8.2 Integration terrestrischer Laserscannerdaten und Fisheye-Bilddaten
8.2.2 Aufnahmekonfigurationen und Ergebnisse
In den nachfolgenden Kapiteln werden die Resultate der integrierten Bündelblockausgleichung unter Ver-wendung unterschiedlicher Laserscanner- und Fisheye-Kamera-Konfigurationen vorgestellt und analysiert.
Um eine optimale Nutzung der unterschiedlichen Beobachtungstypen zu erreichen, wurde eine Varianzkom-ponentenschätzung für das Aufstellen des stochastischen Modells angewendet (vgl. Kapitel 7.3). Alle vorge-stellten Konfigurationen wurden als freie Netzausgleichung berechnet, außerdem wurde eine Selbstkalibrie-rung der beteiligten Messgeräte, terrestrischer Laserscanner und Fisheye-Kamera, integriert.
8.2.2.1 Scans aus der Mitte des Raumes
Zuerst wurden zwei Laserscanner-Standpunkte aus der Mitte des Raumes (Abbildung 8.5, Konfiguration a) und zusätzlich ein Fisheye-Bild (Konfiguration b) genutzt, um die dreidimensionalen Koordinaten der in allen Aufnahmen gleichzeitig beobachteten Objektpunkte zu berechnen. Die Kombination der beiden Scans bietet annähernd das gleiche Gesichtsfeld wie das hemisphärische Fisheye-Bild.
Für die Objektpunkte, die sich an der Decke des Raumes befinden, können die X- und Y-Koordinatenrich-tungen als laterale RichY-Koordinatenrich-tungen und die Z-Richtung als die Tiefenrichtung angesehen werden. Tabelle 8.11 zeigt, dass die Genauigkeit der in der Ausgleichung geschätzten Neupunktkoordinaten (RMS) durch die Ver-wendung des zusätzlichen Fisheye-Bildes erwartungsgemäß verbessert wird. Dies ist neben der höheren Red-undanz des Normalgleichungssystems darauf zurückzuführen, dass die Fisheye-Bildkoordinaten mit Subpixel-Operatoren gemessen wurden (während die Laserscanner-Beobachtungen durch Messung im Intensitätsbild mit ganzzahliger Pixel-Genauigkeit ermittelt wurden). Die aus Berechnung b) resultierenden Werte für die Standardabweichungen der Neupunktkoordinaten liegen in der Größenordnung des Punktabstandes in 4 m Di-stanz (entsprechend der am Laserscanner eingestellten Winkelauflösung).
Scans Fisheye-Bilder
Unbe-kannte
Beobach-tungen
Redun-danz
Neu-punkte
RMSX
[mm]
RMSY
[mm]
RMSZ
[mm]
RMSXYZ
[mm]
a) 2 - 217 339 122 66 5,00 3,25 7,58 9,64
b) 2 1 233 457 224 66 2,69 2,00 4,47 5,59
Tabelle 8.11: Ergebnisse der integrierten Bündelblockausgleichung für die Konfigurationen a) und b)
8.2.2.2 Zwei gegenüberliegende Scans
Der Zweck der im Folgenden vorgestellten Berechnungen ist es, zu analysieren, ob Laserscanner-Positio-nen, die einen optimalen Schnittwinkel mit den Neupunkten einschließen, zu einer Verbesserung der ge-schätzten Genauigkeiten führen. Dazu wurden zwei Scans von gegenüberliegenden Standpunkten
aufgenom-Abbildung 8.5: Aufnahme-Konfigurationen a) und b) (Scans aus der Mitte des Raumes)
8.2 Integration terrestrischer Laserscannerdaten und Fisheye-Bilddaten
men (Abbildung 8.6, Berechnungen c und d). Bei den Berechnungen d) und f) wurden zusätzliche Fisheye-Bilder von jeder Laserscanner-Position aus aufgenommen. Im Gegensatz dazu wurden für die Berechnungen g) und h) jeweils zwei Laserscans und zwei Fisheye-Bilder genutzt, die in den vier Ecken des Testraumes ver-teilt sind, um eine optimale Strahlenschnittgeometrie zu gewährleisten.
