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Okularkameras am geodätischen Tachymeter – Selbstkalibrierung und Anwendungen
Martin Schlüter
Martin Schlüter: Okularkameras am geodätischen Tachymeter – Selbstkalibrierung und Anwendungen, INTERGEO, 26.09.2017 2
Modulare Digitalkameratachymeter
Was?• Komponenten• Motivation• Selbstkalibrierung – Ablauf und Ergebnisse
Wofür:• Achsprüfstand• Vorwärteinschneiden (IMS)?• Monitoring von moderat und schnell bewegten Objekten
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Modulare Digitalkameratachymeter „MoDiTa“
… verknüpfen High-End Industriekameras modular mit motorisierten geodätischen Präzisionstachymetern
… erlauben automatische, bildbasierte Zielungenmit Genauigkeiten in der Größenordnung des Tachymeters
UI-1485 an Leica TS30
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Modell Sensor Abmessungen mgon/pixel Kommentar ~ ab
UI-2240 Sony 1280 x 1024 4,6µm CCD … ‘07
UI-1485 e2v 2560 x 1920 2,2µm 0,2 … 0,5 Arbeitspferd „statische Ziele“ ‘09
UI-3480 ON S. 2560 x 1920 2,2µm ähnlich UI1485 mit USB 3.0 ‘16
UI-1120 NIT 758 x 576 10,0µm 0,9 ( ... 2,3 ) High Dynamic Range ‘11
UI-3240 e2v 1280 x 1024 5,3µm 0,5 … 1,2 Global Shutter, Linescan ‘12
UI-3250 e2v 1600 x 1200 4,5µm 0,4 … 1,0 Global Shutter, Linescan ‘15
UI-3080 Sony 2456 x 2054 3,4µm 0,3 … 0,8 High-End Allrounder? ‘17
Okularkameras
� Nahezu beliebige C- oder CS-Mount Kamera (bis etwa 100g)
� Kamera am Okularadapter mit beliebiger Drehung um Zielachse montierbar: Anschieben & Fixieren per Klemmschraube
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Okularkameras an Theodoliten ohne Motorfokus: Spezialanwendungen, am i3mainz für …
Geometrische Kalibrierung von Laserkommunikationseinheiten (u.a. auf Sentinel 1, 2A, 2B, … im Einsatz) via Kollimation und Autokollimation
i3mainz-Digitalkameratheodolit auf Basis desAutokollimationstheodolits Leica TM5100A
Referenzwürfel Alphasat Photos: Tesat Spacecom
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… Aufbau Satellitendateninfrastruktur EDRS2006 Laborkalibrierung des Laserterminals für
TerraSAR-X, erfolgreich im Orbit2007 Laborkalibrierung des Laserterminals für
den Satelliten NFIRE, erfolgreich im Orbit2008 Calar-Alto-Observatorium, Sierra de Los
Filabres, Spanien2008 Tesat Bodenstation, Backnang, Deutschland2009 Erfolgreicher Ersteinsatz der motorisierten
Digitalkameratheodolite am Laserterminal MLT2010 ESA Optical Ground Station, Izaña, Teneriffa2012 Einrechnung des LCT für den Satelliten
Alphasat I-XL, Inmarsat, erfolgreich im Orbit2013 Mount Wilson Observatorium, Los Angeles, USA2014 TOGS / LCT-SAL, DLR Oberpfaffenhofen
Foto: ESA
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Okularkameras an Tachymetern mitMotorfokus ergänzen interne Kameras!
Beispiel Leica Multistation:� Achsmotorisierung� ATR� Motorfokus� Koaxiale Kamera� Übersichtskamera
� Die digitale Okularkamera profitiert in erster Linie von den
motorisiertenAutofokusfunktionender bildgebenden Totalstation.
