) eingesetzt. Die Datenkonvertierung für die im Datenformat *.zfs erzeugten Punktwolken des HDS7000 erfolgte mit der Software Leica Cyclone, wobei bei den relevanten Importfilter-einstellungen die vorgegebenen Standardwerte2 verwendet wurden. Die Messdaten des Faro Focus3D wurden ebenfalls mit den Standardimportfiltereinstellungen3, der Software Faro Scene importiert. Die Datenkonvertierung für die mit dem Leica Instrument ScanStation P20 erfolgte

2 Softwaremenüpunkt Edit → Phase-Based Scanner Filter Settings → Filter Setting For: HDS7000 → Intensity: Minimum 0.06 Maximum 120 %, Invalid (Skirt): Angle 25 deg, Mixed Pixel: Pixel 6 Angle 2 deg, Range: From 0.5 To 187 m, Single Filter: Pixel 2, Intensity Overload Threshold: 5718750

3 Softwaremenüpunkt Tools → Options → Default Filter → Apply default filter on first load: Yes, Reflec-tance Threshold: 300, Grid Size: 3 px, Distance Threshold: 0.02 m, Allocation Threshold: 50 %


21

mit dem prototypischen Programm „DataCopyTool“ welches Dateien im *.ptg Format zur wei-teren Verwendung in der Software Leica Cyclone verwendet. Diese Schnittstelle wurde von Leica im Rahmen des Instrumententests zur Verfügung gestellt, da die Software Cyclone in der Version 7.4.1 noch keine Daten des Scanners ScanStation P20, welcher sich zum Zeit-punkt der Untersuchungen im Entwicklungsstadium befand, einlesen konnte. Innerhalb der Umwandlung in das *.ptg Datenformat wurden die Daten auch hier softwareseitig standard-mäßig gefiltert4.

Um mögliche Einflüsse der Importfilter auf die Ergebnisse des Rauschens und des Kantenver-haltens abzuwägen, wurden die durchgeführten Untersuchungen zusätzlich mit vollständig deaktivierten Importfiltereinstellungen ausgewertet, die Deaktivierung ist in den entsprechen-den Softwaremenüpunkten möglich. Es ist wichtig, die Importfiltereinstellungen von den Scan-Qualitätsstufen zu trennen, da diese während des Scanvorgangs an die erzeugten Punktwol-ken angebracht werden, während die Importfilter erst beim Einlesen der „Rohdaten“ in der entsprechenden Software auf die Punktwolken wirken (vergleiche Abbildung 10).

Abbildung 10: Testschema und Begriffsabgrenzung

Alle folgenden Untersuchungen und die Ableitung der Vergleichsgrößen wurden mit einer her-stellerunabhängigen Softwareeigenentwicklung durchgeführt. Anhand dieser Vorgehensweise kann von einem TLS-Systemtest gesprochen werden.

4.2 Getestete Scan-Qualitätsstufen

Für die durchgeführten Testmessungen wurden vergleichbare Einstellungen bei den vordefi-nierten Scan-Qualitätsstufen verwendet. Von allen verfügbaren Stufen wurden drei repräsenta-

4 Softwaremenüpunkt Export Scan → Filtered PTG Format (*.ptg)


22

tive Einstellungen gewählt und ein prozentualer Wert für die angenommen wirksame Distanzfil-terung fDIST vergeben.

fDIST = 0 %: unterste Stufe

fDIST = 50 %: mittlere/empfohlene Stufe

fDIST = 100 %: höchste Stufe

Zu den jeweiligen Qualitätsstufen wurde immer die jeweils höchstmögliche Auflösungsstufe r = 100 % gewählt (Bei fDIST = 100% steht meist eine vergleichsweise geringere Auflösungsstu-fe zur Verfügung):

Tabelle 3: Scan-Qualitätsstufen fDIST und jeweils höchst verfügbare Auflösungsstufe r = 100 %

TLS-System fDIST = 0 % fDIST = 50 % fDIST = 100 %

HDS7000 „Low quality“ „Normal quality“ „Premium quality“

Focus3D „1x“ „4x“ „8x“

ScanStation P20 „1“ „2“ „4“

r = 100% für obige Scan-Qualitätsstufen fDIST

HDS7000 „Super High“

(3,1 mm/10 m) „Extreme High“ (0,6 mm/10m)

„Ultra High“ (1,6 mm/10 m)

Focus3D „1.538 mm/10 m“ „1.538 mm/10 m“ „6.136 mm/10 m“

ScanStation P20 „1 mm/10 m“ „1 mm/10 m“ „2 mm/10 m“

4.3 TLS-Messstrecke Eichenau

Eine 180 m lange TLS-Messstrecke mit abgemarkten Streckenintervallen von ΔDIST = 10 m wurde im Außenbereich des Max Kneißl Institut für Geodäsie der Technischen Universität München (MKI) realisiert. Alle Testmessungen fanden bei sonnigem und windfreiem Wetter im August 2012 an drei Messtagen statt. Die Scanner sowie die Testkörper befanden sich wäh-rend der Messungen im Schatten und wurden nicht von direktem Sonnenlicht erfasst.

Um die Vergleichbarkeit der TLS-Messungen zu gewährleisten, wurden alle Scanner auf einer zur Messrichtung senkrecht stehenden Basislinie und mit identischen Zielachshöhen symmet-risch aufgestellt (Abbildung 11). Auf derselben Basis wurde ein Tachymeter zur Ausrichtung der Zielachshöhen der Scanner (Gehäusemarkierungen) und zur Ausrichtung der Testkörper verwendet. Da der Scanner Focus3D keine Markierung der Zielachshöhe am Gehäuse besitzt, wurde diese auf Höhe der Rotationsspiegelachse angenommen und abgeschätzt. Der jeweili-ge Testkörpermittelpunkt wurde in der Höhe dem Niveau der Zielachsen angepasst und senk-recht zur Messrichtung ausgerichtet, um einen orthogonalen Einfallswinkel auf den Testkör-pern bei den TLS-Messungen zu erzeugen.


23

Abbildung 11: Instrumentenaufstellung auf TLS-Außenteststrecke

Zur senkrechten Ausrichtung der Testkörper mittels des reflektorlos messenden Tachymeters und zu Zwecken der Datenkonvertierung wurden kleine, matt-laminierte Schwarz/Weiß-Zielmarken an den Testkörpern angebracht (siehe hierzu Abbildung 1 und Abbildung 3).

4.4 TLS-Prüffeld München

Ein TLS-Prüffeld zur Bestimmung der äußeren Genauigkeit von TLS-Systemen wurde von REIDL (2012) konzipiert und im Versuchslabor des Lehrstuhls für Wasserbau und Wasser-wirtschaft der Technischen Universität München installiert. Hierbei handelt es sich um eine offene Halle, welche über mehrere Ebenen durch Gänge zugänglich ist. Dadurch können TLS-Zielmarken und Instrumentenstandpunkte räumlich gut verteilt angebracht werden. Das Vor-handensein eines Deckenkrans mit Brücke ermöglicht zudem das Anbringen von Punkten mit sehr steilen Visuren an der Hallendecke.

Abbildung 12: TLS-Prüffeld (oben links), Vermarkung der Zielpunkte (oben rechts), räumliche Anord-nung von Zielmarken in blau und Instrumentenstandpunkte in rot (unten)

Die zwölf Zielpunkte des Testfeldes wurden mit Gewindebohrungen in der Stahlkonstruktion der Halle vermarkt, sodass verschiedene, herstellerspezifische Zielmarken (Abbildung 13) mit-


24

tels Adapter verwendet werden können. Fünf Instrumentenstandpunkte sind mittels Stativ-standpunkten und Wandkonsolen realisiert. Es entstehen somit eine maximale Zielhöhe von ca. 10 m und eine maximale Zielweite von ca. 29 m. Das Testfeld ist so angelegt, dass Visuren zwischen allen Zielpunkten und allen Standpunkten vorhanden sind.

Abbildung 13: Herstellerspezifische und empfohlene TLS-Zielmarken, von links nach rechts: Leica HDS7000 Schwarz/Weiß-Zielmarke, Faro Focus3D Zielkugel und Leica ScanStation P20 Schwarz/Weiß-Zielmarke

Die verwendeten Schwarz/Weiß-Zielmarken sind sogenannte „Tilt and Turn“-Zielmarken und lassen sich durch ihre Konstruktion mittels Verdrehen und Verschwenken zu verschiedenen Scannerstandpunkten senkrecht ausrichten. In einer Testreihe des Geodätischen Prüflabors wurden zwölf handelsübliche Schwarz/Weiß-Zielmarken des Scanners HDS7000 auf Ihre Fer-tigungsqualität und insbesondere die Präzision der Mittelpunkte bei Verschwenken und Ver-drehen der Marke ermittelt. Hierbei wurde ein mittlerer Zielmarkenfehler von 1,5 mm bei Wer-ten zwischen 0,5 mm und 2,4 mm aus der Stichprobe ermittelt, wobei sich diese aus einem Taumelfehler der Drehachse und einem Fehler der Schwenkachse zusammensetzt. Für TLS-Anwendungen übergeordneter Genauigkeit empfiehlt sich die Überprüfung von dreh- und schwenkbaren TLS-Zielmarken, für TLS-Standardanwendungen ist die Präzision der geteste-ten Zielmarken als ausreichend anzusehen.

