Einteilung von Laserscannern

Die derzeit verfügbaren terrestrischen Laserscanner können nach verschiedenen Kriterien eingeteilt wer-den. Dazu gehört die Einteilung nach dem verwendeten Distanzmessverfahren (3.5.2.1), nach dem Aufnahme-bereich (3.5.2.2) und nach der Mechanik der Strahlauslenkung (3.5.2.3). Diese Kriterien müssen bei der Ent-wicklung eines geometrischen Modells berücksichtigt werden, vor allem die Zusatzparameter können sich je nach Typ des Laserscanners unterscheiden. Weitere charakteristische Kenngrößen, nach denen eine entspre-chende Einteilung terrestrischer Laserscanner vorgenommen werden kann sind:

• maximale Reichweite

• Scangeschwindigkeit (Datenrate)

• Anwendungsbereich

• maximale Winkelauflösung

• Genauigkeit (Distanzmessung und Winkelmessung)

• Wellenlängenbereich des Lasers und Laserklasse

• Strahldivergenz

• Kosten

3.5.2.1 Entfernungsmessverfahren

Die Distanzmessung bei einem Laserscanner-System beruht grundsätzlich auf den Prinzipien der elektro-optischen Distanzmessung (z.B. [Joeckel & Stober, 1999; Witte & Schmidt, 2000; Blais, 2004]). Das von

ei-ner Laserdiode ausgestrahlte Licht wird am Objekt reflektiert und anschließend im Messinstrument ausgewer-tet. Entweder wird dessen Laufzeit gemessen (Impulslaufzeitverfahren), es wird die Phasenlage des gesende-ten und des empfangenen Signals verglichen (Phasenvergleichsverfahren) oder Kombinationen aus beiden Prinzipien. Der Vollständigkeit halber soll an dieser Stelle auch das Triangulations-Prinzip genannt werden.

Ein wichtiges Kriterium für die Qualität der Entfernungsmessung ist die Beschaffenheit der reflektieren-den Oberflächen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Oberflächen mit spiegelnder und diffuser Refle-xion. Ist die Frequenz der Oberflächenstrukturen deutlich größer als die des auftreffenden Lichtes, kommt es zur Spiegelung, beispielsweise bei Glas oder metallischen Oberflächen. Dies führt dazu, dass alle nicht senk-recht zur Oberfläche auftreffenden Laserstrahlen nicht mehr zur Empfangsdiode des Laserscanners zurück-kehren und deshalb auch keine Distanz ermittelt werden kann. Bei einer rauen Oberfläche werden die Licht-strahlen hingegen gleichmäßig in alle Richtungen reflektiert, es kommt zu einer diffusen Reflexion. Ein klei-ner Anteil des ausgesandten Lichtes wird dabei wieder durch die Empfangsdiode registriert und es kann eine Distanz gemessen werden. In der Praxis ist meistens eine Kombination der beiden Reflexionsarten anzutref-fen.

• Impulslaufzeitverfahren

Bei diesem Messprinzip, auch 'time-of-flight' genannt, wird die Laufzeit des von der Sendediode ausge-strahlten Laserimpulses bis zum Registrieren durch die Empfangsdiode gemessen. Wird die Hälfte dieser Laufzeit mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit multipliziert, erhält man die gesuchte Distanz (Abbildung 3.24). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist außer von der Wellenlänge auch von der Temperatur, der Luft-feuchtigkeit und dem Luftdruck entlang des Signalweges abhängig. Für genaue Messungen sind diese atmo-sphärischen Parameter deshalb durch den Laserscanner zu erfassen und zu berücksichtigen.

Die Reichweite wird bei diesem Messverfahren lediglich durch die Stärke des Signals, durch die atmosphä-rischen Bedingungen und die Materialeigenschaften der reflektierenden Oberfläche beeinflusst. Solange die Empfangsdiode einen ausreichend starken Impuls vom Objekt zurück erhält, kann eine Entfernung ermittelt werden. Terrestrische Laserscanner, die dieses Distanzmessverfahren verwenden, erreichen maximale Reichweiten bis zu 6000 m (z.B. Riegl LPM-321). Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglich-keit, zwischen der aufsteigenden Flanke des Impulses (first pulse) und der absteigenden Flanke des zurück-kehrenden Impulses (last pulse) zu unterscheiden. Im Unterschied zum Airborne Laserscanning werden beim terrestrischen Laserscanning bisher nicht beide Entfernungen gleichzeitig registriert, es lässt sich meist nur eine Einstellung verwenden.

Die Genauigkeiten der Distanzmessung bei Laserscannern mit diesem Messprinzip liegen bei 6 bis 20 mm im Entfernungsbereich bis zu 1000 m (vgl. Kapitel 3.5.3) und sind damit etwas geringer als die mit dem Phasendifferenzverfahren erreichbaren Genauigkeiten. Ein weiterer Nachteil gegenüber dem Phasendiffe-renzverfahren sind die geringeren Datenraten, die hier bis zu 50 000 Punkte pro Sekunde betragen, und die damit verbundenen längeren Scanzeiten.

Abbildung 3.24: Prinzip des Impulslaufzeitverfahrens

3.5 Terrestrischer Laserscanner

Entscheidend für die häufige Nutzung dieses Messprinzips ist die Möglichkeit, in einem großen Entfer-nungsbereich ohne Mehrdeutigkeiten messen zu können. Aus diesem Grund sind terrestrische Laserscanner, die dieses Prinzip verwenden, sehr universell einsetzbar.