IDS UI-3250 an Leica MS50
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Kinematisches Tracking in Near-Realtime
MoDiTa ermöglichen bereits heute Sonderanwendungen mit aktueller Kameratechnik
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Mathematisches ModellRichtungsvektor zum Zielpunkt zur Zeit t
Teilkreisablesungen,Kompensatorablesungen,reflektorlose Distanzmessung
�, � via Bildzuordnung mit Bezug zum aktuellen Strichkreuz� UTC PC-Zeit oder GPS-Uhr & Trigger� Fokusstellung Schrittmotor �� Rotationen Sensor zu Messfernrohr Selbstkalib-c Kamerakonstante Messfernrohr brierung�, � Verzeichnungsparameter als � [Brown 1971],
[El-Hakim 1986]
[Walser 2004] , [Schlüter et al. 2008]
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Ablauf einer Selbstkalibrierung� Minimalkonfiguration mit 2x2 Zielungen
Bildraum
Objektraum
Strichkreuzdetektionje nach Bildszene:� mind. 1x pro Lage o.� pro Messbild
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Qualität der Selbstkalibrierung, BeispieleIDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“36 Zielungen in Fernrohrlage I
Restklaffungen „Soll-Ist“ [mgon] in der Messbildgeometrie [Pixel]
Beim Ansatz „ohne Verzeichnung“verbleiben systematische Restabweichungenin Lage I …
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IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“36 Zielungen in Fernrohrlage II
Restklaffungen „Soll-Ist“ [mgon] in der Messbildgeometrie [Pixel]
Beim Ansatz „ohne Verzeichnung“verbleiben systematische Restabweichungenin Lage I sehr ähnlich wie ein Lage II.
Qualität der Selbstkalibrierung, Beispiele
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IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“je 36 Zielungen in beiden Fernrohrlagen
Restklaffungen „Soll-Ist“ [mgon] in der Messbildgeometrie [Pixel]
Beim Ansatz „ohne Verzeichnung“verbleiben systematische Restabweichungenin Lage I sehr ähnlich wie ein Lage II.
� Verzeichnung sollte in die Modellbildung einfließen!
Qualität der Selbstkalibrierung, Beispiele
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� Die maximale Restklaffungvon 0,4mgon entspricht einer Lageänderung von 0,14mm am Zielpunkt in 22m Entfernung.
IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon11 Parameter: R, c, Verzeichnung A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2
je 36 Zielungen in beiden Fernrohrlagen
Restklaffungen „Soll-Ist“ [mgon] in der Messbildgeometrie [Pixel]
Beim Ansatz „mit Verzeichnung“ verbleiben hier 71 von 72 Restklaffungenunter der vom Hersteller für die MS50 angegebenen Standardabweichung von 0,3mgon nach ISO 17123-3.
Qualität der Selbstkalibrierung, Beispiele
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IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“je 16 Zielungen in beiden Fernrohrlagen
Restklaffungen „Soll-Ist“ [mgon] in der Messbildgeometrie [Pixel]
Der Ansatz „ohne Verzeichnung“ kann ausreichen, wenn nur der zentrale Bildinhalt ausgewertet wird.
Beispiel: Automatische Messung statischer Ziele mit einem Raster von 4 x 4 oder 2 x 2 Zielungen.
Qualität der Selbstkalibrierung, Beispiele
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IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon11 Parameter: R, c, Verzeichnung A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2
je 16 Zielungen in beiden Fernrohrlagen
Restklaffungen „Soll-Ist“ [mgon] in der Messbildgeometrie [Pixel]
Beim Ansatz „mit Verzeichnung“ ist die Fehlersituation – wie zu erwarten –erneut geringfügig besser.