4.5 Präzision (Rauschen)

Für nachfolgende Untersuchungen zum Rauschen wurden unabhängige Softwareeigenent-wicklungen verwendet. Die damit mögliche automatische Auswertung der Messreihen basiert auf den Punktwolken des Testkörpers in unterschiedlichen Messentfernungen welche als ASCII-Datei aus der herstellerspezifischen Software nach Datenexport zur Verfügung stehen. Bei der Auswertung wurde eine durchgängige Dokumentation der Qualität der geschätzten Vergleichsgrößen durchgeführt (insbesondere der Eigenschaften der Häufigkeitsverteilung der Residuen).

Zur Ermittlung des entfernungsabhängigen Rauschens der Distanzmesseinheit σDIST als Ver-gleichsgröße für die Laserscanner wird die Standardabweichung der Residuen einer frei aus-geglichenen Ebene durch die automatisch segmentierten Teilpunktwolken der entsprechenden Testflächen auf dem Testkörper „Tafel“ entlang der oben beschriebenen TLS-Messtrecke in ΔDIST = 10 m Intervallen für unterschiedliche Messentfernungen d ermittelt. Dabei werden fol-gende Testflächen für unterschiedliche Reflexionsgrade und Einfallswinkel verwendet (siehe Abbildung 14):


25

Abbildung 14: Segmentierte Testflächen für unterschiedliche Reflexionsgrade und Einfallswinkel

Alle Rauschwerte wurden mit den drei gewählten Scan-Qualitätsstufen fDIST gleich 0%, 50%

und 100 % bei jeweils höchster Auflösungsstufe durchgeführt um den Einfluss des Scanfilters

auf das Rauschen zu ermitteln. Ergebnisse bei Standard-Importfiltereinstellungen und ohne

Standardimportfilter werden gegenübergestellt.

Rauschen σDIST,w auf weißer Fläche (#1)

Rauschen σDIST,g auf grauer Fläche (#4)

Rauschen σDIST,s auf schwarzer Fläche (#3)

Rauschen σDIST,45 auf weißer, 45° geneigter Fläche (#8)

Das Rauschen auf die 15° und 30° geneigten Flächen zeigt Werte zwischen den gezeigten Rauschniveaus σDIST,w und σDIST,45. Das Rauschen σDIST,45 auf die Einfallswinkeltestfläche wurde zur Untersuchung der Distanzmesseinheit des Scanners auf die Messrichtung reduziert. Zwi-schen dem Einfallswinkel α, der Standardabweichung der Residuen der frei ausgeglichenen

Ebene σres und dem abgeleiteten Rauschen σDIST als Komponente des Rauschens parallel zum

Laserstrahl soll gelten:

α

σσ

cos= res

DIST

(7)


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σDIST,w auf weißer Fläche, Scan-Qualitätsstufen in %

Standard-Importfiltereinstellungen Ohne Standard-Importfilter

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Abbildung 15: Rauschen σDIST,w auf weißer Fläche

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σDIST,g auf graue Fläche, Scan-Qualitätsstufen in %


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Abbildung 16: Rauschen σDIST,g auf grauer Fläche

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σDIST,s auf schwarze Fläche, Scan-Qualitätsstufen in %


Fo

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D

HD

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Scan

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n P

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Abbildung 17: Rauschen σDIST,s auf schwarzer Fläche

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Rauschen σDIST,45 auf 45° geneigter Fläche, Scan-Qualitätsstufen in %


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Scan

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Abbildung 18: Rauschen σDIST,45 auf weißer, 45° geneigter Fläche

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4.6 3D-Genauigkeit

Im beschriebenen TLS-Testfeld wurden mit allen drei TLS-Systemen von fünf Standpunkten jeweils 10 Zielmarken gescannt und die Koordinaten der Zielmarken mit der jeweiligen Herstel-lersoftware ausgewertet. Die in den lokalen Scannerkoordinatensystemen gewonnen kartesi-schen Koordinaten können in polare Messwerte Schrägstrecke d, Horizontalwinkel Hz und Zenitdistanz V und zurückgerechnet werden. Durch die redundanten Beobachtungen können Genauigkeitsaussagen für die Beobachtungen aus einer freien 3D-Netzausgleichung abgelei-tet werden. Eine Bestimmung von Additionskonstante und Maßstab ist damit ohne weiteres nicht möglich. Das Ergebnis darf jedoch der Registriergenauigkeit, wie sie der Anwender er-fährt, als ähnlich angenommen werden. Die in Tabelle 4 aufgelisteten mittleren Genauigkeiten der Beobachtungen σd, σHz und σV für alle drei Scanner wurden mit der ingenieurgeodätischen Software Cremer Caplan (CREMER, 2013) berechnet, vergleiche hierzu auch REIDL (2012). Die Standardabweichung der Lage- und Höhenkomponente σx/y und σz wird softwareseitig stan-dardmäßig ausgegeben, die entsprechenden Varianzen der polaren Messwerte wurden mittels Varianzfortpflanzung abgeleitet.

Tabelle 4: Mittlere Genauigkeiten der zurückgerechneten Polaren Messwerte

TLS-System σd [mm] σHz [mgon] σV [mgon] σx/y [mm] σz [mm]

HDS7000 1.8 4.7 11.7 0.6 0.8

Focus3D 1.9 9.6 10.9 0.9 0.8

ScanStation P20

0.9 2.8 3.8 0.3 0.2

Für die 3D-Netzausgleichung in einem robusten Ausgleichungsmodell wurde für alle drei Scanner dieselbe Netzkonfiguration verwendet, um einen objektiven Vergleich zu gewährleis-ten. Im Laufe der Testmessungen wurden ausreichende Aufwärmphasen (ca. 30 Minuten) der Instrumente berücksichtigt, wobei für den Faro Focus3D Scanner eine aus den gemachten Er-fahrungen längere Aufwärmphase notwendig ist um ein stabiles Genauigkeitsniveau in den Beobachtungen zu erhalten.

4.7 Kalibrierparameter

Um darüber hinaus Kalibrierparameter im Sinne von Zielachsfehler i, Kippachsfehler c, Exzent-rizität der Zielachse e und einem Höhenindexfehler fh auf Ihre Signifikanz zu prüfen wurden TLS-Messungen in zwei Lagen nach NEITZEL (2006) im TLS-Testfeld durchgeführt. Die Be-obachtungen können nach NEITZEL (2006) als unkorrelliert und gleich genau angenommen werden. Dafür sind allerdings Messungen unter Laborbedingungen vorausgesetzt. Da hier zur Datenerfassung das gesamte TLS-System unter praxisnahen Bedingungen genutzt wurde, ist diese Annahme nicht sinnvoll für das stochastische Modell der zu schätzenden Unbekannten i, c und e. Aus einer durchgeführten Freien Netzausgleichung wird die Kovarianzmatrix der Be-obachtungen als Kofaktormatrix für die Ausgleichung zur Schätzung der Instrumentenfehler eingeführt. Mit einem abschließenden t-Test wird entschieden, ob der ermittelte Instrumenten-fehler signifikant ist. Für Details zum verwendeten Funktionalmodell und zu den Näherungs-werten der Kalibrierparameter sei an dieser Stelle auf REIDL (2012) verwiesen.

Die Ergebnisse der Kalibrierung der TLS-Systeme Leica HDS7000 und Leica ScanStation P20 sind in Tabelle 5 zusammengefasst. In Ermangelung der Möglichkeit, Zwei-Lagen-Scans mit


31

dem Faro Focus3D durchzuführen, können für diesen Scanner hier keine Vergleichsergebnisse gezeigt werden.

Tabelle 5: Kalibrierparameter

TLS-System Zielachsfehler Kippachsfehler

i [mgon] σi [mgon] Signifikanz c [mgon] σc [mgon] Signifikanz

HDS7000 -0,51 0,44 nein 11,99 0,48 ja

ScanStation P20

-0,63 0,33 nein 4,20 0,43 ja

TLS-System Exzentrizität der Zielachse Höhenindexfehler

e [mm] σi [mm] Signifikanz fh [mgon] σi [mgon] Signifikanz

HDS7000 0,06 0,08 nein -4,47 0,53 ja

ScanStation P20

0,01 0,06 nein 1,24 0,24 ja

Aus den ermittelten Kalibrierparametern sind insbesondere die signifikanten Kippachsfehler und Höhenindexfehler zu erwähnen. In REIDL (2012) werden abschließend Untersuchungen zu einer Minimalkonfiguration für die Beobachtungen im TLS-Testfeld durchgeführt sowie Aus-wirkungen der ermittelten Instrumentenfehler auf abgeleitete geometrische Parameter in mo-dellierten Punktwolken der Scanner abgeschätzt.