Tabelle 8.12 fasst die Resultate der Berechnungen der in Abbildung 8.6 dargestellten Konfigurationen zu-sammen. Dabei ist zu beachten, dass die Berechnungen c) und d) aufgrund von Verdeckungen im Objekt auf einer geringeren Anzahl korrespondierender Objektpunkte basieren. Die sich aus diesen Berechnungen erge-benden mittleren quadratischen Abweichungen der Objektpunktkoordinaten sind deutlich geringer im Ver-gleich zu den Berechnungen a) und b). Diese Tatsache bestätigt, dass die Messungen konvergenter Laserscan-ner-Positionen, die in einer gemeinsamen Ausgleichung verarbeitet werden, zu einer Verbesserung der Ge-nauigkeit der berechneten Objektkoordinaten führt. Dies ist damit zu begründen, dass ein Objektpunkt nicht nur durch die einfache redundante Messung der sphärischen Koordinaten bestimmt wird, sondern auch der Schnitt der Messstrahlen, die durch die auf jedem Standpunkt gemessenen Horizontal- und Vertikalwinkel aufgespannt werden, zur Bestimmung der Objektpunktkoordinaten genutzt wird (räumlicher Vorwärtsschnitt mit Winkeln). Darüber hinaus bewirkt die Berücksichtigung zusätzlicher (Fisheye-) Bilder auf jedem Lasers-canner-Standpunkt eine weitere Steigerung der Genauigkeit (Berechnung e und f). Die Standardabweichung der Neupunktkoordinaten wird durch die Aufnahmekonfigurationen g) und h) nur noch wenig verringert.
Scans Fisheye-Bilder
Unbe-kannte
Beobach-tungen
Redun-danz
Neu-punkte
RMSX
[mm]
RMSY
[mm]
RMSZ
[mm]
RMSXYZ
[mm]
c) 2 - 178 318 140 53 1,20 1,16 1,43 2,20
d) 2 - 172 306 134 51 0,97 1,00 1,22 1,85
e) 2 2 239 605 366 66 0,66 0,55 0,88 1,23
f) 2 2 239 585 346 66 0,61 0,60 0,67 1,09
g) 2 2 239 580 341 66 0,62 0,57 0,79 1,15
h) 2 2 239 582 343 66 0,54 0,49 0,68 1,00
Tabelle 8.12: Ergebnisse der integrierten Bündelblockausgleichung für die Konfigurationen c) bis h) Abbildung 8.6: Aufnahme-Konfigurationen c) bis h)
(zwei gegenüberliegende Scans)
Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass es durchaus sinnvoll ist, zusätzliche Bilder in einer Bün-delblockausgleichung mit den Beobachtungen eines terrestrischen Laserscanners zu kombinieren, auch um eine höhere Genauigkeit der gegenseitigen Referenzierung und der Kalibrierung der beteiligten Geräte zu er-reichen. Dies gilt vor allem wenn die Möglichkeit besteht, Verknüpfungspunkte mit Subpixel-Genauigkeit zu messen. Für den Fall, dass die Kamera mechanisch fest mit dem Laserscanner verbunden ist, ist es besonders einfach, die damit aufgenommen Bilder in die Berechnung einzubeziehen, da dann bereits meist sehr genaue Näherungswerte für die Referenzierung zwischen Kamera und Laserscanner bekannt sind.
8.2.2.3 Mehrere Scans aus den Raumecken
Um das Potenzial der gemeinsamen Ausgleichung von Beobachtungen eines terrestrischen Laserscanners und einer Kamera mit Fisheye-Objektiv zu demonstrieren, wurden weitere Aufnahmen in die Berechnung in-tegriert (Abbildung 8.7). Zu diesem Zweck wurden zuerst die Beobachtungen von 4 (Berechnung i) und 6 La-serscans (Berechnung j) und zum Vergleich die Beobachtungen von 4 (Berechnung k) und 5 Fisheye-Bildern (Berechnung l) separat ausgeglichen. Die Berechnungen m) und n) kombinieren die Laserscans und Fisheye-Bilder in einer integrierten Bündelblockausgleichung.
Die Anwendung der Konfigurationen i) und j), in denen ausschließlich Laserscanner-Beobachtungen aus-geglichen wurden, resultiert in einer etwas höheren Genauigkeit in Bezug auf die Standardabweichungen der Neupunktkoordinaten (RMS) im Vergleich zu den Berechnungsbeispielen k) und l), in denen nur Fisheye-Bildkoordinaten zur Schätzung der dreidimensionalen Objektpunktkoordinaten genutzt wurden (Tabelle 8.13). Eine signifikante Steigerung der Genauigkeit ergibt sich durch die Kombination beider Aufnahmegerä-te (Berechnung m und n), zum einen aufgrund der höheren Redundanz und zum anderen durch die Stärkung der Netzgeometrie durch die unterschiedliche Charakteristik der verwendeten Beobachtungen. Diese beiden Berechnungen zeigen das Potenzial der gemeinsamen Auswertung von Laserscanner- und Fisheye-Beobach-tungen.