• Phasenvergleichsverfahren

Bei dem Phasenvergleichs- bzw. Phasendifferenzverfahren wird auf eine kontinuierlich ausgestrahlte Trä-gerwelle ein sinusförmiges Signal aufmoduliert. Zur Bestimmung der Distanz wird die Phasenlage des aus-gehenden Signals mit dem empfangenen Signal verglichen. Abhängig von der Entfernung zum reflektieren-den Objekt kommt es zu einer Phasenverschiebung Δφ (Abbildung 3.25). Entspricht die Entfernung genau der halben Modulationswellenlänge, ist die Phasenlage des ausgehenden und empfangenen Signals gleich, die Phasendifferenz ist also Null. Wird eine Phasendifferenz gemessen, ist die Entfernung kleiner als die halbe Modulationswellenlänge. Größere Entfernungen können nicht bestimmt werden, weil die Messung dann mehrdeutig ist. Aus diesem Grund ist die maximale Reichweite von Laserscannern, die nach diesem Prinzip arbeiten, durch die Wellenlänge des aufmodulierten Signals limitiert. Andererseits ist die Genauig-keit der Ermittlung der Phasendifferenz um so höher, je kleiner die Modulationswellenlänge ist. Deshalb wird oft mit mehreren Messfrequenzen (Feinfrequenz, Grobfrequenz) gearbeitet, die entweder nacheinander ausgesendet werden (z.B. bei Tachymetern) oder gleichzeitig bzw. sich überlagernd auf die Trägerwelle moduliert werden (z.B. bei einigen Laserscannern). Die Kriterien Reichweite und Messgenauigkeit stehen bei Laserscannern oft in Konkurrenz und es muss je nach Anwendungsgebiet ein Kompromiss gefunden werden.

Terrestrische Laserscanner mit dem Phasendifferenzverfahren haben maximale Reichweiten bis zu 80 m und erreichen Genauigkeiten von 2 bis 8 mm. Sie sind deshalb meistens genauer als Laserscanner mit dem Impulslaufzeitverfahren. Ein wichtiger Vorteil dieses Messprinzips ist die Möglichkeit, sehr hohe Datenra-ten (momentan bis zu 500 000 Punkte pro Sekunde) zu erreichen und damit die ScanzeiDatenra-ten wesentlich zu verkürzen.

• Triangulationsverfahren

Die höchsten Genauigkeiten, allerdings in einem wesentlich geringeren Entfernungsbereich (bis 10 m), wer-den durch das Triangulationsverfahren erreicht (Abbildung 3.26). Dabei wird ein Laserstrahl auf das Objekt projiziert und nach der Reflexion am Objekt mit einer entsprechenden Optik und einer positionsempfindli-chen Diode oder einer Photodiodenzeile (z.B. CCD-Zeile) empfangen. Die Sendediode und der Empfänger haben einen bekannten festen Abstand zueinander. Wird auf dem Empfangssensor eine bestimmte Position registriert, kann das Dreieck Sender-Objekt-Empfänger rekonstruiert und damit die Entfernung zum Objekt ermittelt werden.

Abbildung 3.25: Prinzip des Phasenvergleichsverfahrens

Wird der Laserstrahl kontinuierlich ausgelenkt, erfolgt eine punktweise Abtastung des Objektes. Meistens wird der Laserstrahl zu einer Laserlinie aufgeweitet und diese dann in einer Koordinatenrichtung ausge-lenkt. Die Laserlinie wird dann mit einem Flächensensor aufgezeichnet und ein ganzes Profil gleichzeitig analysiert.

3.5.2.2 Aufnahmebereich

Eine weitere Unterteilung terrestrischer Laserscanner ist nach dem Aufnahmebereich (field of view) mög-lich. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen und Panorama-view-Scannern. Camera-view-Scanner erlauben, bedingt durch deren Konstruktion, die Aufnahme eines kameraähnlichen rechteckigen Ge-sichtsfeldes. Panorama-view-Scanner hingegen zeichnen sich durch einen horizontalen Aufnahmewinkel von 360° aus, der durch die Rotation des Oberbaus des Instrumentes erreicht wird. Der vertikale Öffnungswinkel beträgt bis zu 160°. Im Falle von 160° ist der Laserscanner in der Lage, 'überkopf' aufzunehmen und damit, abgesehen von einem Bereich am Boden, der durch das Instrument selbst verdeckt wird (ca. 20°), die kom-plette umgebende Szene zu scannen (vollsphärische Aufnahme).

3.5.2.3 Strahlauslenkung

Die Konstruktion terrestrischer Laserscanner wird weitgehend durch die Art der Laserstrahlauslenkung bestimmt. Die Auslenkung des Laserstrahls erfolgt sequentiell in zwei Richtungen, entweder durch galvano-metrische Spiegel, durch ein Polygonrad, durch einen elliptischen Spiegel oder die Rotation des Instrumen-ten-Oberbaus. Camera-view-Scanner lenken den Laserstrahl meist durch zwei zueinander rechtwinklig ange-ordnete galvanometrische Spiegel aus, die sich jeweils um eine Achse drehen lassen. Panorama-view-Scanner hingegen erreichen die horizontale Strahlauslenkung durch eine Drehung des Instrumentes und vertikal durch ein Polygonrad oder elliptischen Spiegel. Mit elliptischen Spiegeln (Abbildung 3.27) können größere vertika-le Öffnungswinkel abgedeckt werden als mit einem Polygonrad.

Abbildung 3.26: Prinzip des Triangulationsverfahrens

Abbildung 3.27: Laserscanner FARO LS - vertikale Strahlauslenkung mit elliptischem Spiegel [Faro, 2005]

3.5 Terrestrischer Laserscanner