4.8 Kantenverhalten

Die nachfolgenden Untersuchungen zur Geometrietreue beziehen sich auf das Kantenverhal-ten der Laserscanner und verwenden die eingeführte Vergleichsgröße der Geometrischen Richtigkeit. Die TLS-Messungen auf den Testkörper „Lochscheibe“ wurden parallel zu den Testmessungen zur Bestimmung des Rauschens durchgeführt. Die Messintervalle entlang der TLS-Messstrecke betrugen ΔDIST = 20 m. Die Testpunktwolken wurden wieder mit einer Soft-wareeigenentwicklung ausgewertet, im selben Datenkonvertierungsablauf wie bereits be-schrieben. Die Vergleichsgröße nrichtig [%] beschreibt den Anteil an geometrisch richtigen Punk-ten welche in einem Konfidenzintervall ± 3σDIST um die Geometrie des kalibrierten Testkörpers liegen. Durch die nachfolgende Auswertung des Kantenverhaltens der drei Scanner soll insbe-sondere der Einfluss der Scan-Qualitätsstufen als vermeintliche Glättungsfilter sowie die Im-portfilterauswirkungen entfernungsabhängig betrachtet werden. Die kantenerhaltenden Eigen-schaften der TLS-Datenfilter werden hier rein empirisch betrachtet.


32

In Abbildung 19 sind exemplarisch Punktwolken der Scanner bei 20 m und 100 m Messentfer-nung (20 m und 60 m für Faro Focus3D), einer mittleren Scan-Qualitätsstufe fDIST = 50% und Standard-Importfiltereinstellungen in verschiedenen Ansichten gezeigt.

d = 20 m d = 100 m (Focus3D bei d = 60 m)

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Abbildung 19: Kantenverhalten an Testkörper „Lochscheibe“


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Geometrische Richtigkeit nrichtig Scan-Qualitätsstufen in %

Standard-Importfiltereinstellungen Ohne Standard-Importfilter F

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Abbildung 20: Geometrische Richtigkeit nrichtig

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4.9 Reichweite

Die im Kapitel „Vergleichsmerkmal Reichweite“ definierten Vergleichsgrößen Modellierungs-reichweite dmax und Registrierungsreichweite dziel wurden im Rahmen des Instrumententest nicht ausgewertet. In einer ausgeschriebenen und vergebenen Bachelor-Arbeit mit dem Ar-beitstitel „Untersuchungen zur Verwendung von TLS-Zielmarken mit einem Laserscanner“ soll eine Richtlinie für die Registrierungsentfernung in Abhängigkeit der gewählten Scan-Auflösungsstufe für verschiedene Scanner an der Technischen Universität München im Laufe des Jahres 2013 erarbeitet werden und die hier durchgeführten Vergleichsuntersuchungen ergänzen. Diese Untersuchungen sollen auch mit den teilweise verfügbaren Herstellerentfer-nungen verglichen werden.

Die hier ausgewerteten und auswertbaren maximalen Reichweiten je Testkörper und gewählter Scanqualität sind in Tabelle 6 gelistet:

Tabelle 6: Reichweiten auf Testkörper

TLS-System Import-Filter fDIST [%] Reichweite [m] „Lochscheibe“

Reichweite [m] „Tafel“

Focus3D

ja

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nein

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ja

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ScanStation P20

ja

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4.10 Zeitbedarf Datenerfassung

Wie in Kapitel „Vergleichsmerkmal Messgeschwindigkeit“ vorgeschlagen wurden vergleichba-re Einstellungen bezüglich der Scan-Auflösung mit r = 5 mm/10 m und einer mittleren Scan-Qualitätsstufe fDIST = 50 % gewählt. Bei der Auflösungsstufe r wurde die jeweils ähnlichste ver-


35

fügbare Stufe gewählt. Die mittleren Scan-Filtereinstellungen wurden wie oben aufgelistet an-genommen. Die Messgeschwindigkeiten ttypisch wurde den Herstellerspezifikationen entnom-men (LEICA, 2011; FARO 2011 und LEICA 2012). Durchgeführte Testmessungen haben die in allen Spezifikationen angegebenen Zeiten bestätigt.

Tabelle 7: Typische Messgeschwindigkeiten HDS7000, Focus3D und ScanStation P20

TLS-System r [mm/10 m] fDIST [%] ttypisch [min:s]

HDS7000 6,3 („High“) 50 („Normal quality“) 03:22

Focus3D 6,136 („1/4“) 50 („4x“) 07:09

ScanStation P20 5 („5“) 50 („2“) 02:42

Der Vergleich zeigt die Scanner HDS7000 und die ScanStation P20 im selben Bereich typi-scher Messgeschwindigkeiten. Der Scanner Focus3D kann mit dem Faktor zwei langsamer ein-geordnet werden.

4.11 Einfluss potentieller Störobjekte auf den Testkörpern

Ein Einfluss von potentiellen Störobjekten, welche konstruktionsbedingt an den Testkörpern vorhanden sind (Alubauteile und matt laminierte Passmarken zu Zwecken der Datenkonvertie-rung), wurde im Zuge der Auswertungen als möglich erachtet. Aus diesem Grund wurden die effektiv für die Auswertung genutzten Flächen auf innere Bereiche beschränkt, wobei Randbe-reiche mit möglichen Misch- oder Störpunkten eliminiert wurden. (siehe Abbildung 21). Bei größeren Messentfernungen sind von den Störobjekten ausgehende Einflussbereiche im In-tensitätsbild der Punktwolken zu erkennen, welche die Testfelder jedoch weitgehend nicht erreichen. In Abbildung 21 sind Punktwolken der getesteten Scanner auf den Prüfkörper „Ta-fel“ bei Messentfernungen d von 20 m und 100 m gezeigt.

Durchgeführte Labor-Vergleichsmessungen mit sichtbaren und mit weißem Papier abgedeck-ten potentiellen Störobjekten mit dem Scanner HDS7000 zeigen einen vernachlässigbaren Unterschied in der abgeleiteten Vergleichsgröße σDIST in der Größenordnung von wenigen 1/10

mm für alle Testflächen in unterschiedlichen Entfernungen. Die in Abbildung 21 dargestellten Punktwolken zeigen jeweilige instrumentenspezifische Intensitätsskalierungen und können deshalb nicht übergreifend verglichen werden.


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d = 20 m d = 100 m

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Abbildung 21: Punktwolken auf Testkörper „Tafel“ bei fDIST = 50 % und bei Standardimportfiltereinstel-lungen, spezifische Intensitätsskalierung

4.12 Zusammenfassung

Die dargestellten Untersuchungsergebnisse zeigen die unterschiedlichen Auswirkungen der instrumentenseitigen Daten-Filter (Scan-Qualitätsstufen) und weiterer softwareseitiger Filter


37

auf die Qualität der erzeugten Punktwolken dreier ausgewählter Scanner. Das hier angewand-te Vergleichskonzept soll einen weiteren Beitrag zu vereinheitlichten TLS-Spezifikationen lie-fern (z.B. ist eine normierte Vergleichsgröße für das entfernungsabhängige Rauschniveau der Distanzmesseinheit anzustreben). Hierzu wurden die vorhandenen Vorschläge zur TLS-Prüfung zu Beginn zusammengefasst. Jedoch wurden hier neue Testverfahren für ausgewähl-te Fragestellungen (insbesondere das Filterverhalten an Kanten) vorgestellt.

5 Ausblick

Um einheitliche ISO-Normen (mit starker europäischer Beteiligung) voranzutreiben, werden in einem laufenden Promotionsvorhaben am Lehrstuhl für Geodäsie der Technischen Universität München mit dem Arbeitstitel „Calibration, registration and uniform quality measures in TLS“ bestehende internationale Ansätze verglichen und diese weiterentwickelt.


38

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WEHMANN, W. (2008): Untersuchungen zu geeigneten Feldverfahren zur Überprüfung Terrestri-scher Laserscanner. Offenes Forum Terrestrisches Laserscanning, Beitrag zur 1. Sitzung vom 02.09.2008. http://www.laserscanning.org/Sitzung1/PDF/2008-09-02Wehmann-Feldverfahren-zur-TLS-Pruefung.pdf, Stand 23.01.2013.

WUNDERLICH, TH. (2012): Objektivierung von Spezifikationen Terrestrischer Laserscanner, Ein Beitrag des Geodätischen Prüflabors der Technischen Universität München. INTERGEO – Kongress und Fachmesse für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, Vortrag, Han-nover, 08.10.2012.


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Anlage: TLS-Spezifikationen – eine Marktübersicht

Nachfolgende Spezifikationen wurden den auf den Internetauftritten der Hersteller verfügbaren Datenblättern sorgfältig entnommen. Absolute Vollständigkeit und Richtigkeit der Spezifikatio-nen kann nicht garantiert werden.