Abbildung 8.7: Aufnahme-Konfigurationen i) bis n) (mehrere Scans aus den Raumecken)
8.2 Integration terrestrischer Laserscannerdaten und Fisheye-Bilddaten
Scans Fisheye-Bilder
Unbe-kannte
Beobach-tungen
Redun-danz
Neu-punkte
RMSX
[mm]
RMSY
[mm]
RMSZ
[mm]
RMSXYZ
[mm]
i) 4 - 223 696 473 64 0,53 0,54 0,63 0,98
j) 6 - 245 1014 769 66 0,47 0,51 0,64 0,96
k) - 4 232 472 240 66 0,75 0,72 0,59 1,20
l) - 5 238 568 330 66 0,64 0,57 0,63 1,06
m) 4 4 263 1157 894 66 0,29 0,30 0,40 0,58
n) 6 5 285 1534 1249 66 0,28 0,27 0,36 0,53
Tabelle 8.13: Ergebnisse der integrierten Bündelblockausgleichung für die Konfigurationen i) bis n)
8.2.2.4 Effiziente Aufnahme-Konfigurationen in der Praxis
Abschließend sollen zwei weitere Berechnungen vorgestellt werden, die als Kompromiss zwischen Ge-nauigkeit und Effektivität angesehen werden können und damit in der Praxis unter realistischen Bedingungen (z.B. begrenzte Zeit für die Aufnahmen) eingesetzt werden könnten. Das Beispiel o) geht davon aus, dass 4 Scans aus den Ecken des Raumes ohnehin aufgenommen werden müssen, um den gesamten Raum ohne Ver-deckungen zu erfassen (Abbildung 8.8). Zusätzlich wird nur ein einziges Fisheye-Bild aus der Raummitte auf-genommen. Die daraus resultierenden mittleren Standardabweichungen der Objektpunktkoordinaten (Tabelle 8.14) sind etwas geringer als die entsprechende Berechnung ohne die Fisheye-Aufnahme (vgl. Beispiel i).
Sollte dieses Fisheye-Bild sowieso aufgenommen werden müssen, beispielsweise für die Kolorierung der Punktwolke, kann es auch gleichzeitig für die Bestimmung der Objektpunktkoordinaten verwendet werden, was außerdem zu einer optimalen Referenzierung des Bildes bezüglich der Laserscanner-Punktwolken führt.
Scans Fisheye-Bilder
Unbe-kannte
Beobach-tungen
Redun-danz
Neu-punkte
RMSX
[mm]
RMSY
[mm]
RMSZ
[mm]
RMSXYZ
[mm]
o) 4 1 242 804 562 65 0,48 0,47 0,60 0,90
p) 2 4 251 787 536 66 0,34 0,34 0,51 0,70
Tabelle 8.14: Ergebnisse der integrierten Bündelblockausgleichung für die Konfigurationen o) und p)
Berechnung p) basiert auf Konfiguration a), bei der lediglich 2 Scans aus der Mitte des Raumes genutzt wurden, um den Raum vollständig zu erfassen. In der Praxis sind 1 Scan (bei vollsphärischen Scannern) oder 2 zueinander verschwenkte Scans (bei Geräten ohne vollsphärisches Gesichtsfeld) oft ausreichend, wenn der aufzunehmende Raum nur wenige Verdeckungen aufweist. Zusätzliche wurden 4 Bilder aus den Raumecken
Abbildung 8.8: Aufnahme-Konfigurationen o) und p) (effiziente Konfigurationen in der Praxis)
aufgenommen, welche praktisch mit weniger Aufwand zu realisieren sind als zusätzliche Laserscanner-Stand-punkte. Dabei ist aufgrund der höheren Redundanz und der optimalen Schnittgeometrie in Verbindung mit der Subpixel-Messgenauigkeit der Bildkoordinaten eine deutliche Steigerung der Genauigkeiten im Vergleich zu Berechnung a) festzustellen.