Qualität der Selbstkalibrierung, Beispiele
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IDS UI-3250-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,6mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ je 4x4 (oder 2x2) Zielungen in beiden FernrohrlagenReferenz: GNSS-Prüffeld Weinolsheim; Pfeiler 3, 6, 7
Restklaffungen ∆α „Soll-Ist“ gegen GNSS-Referenzkoordinaten (nach UTM-Korrektur)
Qualität der Selbstkalibrierung, Beispiele
∆α7 = -0,1mgon
∆α6 = +0,2mgon
∆α3 = -0,4mgon
Ausschnitt Messbild
[Alexander Bär, Bachelorarbeit, 2017]
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Modulare Digitalkameratachymeter
Was?• Komponenten• Motivation• Selbstkalibrierung – Ablauf und Ergebnisse
Wofür:• Achsprüfstand• Vorwärteinschneiden (IMS)?• Monitoring von moderat und schnell bewegten Objekten
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Instrumentenprüfung
Automatisierter Achsprüfstand zur Bestimmung von:� Zielachsabweichung,� Kippachsabweichung,� Höhenindexabweichung
� Zentrum Template automatisch,� Anfahren in beiden Fernrohrlagen,
mehrere Sätze, automatisch,� Anzahl Kollimatoren beliebig
(„nach Frank Neitzel“),� für Fokusstellung ∞
[Martin Heppe, Bachelorarbeit 2015]
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3D-Vorwärtseinschneiden
Abstand der Mittelpunkte zweier 1,5“-Kugeln:Bügelmessschraube: s = 68,098mm ±2µmIMS Leica TM5100: s = 68,105 mm ±4µmDifferenz: 7µm
TheodolitbasiertesIndustriemesssystem
[Kira Zschiesche, Masterarbeit, 2016]
Prüfkörper fürMikrotomographen
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Tracking moderat bewegter Objekte
� Sternzeit: Zentrum für Astronomie ZAH, Heidelberg� Rotationsachse der Erde, (Schaltsekunden): Reference Systems Service IERS, … am BKG� Topozentrische Richtungen für Sonne, Venus, Mars, Jupiter: via JPL HORIZONS, Pasadena� Geozentrische Richtungen für ~60 Navigationssterne: via HIPPARCOS, ZAH
Astronomische Azimutbestimmung� Durchgreifende Kontrolle incl. absoluter Zeitzuordnung in UTC; Umgang mit Luftunruhe, …
Stand Sommer 2017: Restklaffungen< 0,5mgon für die Azimutbestimmung vonReferenzzielen(mit GNSS bestimmt)in großer Entfernung;für helle Sterne.
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Tracking schnell bewegter ObjektePendelschlag-prüfung für absturzsichernde Verglasungen n. DIN 18008-4
[Viktoria Roth, Bachelorarbeit 2017]
Selbstkalibrierungmit 4x4 Zielungenvor einer Serie von Pendelschlag-prüfungen
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Tracking schnell bewegter Objekte
UI-3250-M im VAoI Merge Mode mit t=0,38ms pro Zeile, ~100 rel. Zeilen
[Arno Heidelberg, Bachelorarbeit, 2016]
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Laufende ArbeitenCMOS-Modi geodätisch präzise und benutzerfreundlich anwendbar machen:� Bsp. UI-3250-M mit u.a. den Modi:
AoI, Multi-AoI, Vertical AoI Merge, Fast Linescan� Zeitliche Lücken zwischen Zeilenblöcken?� Absolutes Triggern und zeitliches Zuordnen
Lösungsansätze:� Direktes Triggern von Zeilenmodi via GPS-Uhr,� (Mit-) Beobachten GPS-getriggerter LEDs,� Interferometrisch getrackter Schwingtisch
der TU Darmstadt, Geodätisches Institut (Andreas Eichhorn, Milo Hirsch, Florian Schill, Anna Sviridova):
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Ziel: Monitoring technischer Objekte… u.a. Untersuchung des Verhaltens von WEA-Fertigteilfugen unter Last
Projekt PCC-TowerZentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)1.1.2016 – 31.08.2017 (31.11.2017)
[Carina Justus, ZIM/BMWI 2016-2017,Sandro Mertens Bachelorarbeit 2016, Benjamin Kuhn, Bachelorarbeit 2017, Thibault Colette, Ender Kurt, Christoph Schenk, Christian Schmitt; Masterprojektarbeit 2017]