Basis Software Callidus Callidus Faro

Surphaser 25HSX CP 3200 CPW 8000 LS 420

Quelle http://www.surphaser.com Shan et al. (2009) und-http://www.calidus.de

Shan et al. (2009) und-http://www.calidus.de

http://www.faro.com

Distanzmessverfahren Phasenvergleich Impulslaufzeit „Pulsed Wave“ Phasenvergleich

Maximale Messrate [Punkte/s] 1.200.000 1.750 („typisch“) 50.000 120.000

Wellenlänge/Laserklasse 625 nm/3R 906 nm/1 658 nm/3R 785 nm/3R

Maximale Messentfernung

0,2 – 5 m (short range) 0,4 – 19 m (intermediate range) 1 – 30 m (medium range) 1 – 46 m (extended range)

32 m (“typisch”) 80 m (“kalibrierte Reichweite”) 20m („in averaging mode“)

Distanzmessgenauigkeit 0,001 mm (Auflösung) ±0,4 mm (11 m), ±0,65 mm (21 m) (High quality mode, Ext. Range)

± 5 mm (“typisch”) ±2 mm (30 m)

±3 mm bei 20 m (Systematischer Distanzmessfehler) 3,2 mm (10 m, 90% albedo) 6,8 mm (10 m, 10% albedo) 5,2 mm (20 m, 90% albedo) 12 mm (20 m, 10% albedo) (Auflösung/RMS, ohne Filterung)

Modellierte Oberflächengenauigkeit

±0,8 mm (11 m), ±1,2 mm (21 m) (High sensitive mode, Ext Range) ±0,25 mm (11 m), ±0,35 mm (21 m) (2-pass mode, Ext. Range)

±2,5 mm (≤30 m, 90% albedo) (“typisch, abhängig von der Mittelung“)

Positionsmessgenauigkeit (1σ)

Winkelgenauigkeit (1σ) (horizon-tal/vertikal)

8‘/8‘ (arcsec) ±0,005°/±0,009° ±0,002°/±0,002° 0,009° (Auflösung)

Genauigkeit Zielmarkenerfassung (1σ)

Scanbereich (horizontal/vertikal) 360°/135° 360°/140° 360°/150° 360°/160°

Laserstrahldivergenz/Spotgröße 2,8 mm bei Austritt (Ext. Range) 16 mm bei 46 m

3 mm bei Austritt, 0,2 mrad 0,25 mrad (3 mm bei Austritt)

Horizontierung Neigungssensor (±0,005° Genauigkeit, Winkel < 2°)

Neigungssensor (optional) (±0,1° Genauigkeit)

Bedienung Notebook/Tablet-PC/PDA Industrial Portable PC (LMS-Computer) i.V.m. Control Unit

autark (Konfigurationsdatei)/Notebook i.V.m Control Unit

autark/Notebook/PDA

Datenspeicherung extern PC Notebook/USB-Stick integrierte Festplatte, Notebook

Datenübertragung/Steuerung USB CPS-Interface, Control Unit LAN/WLAN LAN, WLAN

Energieversorgung intern/extern extern extern extern

Kamera extern integrierte Kamera extern integrierte Kamera extern (optional)

Software SurphExpress 3D-Extractor 3D-Extractor Faro Scene, Scout, Cloud, Record

Gewicht [kg] 11,0 14,5

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 425 x 164 x 237 400 x 160 x 2800


Faro Faro Faro Faro

LS 880/LS 840 Photon 80/20 Photon 120/20 Focus3D

Quelle http://www.faro.com http://www.faro.com http://www.faro.com http://www.faro.com

Distanzmessverfahren Phasenvergleich Phasenvergleich Phasenvergleich Phasenvergleich

Maximale Messrate [Punkte/s] 120.000 120.000 976.000 976.000

Wellenlänge/Laserklasse 785 nm/3R 785 nm/3R 785 nm/3R 905 nm/3R

Maximale Messentfernung 76 m/40 m („90% matte Oberfläche“) 76 m/20 m („90% matte Oberfläche“)

0,6 - 153 m (90% albedo), indoor 0,6 – 120 m (90% albedo), outdoor Photon20: 0,6 – 20m (> 2% reflektierende Oberfläche)

120 m (90% albedo)/20 m (>10% albedo)

Distanzmessgenauigkeit

±3 mm bei 25 m (Systematischer Distanzmessfehler) 3,1 mm/2,6 mm (10 m, 90% albedo) 6,8 mm/5,2 mm (10 m, 10% albedo) 5,4 mm/4,2 mm (25 m, 90% albedo) 13,6 mm/10 mm (25 m, 10% albedo) (Auflösung/RMS, ohne Filterung)

±2 mm (25 m) (Systematischer Distanzmessfehler) 0,45 mm/0,9 mm (10 m , 90% albedo) 0,75 mm/1,5 mm (10 m, 10% albedo) 0,60 mm/1,2 mm (25 m, 90% albedo) 1,45 mm/2,9 mm (25 m , 10% albedo) (rauschreduzierte/ungefilterte Auflösung, RMS)

± 2mm bei 25m (Systematischer Distanzfehler) 0,4 mm/0,8 mm (10 m, 90% albedo) 0,7 mm/1,4 mm (10 m, 10% albedo) 0,5 mm/1,0 mm (25 m, 90% albedo) 1,35 mm/2,7 mm (25 m, 10% albedo) (rauschreduzierte/ungefilterte Auflösung, RMS)

±2 mm (10 m, 25 m, 90%, 10% albedo), Systematischer Distanzmessfehler 0,30 mm/0,60 mm (10 m, 90% albedo) 0,60 mm/1,20 mm (10 m, 10% albedo) 0,50 mm/0,95 mm (25 m, 90% albedo) 1,10 mm/2,20 mm (25 m, 10% albedo) (rauschreduzierte/ungefilterte Auflösung, RMS)




0,009° (Auflösung) 0,009° (Auflösung) ±0,009° (Winkelauflösung) 0,00076° (horizontale Auflösung) 0,009° (vertikale Auflösung)

0,009°, 40.960 3D-Pixel auf 360° (Auflö-sung)


Scanbereich (horizontal/vertikal) 360°/160° 360°/160° 360°/160° 360°/152,5°

Laserstrahldivergenz/Spotgröße 0,25 mrad (3,3mm bei Austritt) 0,16 mrad (3,3 mm bei Austritt) 0,16 mrad (3,3 mm bei Austritt) 0,16 mrad (3,8 mm bei Austritt)

Horizontierung Neigungssensor (±0,1° Genauigkeit) Neigungssensor (±0,1° Genauigkeit) Neigungssensor (±0,02° Genauigkeit, 0,001° Auflösung)

Zwei-Achs-Neigungssensor (±0,015° Genauigkeit)

Bedienung autark/Notebook/PDA autark/Notebook/PDA autark/Notebook/PDA/iPod autark

Datenspeicherung integrierte Festplatte, Notebook integrierte Festplatte, Notebook integrierte Festplatte, Notebook SD-Karte

Datenübertragung/Steuerung LAN, WLAN LAN, WLAN LAN, WLAN SD-Karte

Energieversorgung extern extern intern/extern intern (laden während Betrieb möglich)

Kamera extern (optional) extern Kamera (optional) extern (optional) integrierte 70 MPixel Kamera

Software Faro Scene, Scout, Cloud, Record Faro Scene, Scout, Cloud, Record Faro Scene, Scout, Cloud, Record Faro Scene, Scout, Cloud, Record

Gewicht [kg] 14,5 14,5 14,5 5,0

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 400 x 160 x 280 410 x 160 x 280 410 x 160 x 280 240 x 200 x 100


Leica Leica Leica Leica

ScanStation/HDS3000 ScanStation2 ScanStation C5 ScanStation C10

Quelle http://www.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com

Distanzmessverfahren Impulslaufzeit Impulslaufzeit Impulslaufzeit Impulslaufzeit

Maximale Messrate [Punkte/s] 4.000 50.000 (max. Momentanwert) 25.0000 50.000 (max. Momentanwert)

Wellenlänge/Laserklasse grün/3R grün/3R 532 nm, 3R (IEC 60825-1) grün (532 nm)/3R

Maximale Messentfernung 134 m (18% albedo) 300 m (90% albedo)

134 m (18% albedo) 300 m (90% albedo)

35 m bei 5% Albedo 134 m bei 18% Albedo 300 m bei 90% Albedo

134 m (18% albedo), 300 m (90% albedo)

Distanzmessgenauigkeit ±4 mm (1 m bis 50 m) ±4 mm (1 m bis 50 m) 4 mm ±4 mm (1 m bis 50 m)

Modellierte Oberflächengenauigkeit ±2 mm ±2 mm 2 mm ±2 mm

Positionsmessgenauigkeit (1σ) ±6 mm (1m bis 50m) ±6 mm (1 m bis 50 m)

±6 mm (1 m bis 50 m)


±60 μrad/±60 μrad ±60 μrad/±60 μrad 12''/12'' ±60 μrad/±60 μrad

Genauigkeit Zielmarkenerfassung (1σ) 2 mm


Laserstrahldivergenz/Spotgröße ≤4 mm (0 m – 50 m) ≤4 mm (0 m – 5 0m) 0–50 m: 4,5 mm (nach FWHH); 7 mm (nach Gauß)

4,5 mm (0 m – 50 m), 7 mm „Gaussian“

Horizontierung Zwei-Achs-Kompensator Zwei-Achs-Kompensator

Bedienung Notebook/Tablet PC Notebook/Tablet PC Steuerung über Bedienfeld, Notebook, Tablet PC Oder Remote Controller

autark/Notebook/Tablet PC

Datenspeicherung Notebook/Tablet PC Notebook/Tablet PC SSD oder extern USB Stick, PC integrierte Festplatte/Notebook

Datenübertragung/Steuerung LAN LAN Ethernet oder USB 2.0 USB/LAN

Energieversorgung extern extern extern/intern/AC Netzteil intern/extern

Kamera interne CCD-Kamera interne CCD-Kamera koaxial integrierte, hochauflösende Videokamera

integrierte 4MPixel/Video

Software Leica Cyclone Leica Cyclone Leica Cyclone Leica Cyclone

Gewicht [kg] 17 18,5 13 (ohne Batterie) 13

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 265 x370 x 510 265 x 370 x 510 95 x 248 x 60



ScanStation P20 HDS6000 HDS6100 HDS6200

Quelle http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com

Distanzmessverfahren WFD (Wave Form Digitizing) Phasenvergleich Phasenvergleich Phasenvergleich

Maximale Messrate [Punkte/s] 1.000.000 500.000 (max. Momentanwert) 508.000 (max. Momentanwert) 1.016.727 (max. Momentanwert)

Wellenlänge/Laserklasse 808 nm/1 (IEC 60825-1) -/3R -/3R -/3R (IEC 60825-1)

Maximale Messentfernung 120 m (8% Reflektivität) 50 m (18% albedo) 79 m (90% albedo)

50 m (18% albedo) 79 m (90% albedo)

50 m (18% albedo) 79 m (90% albedo)


Linearitätsfehler ≤ 1mm Entfernungsrauschen (rms): 10% albedo - Schwarz: 0,8 mm (10 m), 1,0 mm (25 m), 2,8 mm (50 m), 9,0 mm (100 m) 28% albedo - Grau: 0,5 mm (10 m), 0,6 mm (25 m), 1,1 mm (50 m), 4,3 mm (100 m) 100% albedo - Weiß: 0,4 mm (10m), 0,5 mm (25m), 0,7 mm (50m), 1,5 mm (100m)

≤±4 mm (bis 25 m & 90% albedo) ≤±5 mm (bis 25 m & 18% albedo) ≤±5mm (bis 50 m & 90% albedo) ≤±6 mm (bis 50 m & 18% albedo)

≤±2 mm (bis 25 m & 90% albedo) ≤±3 mm (bis 25 m & 18% albedo) ≤±3 mm (bis 50 m & 90% albedo) ≤±5 mm (bis 50 m & 18% albedo)

≤±2 mm (bis 25 m & 90% albedo) ≤±3 mm (bis 25 m & 18% albedo) ≤±3 mm (bis 50 m & 90% albedo) ≤±5 mm (bis 5 0m & 18% albedo)


±2 mm (25 m & 90% albedo) ±4 mm (50 m & 90% albedo) ±3 mm (25 m & 18% albedo) ±7 mm (50 m & 18% albedo)



Positionsmessgenauigkeit (1σ) 3 mm bei 50 m, 6 mm bei 100 m ±6 mm (1 m bis 25 m) ±10 mm (bis 50 m)

±5 mm (1 m bis 25 m) ±9 mm (bis 50 m)

±5 mm (<25 m), ±9 mm (< 50 m)

Winkelgenauigkeit (1σ) (hor./vertikal) 8''/8'' ±125 μrad/±125 μrad ±125 μrad/±125 μrad ±125 mrad/±125 mrad

Genauigkeit Zielmarkenerfassung (1σ) ±2 mm bis 50 m ±2 mm (Algorithmus S/W-Target)


Laserstrahldivergenz/Spotgröße 3 mm + 0,22 mrad (8 mm bei 25 m) 3 mm + 0,22 mrad (8 mm bei 25 m) 3 mm + 0,22 mrad

Horizontierung Zwei-Achs-Kompensator Zwei-Achs-Kompensator Zwei-Achs-Kompensator Zwei-Achs-Neigungssensor

Bedienung autark/Notebook/Tablet/PDA/iPad/SmartPhone autark/Notebook/Tablet PC/PDA autark/Notebook/Tablet/PDA/iPod autark/Notebook/Tablet/PDA/Smartphone

Datenspeicherung SSD, USB-Stick integrierte Festplatte integrierte Festplatte integriert

Datenübertragung/Steuerung LAN/WLAN/USB 2.0 LAN/Bluetooth WLAN/LAN/Bluetooth WLAN/LAN/USB

Energieversorgung intern/extern intern/extern intern/extern intern/extern

Kamera integrierte Kamera/Video

Software Leica Cyclone Leica Cyclone/Z+F Laser Control Leica Cyclone/Z+F Laser Control Leica Cyclone/Z+F Laser Control

Gewicht [kg] 11,9 14 14 14

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 238 x 358 x 396 238 x 358 x 396 190 x 244 x 351,5 199x 294 x 360



HDS7000 HDS4400 HDS8400 HDS8800

Quelle http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com http://hds.leica-geosystems.com

Distanzmessverfahren Phasenvergleich Impulslaufzeit Impulslaufzeit Impulslaufzeit

Maximale Messrate [Punkte/s] 1.016.727 (max. Momentanwert) 4440 8800 8800

Wellenlänge/Laserklasse 1,5 μm/1 905 nm/3R nahes IR/1 (IEC60825-1:2007) -/1 (IEC 60825-1:2007)

Maximale Messentfernung 187 m (Eindeutigkeitsintervall) 700 m 600 m (40% albedo, Gestein) 150 m (5% albedo, Kohle)

700 m, > 80% (white) 500 m, > 40% (grey) 250 m, > 10% (black)

2000 m 1400 m bei 80 % albedo (rock) 500 m bei 10 % albedo (coal)


Linearitätsfehler: ≤ 1 mm Auflösung: 0,1 mm Entfernungsrauschen (rms): 14% albedo - Schwarz: 0,5 mm (10 m), 1,0 mm (25 m), 2,7 mm (50 m), 10,0 mm (100 m) 37% albedo - Grau: 0,4 mm (10 m), 0,6 mm (25 m), 1,2 mm (50 m), 3,8 mm (100 m) 80% albedo - Weiß: 0,3 mm (10m), 0,5 mm (25m), 0,8 mm (50m), 2,0 mm (100m)

20 mm bei 50 m 50 mm, „average performance on sample surfaces“ 10 mm bei 50 m, Wiederholgenauigkeit

20 mm 10 mm bei 200 m 20 mm bei 1000 m




±125 mrad/±125 mrad ± 0,04° 0.02° 0.01 °



Laserstrahldivergenz/Spotgröße < 0,3 mrad (3,5 mm bei 0,1m) 1,4 mrad 0.25 mrad (1/e2 radius)

Horizontierung Zwei-Achs-Kompensator Kompensator (20’’ Auflösung) Neigungskompensator (20’’ Auflösung)

Bedienung autark/Notebook/Tablet/PDA/Smartphone Tablet Tablet PC

Datenspeicherung integriert/externes USB-Laufwerk integriert integriert/Tablet PC Tablet PC

Datenübertragung/Steuerung WLAN/LAN/USB LAN

Energieversorgung intern intern intern intern

Kamera Integrierte 37 MPixel Kamera integrierte 70 MPixel Kamera

Software Leica Cyclone/Z+F Laser Control Leica HDS 4400 mine surveying software Entry Level Laser Scanning Solution Entry Level Laser Scanning Solution for the Mining Surveyor

Gewicht [kg] 9,8 14 12 14



Maptek I-Site Maptek I-Site Maptek I-Site Maptek I-Site

I-Site 4400LR I-Site 4400CR I-Site 8800 I-Site 8400

Quelle http://www.maptek.com http://www.maptek.com http://www.maptek.com http://www.maptek.com


Maximale Messrate [Punkte/s] 4400 4400 8.800 8.800

Wellenlänge/Laserklasse 905 nm/3R 905 nm/3R Nahes Infrarot/1 (IEC60825-1:2007) Nahes Infrarot/1 (IEC60825-1:2007)

Maximale Messentfernung 700 m 600 m (40-50% albedo) 150 m (5-10% albedo)

500 m ≤350 m (40%-50% albedo)

2.000 m ≤ 1400 m (>80% albedo) ≤ 1000 m (>40% albedo) ≤ 500 m (>10% albedo)

700 m (>80% albedo) 500 m (>40% albedo) 250 m (>10% albedo) > 1000 m retro reflectors


50 mm (5-700 m) 20 mm (50 m) 10 mm (50 m, Wiederholgenauigkeit)

50 mm (5-700 m) 20 mm (50 m) 10 mm (50 m, Wiederholgenauigkeit)

±10 mm ±8 mm (Repeatability)

±20 mm ±10 mm (Repeatability)




±0,04°, 0,018° Auflösung ±0,01° ±0,01° Auflösung



Laserstrahldivergenz/Spotgröße 1.4 mrad <8 mm bei Austritt (0,025 mrad, 1/e-2 Radius)

<10 mm bei Austritt (0,025 mrad, 1/e-2 Radius)

Horizontierung Neigungssensor (20’’ Auflösung) Neigungssensor (20’’ Auflösung) Neigungssensor (20’’ Auflösung)

Bedienung Hand Held Controler (I-Site HHC) Hand Held Controler (I-Site HHC) Tablet autark/ Hand Held Controler (I-Site HHC)

Datenspeicherung Hand Held Controler Hand Held Controler autark/ Hand Held Controler (I-Site HHC)

Datenübertragung/Steuerung LAN/USB LAN/USB LAN

Energieversorgung integriert integriert integriert integriert

Kamera integriert integriert integriert (70MPixel Kamera)

Software I-Site Studio I-Site Studio I-Site Studio I-Site Studio

Gewicht [kg] 12

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 455 x 216 x 378


Maptek I-Site Optech Optech Optech

I-Site 8810 ILRIS-3D/ILRIS-3D-ER (ER: Enhanced Range)

ILRIS-HD/ILRIS-HD-ER (HD: High Density)

ILRIS-LR

Quelle http://www.maptek.com http://www.optech.ca/ http://www.optech.ca/ http://www.optech.ca/


Maximale Messrate [Punkte/s] 8.800 2.500 bis 3.500 10.000 10.000

Wellenlänge/Laserklasse Nahes Infrarot/1 (IEC60825-1:2007) 1535 nm/1 (3D)/1M (3D-ER) 1535 nm/1M 1064 nm/3


2.000 m ≤ 1400 m (>80% albedo) ≤ 1000 m (>40% albedo) ≤ 500 m (>10% albedo)

1.200 m (80% albedo) (3D) 400 m (10% albedo) (3D) 1700 m (80% albedo) (3D-ER) 650 m (10% albedo) (3D-ER)

1.200 m (80% albedo) (HD) 400 m (10% albedo) (HD) 1800 m (80% albedo) (HD-ER) 650 m (10% albedo) (HD-ER)

3000 m (80% albedo) 1330 m (10% albedo)

Distanzmessgenauigkeit ±10 mm ±8 mm (Repeatability)

±7 mm (100 m) (Anzahl der Einzelmessungen für die Mittelbildungen eines gemessenen Punktes frei wählbar)

±7 mm (100 m) 4 mm (100 m) „average of 4 shots mini-mum“

±7 mm (100 m) 4 mm (100 m) „average of 4 shots minimum“




±0,01° ±8 mm (100 m) 0,001126° (20 μrad) Auflösung

±8 mm (100 m) 0,000745° (13 μrad) Auflösung

±8 mm (100 m) (80 μrad) 0,001126° (20 μrad) Auflösung

Genauigkeit Zielmarkenerfassung (1σ) 0.2° bis 0,0125° Auflösung

Scanbereich (horizontal/vertikal) 360°/80° 40°/40° 360°/110° (ILRIS-36D)

40°/40° 360°/110° (ILRIS-36D)

40°/40° 360°/110° (ILRIS-36D)

Laserstrahldivergenz/Spotgröße <8 mm (0,025 mrad, 1/e-2 Radius) 0,009740° (170μrad)/ 22 mm (100 m) (1/e²)

0,008594° (150 μrad)/ 19 mm (100 m) (1/e²)

Horizontierung integrierter Neigungskompensator (20’’ Auflösung)

Bedienung Tablet PC, wireless controller autark/PDA autark/PDA autark/PDA/UMPC/Notebook

Datenspeicherung integriertes Speichermedium (USB-Laufwerk)

integriertes Speichermedium (USB-Laufwerk)

integriertes Speichermedium (USB-Laufwerk)

Datenübertragung/Steuerung Tablet PC , LAN USB, WLAN USB, WLAN USB, WLAN

Energieversorgung integriert extern/intern extern/intern extern/intern

Kamera integriert (70MPixel Kamera) integriert (3,1 MPixel) integriert (3,1 MPixel) integriert (3,1 MPixel)

Software I-Site Studio InnovMetrics Polyworks InnovMetrics Polyworks InnovMetrics Polyworks

Gewicht [kg] 14 13 14 14



Riegl Riegl Riegl Riegl

LMS-Z390i LMS-Z420i LMS-Z620 VZ-400

Quelle http://www.riegl.com http://www.riegl.com http://www.riegl.com http://www.riegl.com

Distanzmessverfahren Impulslaufzeit Impulslaufzeit Impulslaufzeit Impulslaufzeit, Full Waveform Analysis

Maximale Messrate [Punkte/s] 11.000 11.000 11.000 42.000 (Long Range Mode) 125.000 (High Speed Mode)

Wellenlänge/Laserklasse nahes Infrarot/1 nahes Infrarot/1 nahes Infrarot/1 nahes Infrarot/1

Maximale Messentfernung 140 m (10% albedo) 400 m (80% albedo)

350 m (10% albedo) 1000 m (80% albedo)

650 m (10% albedo) 2000 m (80% albedo)

160 m (10% albedo) (L. R. M.) 500 m (80% albedo) (L. R. M.) 100 m (10% albedo) (H. S. M.) 300 m (80% albedo) (H. S. M.)

Distanzmessgenauigkeit ±6 mm ±4 mm bei 50 m (Auflösung)

±10 mm ±8 mm bei 50 m (Auflösung)

±10 mm ±10 mm bei 50 m (Auflösung)

±5 mm bei 100 m ±5 mm bei 100 m (Auflösung)

Modellierte Oberflächengenauigkeit ±2 mm bei 50 m (Auflösung) ±4 mm bei 50m (Auflösung) ±5 mm bei 50 m (Auflösung)



0,001° (Auflösung)/0,001° (Auflösung) 0,0025° (Auflösung)/0,002° (Auflösung) 0,0025° (Auflösung)/0,002° (Auflösung) ≤ 0,0005° ≤ 0,0005°



Laserstrahldivergenz/Spotgröße 0,3 mrad 0,25 mrad 0,15 mrad 0.3 mrad

Horizontierung Neigungssensor (vertikales Setup) Neigungssensor, optional (vertikales Setup)

Neigungssensor (optional) (vertikales Setup)

Neigungssensoren (vertikales Setup)

Bedienung Notebook Notebook Notebook autark, Notebook, PDA, Mobiltelefon

Datenspeicherung Notebook Notebook Notebook integrierte Festplatte, externe Devices (USB), Notebook

Datenübertragung/Steuerung LAN (Scanner), USB (Kamera) LAN (Scanner), USB (Kamera) LAN (Scanner), USB (Kamera) LAN, WLAN, USB (Kamera)

Energieversorgung extern extern extern Add-on (optional), extern

Kamera externe Kamera externe Kamera externe Kamera externe Kamera (optional)

Software RiScan Pro RiScan Pro RiScan Pro RiScan Pro

Gewicht [kg] ca. 15 ca. 14,5 18 9,6

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 463 mm x 210 mm (Länge x Durchmes-ser)

463 mm x 210 mm (Länge x Durchmes-ser)



Riegl Riegl Riegl Riegl

VZ-1000 VZ-4000 VZ-6000 LPM-321 (Laser Profiler)

Quelle http://www.riegl.com http://www.riegl.com http://www.riegl.com http://www.riegl.com

Distanzmessverfahren Impulslaufzeit, (Online) Full Waveform Analysis

Impulslaufzeit, (Online) Full Waveform Analysis

Impulslaufzeit, (Online) Full Waveform Analysis

Impulslaufzeit, Waveform Analysis

Maximale Messrate [Punkte/s] 122.000 (4 Abstufungen) 222.000 (4 Abstufungen) 222.000 ( 4 Abstufungen) 1.000

Wellenlänge/Laserklasse nahes Infrarot/1 (IEC60825-1:2007) nahes IR/1 nahes IR/3B nahes Infrarot/1

Maximale Messentfernung 1.400 m (90% albedo, 29.000 Punkte/s) 700 m (20% albedo, 29.000 Punkte/s)

4000 m > 6000 m

6000 m (10 Hz und 80% albedo) ≥ 1500 m (10 Hz und 10% albedo) ≥ 2500 m (100 Hz und 80% albedo) ≥ 850 m (100 Hz und 10% albedo) ≥ 1500 m (1000 Hz und 80% albedo) ≥ 500 m (1000 Hz und 10% albedo)

Distanzmessgenauigkeit ±8 mm bei 100 m (Accuracy) ±5 mm bei 100 m (Precision)

± 15 mm (Genauigkeit) ± 10 mm (Präzision)

± 15 mm (Genauigkeit) ± 10 mm (Präzision)

± 25 mm (50 m) ±15 mm (Auflösung)




≤ 0,0005° ≤ 0,0005°

besser als 0.0005°/besser als 0.0005° besser als 0.0005°/besser als 0.0005° 0,009° (Auflösung)



Laserstrahldivergenz/Spotgröße 0.3 mrad 0.15 mrad, 18 mm beim Ausgang, 75 mm bei 500 m, 150 mm bei 1000m, 300 mm bei 2000m

0.12 mrad , 15 mm beim Ausgang, 60 mm bei 500m, 120 mm bei 1000m, 240 mm bei 2000m

0,8mrad

Horizontierung Zwei-Achs-Neigungssensor Neigungsmesser (± 10°, Genauigkeit ±0.008°)

Neigungsmesser (± 10°, Genauigkeit ±0.008°)

Bedienung autark, Notebook autark, Tablet PC autark, Tablet PC Notebook

Datenspeicherung integrierte Festplatte, externe Devices (USB)

integrierte SSD Karte, extern über USB integrierte SSD Karte, extern über USB Notebook

Datenübertragung/Steuerung LAN, WLAN, USB (Kamera) LAN, WLAN, USB LAN, WLAN, USB LAN, RS422

Energieversorgung Add-on (optional), extern intern, extern intern, extern extern

Kamera externe Kamera (optional) Eingebaute 5 MPixel Kamera Eingebaute 5 MPixel Kamera externe Kamera (optional)

Software RiScan Pro RiScan Pro RiScan Pro RiProfile

Gewicht [kg] ca. 9,8 14,5 14,5

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 308 mm x 200 mm (Länge x Durchmes-ser)




Riegl Stonex Topcon Trimble

LPM-321 (Laser Profiler) X9 Laser Scanner GLS-1500 FX 3D Scanner

Quelle http://www.riegl.com http://www.stonexpositioning.com http://www.topconpositioning.com/ http://www.trimble.com

Distanzmessverfahren Impulslaufzeit, Waveform Analysis Phasenvergleich Impulslaufzeit Phasenvergleich

Maximale Messrate [Punkte/s] 1.000 1.016.000 30.000 216.000

Wellenlänge/Laserklasse nahes Infrarot/1 -/1 unsichtbar/1 685 nm/3R


6000 m (10 Hz und 80% albedo) ≥ 1500 m (10 Hz und 10% albedo) ≥ 2500 m (100 Hz und 80% albedo) ≥ 850 m (100 Hz und 10% albedo) ≥ 1500 m (1000 Hz und 80% albedo) ≥ 500 m (1000 Hz und 10% albedo)

187,3 (Eindeutigkeitsintervall) 150 m (18% albedo) 330 m (90% albedo)

1-pass/2-pass: 60 m/80 m (50% albedo)/ 35 m/45 m (30% albedo)

Distanzmessgenauigkeit ± 25 mm (50 m) ±15 mm (Auflösung)

0,1 mm (Auflösung), <1 mm (Linearitäts-fehler), Entfernungsrauschen (RMS): 0,5 mm (10 m, 14% albedo, Schwarz) 0,4 mm (10 m, 37% albedo, Grau) 0,3 mm (10 m, 80% albedo, Weiß) 1,0 mm (25 m, 14% albedo, Schwarz) 0,6 mm (25 m, 37% albedo, Grau) 0,5 mm (25 m, 80% albedo, Weiß) 2,7 mm (50 m, 14% albedo, Schwarz) 1,2 mm (50 m, 37% albedo, Grau) 0,8 mm (50 m, 80% albedo, Weiß) 10,0 mm (100 m, 14% albedo, Schwarz) 3,8 mm (100 m, 37% albedo, Grau) 2,0 mm (100 m, 80% albedo, Weiß)

4 mm (150 m)

1 mm (15 m, 1-pass) 0,6 mm (11 m, 90% albedo) 0,8 mm (21 m, 90% albedo) 2,4 mm (50 m, 90% albedo)


Positionsmessgenauigkeit (1σ) 11 m: 0,4, 21 m: 0,8, 50 m: 2,0 mm

Winkelgenauigkeit (1σ) (hor./vertikal) 0,009° (Auflösung) 0,007° (RMS), 0,0002/0,0004° (Auflösung) 6’’ <30‘‘/8‘‘ Genauigkeit Zielmarkenerfassung (1σ) <1 mm

Scanbereich (horizontal/vertikal) 360°/130° 360°/160° 360°/70° 360°/135° Laserstrahldivergenz/Spotgröße 0,8mrad <0,3 mrad (<3,5 mm, 0,1 mm Distanz) 6 mm (40 m) 2,3 mm (5 m), 16 mm (46 m)

Horizontierung Zweiachskompensator (<0,007°) Zwei-Achs-Kompensator k.A. Bedienung Notebook autark, Notebook, PDA, Internet autark, Notebook Notebook/Desktop PC.

Datenspeicherung Notebook Notebook, intern (Flash), USB-Stick SD-Karte extern

Datenübertragung/Steuerung LAN, RS422 LAN, WLAN, USB WLAN, USB LAN

Energieversorgung extern Intern, Netzanschluss intern intern/extern. Kamera externe Kamera (optional) „M-Cam“ interne Kamera (2 MPixel) k.A. Software RiProfile Z+F LaserControl, LFM, u.a. ScanMaster LASERGen, RealWorks, 3DSIPSOS

Gewicht [kg] ca. 16 9,8 (ohne Batterie) 16 11

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 315 x ca. 370 x ca. 445 170 x 286 x 395 240 x 240 x 566 425 x 164 x 237


Trimble Trimble Trimble Zoller und Fröhlich (Z+F)

GX 3D Scanner CX Scanner Trimble TX5 IMAGER 5003 (LARA 53500)

Quelle http://www.trimble.com http://www.trimble.com http://www.trimble.com http://www.zf-laser.com

http://www.geometh-data.ethz.ch

Distanzmessverfahren Impulslaufzeit Pulsed Waved Technology „WAVEPLUS-Technology“

Phasenvergleich Phasenvergleich

Maximale Messrate [Punkte/s] 5.000 54.000 976.000 500.000 („typisch“) Wellenlänge/Laserklasse 532 nm (grün)/3R/2 658 nm (rot)/3R 905 nm/3R 23 mW Laserleistung (rot)/3R

Maximale Messentfernung 350 m (90% albedo) 200 m (35% albedo) 155 m (18% albedo)

80 m (90% albedo) 120 m (90% albedo)/20 m (>10% albedo) 53,5 m


±7 mm (100 m) 1σ, 4 Einzelmessungen: ±1,4 mm (≤50 m), ±2,5 mm (100 m) ±3,6 mm (150 m), ±6,5 mm (200 m)

±1,00 mm (< 30 m) ±1,25 mm (< 50 m) ±1,80 mm (< 80 m) „typisch” für 99% albedo, „single shot“

±2 mm (10 m und 2 5m) (Systematischer Distanzmessfehler) (90% und 10% albedo) 0,30 mm/0,60 mm (10 m , 90% albedo) 0,60 mm/1,20 mm (10 m, 10% albedo) 0,50 mm/0,95 mm (25 m, 90% albedo) 1,10 mm/2,20 mm (25m , 10% albedo) (rauschreduzierte/ungefilterte Auflösung (RMS)

≤5 mm (Linearitätsfehler) 3,0 mm (RMS, 10 m, 20% albedo) 1,3 mm (RMS, 10 m, 100% albedo) 9,0 mm (RMS, 25 m, 20% albedo) 3,0 mm (RMS, 25 m, 100% albedo) (Entfernungsrauschen des Einzelpunktes)

Modellierte Oberflächengenauigkeit ±2 mm

Positionsmessgenauigkeit (1σ) 12 mm (100 m)

±3,60 mm (30 m) ±6,00 mm (50 m)


60 µrad/70 µrad 16,5‘‘ (80 μrad)/ 16,5‘‘ (80 μrad) 0.002° (Auflösung)

0,009°, 40.960 3D-Pixel auf 360° (Auflösung)

0,02° (RMS), 0,01° (Auflösung) 0,02° (RMS), 0,018° (Auflösung)


Scanbereich (horizontal/vertikal) 360°/60° 360°/150° 360°/152,5° 360°/155°

Laserstrahldivergenz/Spotgröße 0,3 mm auf 5 m 0,16 mrad (3,8 mm bei Austritt)

0,22 mrad (3 mm bei Austritt)

Horizontierung Zwei-Achs-Kompensator (0,3’’ Auflösung) Zwei-Achs-Kompensator (0,005° Auflö-sung)

Zwei-Achs-Neigungssensor (±0,015° Genauigkeit)

Bedienung Notebook Trimble Tablet, Notebook autark Notebook

Datenspeicherung Notebook intern SD-Karte Notebook

Datenübertragung/Steuerung USB USB flash drive, LAN, WLAN SD-Karte Firewire/I-Link

Energieversorgung Extern intern Intern, laden während Betrieb möglich extern

Kamera Interne Kamera real-time integrated color video Integrierte 70 MPixel Kamera

Software PocketScape, RealWorks Survey Trimble Access for Spatial Imaging Faro Scene, Scout, Cloud, Record Z+F LaserControl, LFM, u.a. Gewicht [kg] 12,2 11,8 5,0 16,0

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 323 x 343 x 404 120 x 520 x 355 240 x 200 x 100


Zoller und Fröhlich (Z+F) Zoller und Fröhlich (Z+F) Zoller und Fröhlich (Z+F) Zoller und Fröhlich (Z+F)

IMAGER 5006 /5006i IMAGER 5006h IMAGER 5006Ex IMAGER 5010

http://www.zf-laser.com http://www.zf-laser.com http://www.zf-laser.com http://www.zf-laser.com

Distanzmessverfahren Phasenvergleich Phasenvergleich Phasenvergleich Phasenvergleich

Maximale Messrate [Punkte/s] 500.000/508.000 1.016.727 508.000 1.016.000

Wellenlänge/Laserklasse 29 mW Laserleistung (sichtbar/)3R -/3R (IEC 60825-1) /3R (ISO EN 60825-1) -/1

Maximale Messentfernung 79 m 79 m 79 m 0,3 - 187,3 m (Eindeutigkeitsintervall)


≤1 mm bis 50 m (Linearitätsfehler) Entfernungsrauschen (RMS): 0,4 mm (10 m, 100% albedo) 0,7 mm (10 m, 20% albedo) 1,2 mm (10 m, 10% albedo) 1,0 mm/0,7 mm (25m, 100% albedo) 2,0 mm/1,5 mm (25m, 20% albedo) 3,0 mm/2,6 mm (25m, 10% albedo) 2,5 mm/1,8 mm (50m, 100% albedo) 4,0 mm/3,5 mm (50m, 20% albedo) 7,5 mm/6,8 mm (50m, 10% albedo)

≤1 mm bis 50 m (Linearitätsfehler) Entfernungsrauschen (RMS): 0,4 mm (10 m, 100% albedo) 0,7 mm (10 m, 20% albedo) 1,2 mm (10 m, 10% albedo) 0,7 mm (25 m, 100% albedo) 1,5 mm (25 m, 20% albedo) 2,6 mm (25 m, 10% albedo) 1,8 mm (50 m, 100% albedo) 3,5 mm (50 m, 20% albedo) 6,8 mm (50 m, 10% albedo)

0,1 mm Auflösung Entfernungsrauschen (RMS): 0,4 mm (10 m, 100% albedo) 0,7 mm (10 m, 20% albedo) 1,2 mm (10 m, 10% albedo) 0,7 mm (25 m, 100% albedo) 1,5 mm (25 m, 20% albedo) 2,6 mm (25 m, 10% albedo) 1,8 mm (50 m, 100% albedo) 3,5 mm (50 m, 20% albedo) 6,8 mm (50 m, 10% albedo)

0,1 mm (Auflösung) <1 mm (Linearitätsfehler) Entfernungsrauschen (RMS): 0,5 mm (10 m, 14% albedo, Schwarz) 0,4 mm (10 m, 37% albedo, Grau) 0,3 mm (10 m, 80% albedo, Weiß) 1,0 mm (25 m, 14% albedo, Schwarz) 0,6 mm (25 m, 37% albedo, Grau) 0,5 mm (25 m, 80% albedo, Weiß) 2,7 mm (50m, 14% albedo, Schwarz) 1,2 mm (50 m, 37% albedo, Grau) 0,8 mm (50 m, 80% albedo, Weiß) 10,0 mm (100 m, 14% albedo, Schwarz) 3,8 mm (100 m, 37% albedo, Grau) 2,0 mm (100 m, 80% albedo, Weiß)



Winkelgenauigkeit (1σ) (hor./vertikal) 0,007° RMS, 0,0018° (Auflösung) 0,007° RMS, 0,0018° (Auflösung) 0,007° RMS, 0,0018° (Auflösung) 0,007° (RMS), 0,0002°/0,0004 (Auflösung) Genauigkeit Zielmarkenerfassung (1σ)

Scanbereich (horizontal/vertikal) 360°/155° 360°/155° 360°/155° 360°/160° Laserstrahldivergenz/Spotgröße 0,22 mrad (3 mm bei Austritt) 3 mm + 0,22 mrad 0,22 mrad (3 mm bei Austritt) <0,3 mrad (<3,5 mm, 0,1 mm Distanz)

Horizontierung Neigungssensor (1/500° Genauigkeit) Elektronischer Neigungssensor Neigungssensor (1/500° Genauigkeit) Zweiachskompensator, Genauigkeit <0,007°

Bedienung autark, Notebook autark, Notebook, PDA, Internet autark, Notebook, PDA autark, Notebook, PDA, Internet Datenspeicherung Intern/extern Intern/extern intern Notebook, intern (64GB Flash), USB-Stick

Datenübertragung/Steuerung LAN, Bluetooth, WLAN (5006i) LAN, Bluetooth, WLAN (5006i) LAN, WLAN LAN, WLAN, USB

Energieversorgung intern, extern (Netzbetrieb) intern, extern (Netzbetrieb) Intern Intern, extern

Kamera

externe Kameralösung (optional), motorisierte Kameralösung für Echtzeiteinfärbung (optional für 5006i) SceneCam Solution (HDR Camera)

externe Kameralösung (optional), motorisierte Kameralösung M-Cam für Echtzeiteinfärbung (optional für 5006i) SceneCam Solution (HDR Camera)

M-Cam

Software Z+F LaserControl, LFM, u.a. Z+F LaserControl, LFM, u.a. Z+F LaserControl, LFM, u.a. Z+F LaserControl, LFM, u.a. Gewicht [kg] 14 14 30,6 9,8 (ohne Batterie)

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 286 x 190 x 372 286 x 190 x 412 250 x 395 x 414


Zoller und Fröhlich (Z+F) 3rdtech

IMAGER 5010c Delta Sphere-3000

http://www.zf-laser.com http://www.deltasphere.com

Distanzmessverfahren Phasenvergleich Impulslaufzeit Maximale Messrate [Punkte/s] 1.016.000 24.000

Wellenlänge/Laserklasse -/1 780 nm/3R

Maximale Messentfernung 0,3 - 187,3 m (Eindeutigkeitsintervall) 79 m


0,1 mm (Auflösung) <1 mm (Linearitätsfehler) Entfernungsrauschen (RMS): 0,5 mm (10 m, 14% albedo, Schwarz) 0,4 mm (10 m, 37% albedo, Grau) 0,3 mm (10 m, 80% albedo, Weiß) 1,0 mm (25 m, 14% albedo, Schwarz) 0,6 mm (25 m, 37% albedo, Grau) 0,5 mm (25 m, 80% albedo, Weiß) 2,7 mm (50 m, 14% albedo, Schwarz) 1,2 mm (50 m, 37% albedo, Grau) 0,8 mm (50 m, 80% albedo, Weiß) 10,0 mm (100 m, 14% albedo, Schwarz) 3,8 mm (100 m, 37% albedo, Grau) 2,0 mm (100 m, 80% albedo, Weiß)

±5 mm (16 m)




0,007° (RMS), 0,0002° (Auflösung)/ 0,007° (RMS), 0,0004° (Auflösung)

±0.015°


Scanbereich (horizontal/vertikal) 360°/160° 360°/145° Laserstrahldivergenz/Spotgröße <0.3 mrad (Vollwinkel) 2 mm bei Austritt, 7 mm bei 9 m

Horizontierung Zweiachskompensator, Genauigkeit <0,007°, Messbereich: ±0.5°

Bedienung autark, Notebook, PDA, Internet Notebook

Datenspeicherung intern/ extern Notebook

Datenübertragung/Steuerung LAN, WLAN, USB LAN

Energieversorgung intern, extern Intern

Kamera HDR Kamera, ca. 80 MPixel (Panorama) externe Kamera (optional) Software Z+F LaserControl Schnittstelle (Polyworks/Rapidforum)

Gewicht [kg] 9,8 (ohne Batterie) 10

Größe [L(mm) x W(mm) x H(mm)] 170 x 286 x 395 170 x 286 x 395


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Autoren

Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas A. Wunderlich Ordinarius des Lehrstuhls für Geodäsie der Technischen Universität München

Dr.-Ing. Peter Wasmeier Leiter des Geodätischen Prüflabors der Technischen Universität München

Dipl.-Ing. Johannes Ohlmann-Lauber Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Geodäsie der Technischen Universität München

Dipl.-Ing. Thomas Schäfer Wissenschaftlicher Assistent am Lehrstuhl für Geodäsie der Technischen Universität München

Fabian Reidl, M. Sc. Master-Absolvent und Studentische Hilfskraft an der Technischen Universität München

Objektivierung von Spezifikationen Terrestrischer Laserscanner – Ein Beitrag … · 2014. 1....

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