Die Orientierung von Laserscanner- und Bilddaten bei der fahrzeuggestützten Objekterfassung

Abstract

Aufgrund des steigenden Bedarfs an 3D-Geoinformation im städtischen Bereich (für diverse Anwendungsgebiete wie z.B. Lärmschutz, Stadtplanung, Denkmalschutz, Katastrophenschutz, Einsatzplanung) gewinnt der Aufbau von digitalen 3D-Stadtmodellen zunehmend an Bedeutung. Je nach Anwendung ist eine mehr oder weniger detaillierte geometrische Modellierung des urbanen Raumes (Gebäude, Infrastruktureinrichtungen, Straßenraum) erforderlich, wobei in manchen Fällen auch eine Photo-Textur für das Modell verlangt wird.<br />Die für die Modellierung der Dachlandschaften notwendige Datenerfassung lässt sich mit Hilfe von flugzeuggetragenen Aufnahmeplattformen (Airborne Laser Scanning, Luftbildphotogrammetrie) ökonomisch durchführen. Für die großräumige Datenerfassung des Straßenraums und der straßenseitigen Fassadenlandschaft im innerstädtischen Raum ist man jedoch auf terrestrische Aufnahmesysteme angewiesen, die zwecks Wirtschaftlichkeit fahrzeuggestützte Plattformen darstellen. Solche Aufnahmeplattformen verfügen in der Regel zum einen über Sensoren zur eigentlichen Aufnahmedatenerfassung (z.B. Kamera, terrestrischer Laserscanner, Videokamera) und zum anderen über Navigationssensoren (satellitengestützes Positionierungssystem (GPS), Inertialsystem, Neigungssensoren, Odometer), mit deren Hilfe der Bezug der aufgenommenen Daten zu einem übergeordneten Referenz-Koordinatensystem hergestellt wird (dieser Vorgang wird als "Sensororientierung" oder "Georeferenzierung" bezeichnet). Bei den meisten solcher bestehenden Aufnahmesysteme spielt die satellitengestützte Positionierung für die Georeferenzierung eine zentrale Rolle. Aufgrund der problematischen Eigenschaften dieses Verfahrens in dichtverbauten, innerstädtischen Gebieten (Abschattungen, Mehrwegeffekte) kann dabei jedoch nicht immer eine zuverlässige Georeferenzierung gewährleistet werden, vor allem dann, wenn es zu längeren Signalausfällen kommt.<br />In dieser Arbeit werden Strategien für die Georeferenzierung von terrestrischen Laserscannerund Bilddaten entwickelt, die von einer mobilen Plattform aus im urbanen Raum erfasst worden sind. Dies erfolgt mit dem Ziel, eine allzu starke Stützung der Georeferenzierung auf ein satellitenbasiertes Positionierungssystem zu vermeiden. Weiters soll auf ein teures inertiales Navigationssystem (INS) verzichtet werden können. Neben der Verlässlichkeit des Verfahrens wird dabei Hauptaugenmerk auf die geometrische Genauigkeit des Ergebnisses gelegt; deshalb sind Methoden erforderlich, die Angaben über die erzielten Genauigkeiten mitliefern.<br />Zunächst wird auf Probleme, die im Zuge der Kalibrierung einer solchen Aufnahmeplattform zu lösen sind, eingegangen. Dabei wird sowohl die Kalibrierung der einzelnen Sensoren als auch die Kalibrierung des Gesamtsystems behandelt. Anschließend folgt ein Abschnitt über die Orientierung von terrestrischen Laserscanner-Punktwolken mittels 3D-Matching, wobei eine bestehende Methode zur Lösung der vorliegenden Aufgabenstellung adaptiert bzw. erweitert und anschließend anhand von Testdatensätzen evaluiert wird.<br />Danach werden die im Zuge der Arbeit entwickelten Strategien für die Georeferenzierung präsentiert, bei denen Verfahren wie 3D-Matching von Punktwolken, Linienphotogrammetrie sowie merkmalsbasierte Bildzuordnung zum Einsatz kommen, und anhand von praktischen Beiiv spielen näher erläutert. Dabei werden die erzielten Ergebnisse kritisch beurteilt. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf noch offene Forschungsfragen.<br />

Due to the fact that there is an growing demand for 3D geographic information in urban areas (for various fields of application such as noise protection, urban planning, monument conservation, disaster control, operation planning), the generation of digital 3D city models is gaining more and more importance. Depending on the application, a more or less detailed geometric modelling of urban space (buildings, infrastructure facilities, street space) and sometimes also a photo-realistic texture for the model is required.<br />Data acquisition necessary for the modelling of the roof-scapes can be carried out economically by means of airborne platforms (airborne laser scanning, aerial photogrammetry). For largescale data acquisition of street space and street-facing façades within inner-city areas, however, terrestrial acquisition systems are essential that are - for economical reasons - vehicle-based platforms. Such acquisition platforms are typically equipped both with sensors for actual data acquisition (e.g. camera, terrestrial laser scanner, video camera) and sensors for navigation (satellite-based positioning system (GPS), inertial system, inclination sensors, odometer), with the help of which the acquired data is referred to a superior reference coordinate system (this process is termed "sensor orientation" or "georeferencing"). In case of most of the existing acquisition systems, the satellite-based positioning plays a central role in georeferencing. Due to the problematic characteristics of this technique in high-density, inner-city areas (signal shadowing, multi-path effects), however, a reliable georeferencing can not always be ensured, especially in cases of longer signal outages.<br />In this work, strategies for the georeferencing of terrestrial laser scanner and image data, which have been acquired in urban space by a mobile platform, are developed.<br />This is done with the intention to avoid a too strong dependency of georeferencing on a satellite-based positioning system. Furthermore, an expensive inertial navigation system (INS) shall not be necessary. In addition to the reliability of the procedure, the main focus is set on geometric accuracy of the result; hence, methods are required that provide information also about the achieved accuracies.<br />At first, problems are addressed, which have to be solved in the course of calibrating such a data acquisition platform. This involves calibration of both the individual sensors and the entire system. Subsequently, a section about orientation of terrestrial laser scanner point clouds using 3D matching follows: there, an existing method is firstly adapted in order to accomplish the solution of the given task, and then evaluated based on test data sets.<br />Afterwards, the strategies for georeferencing developed in the scope of this work are presented, where methods such as 3D matching of point clouds, line photogrammetry and feature-based image matching are used, and explained on the basis of practical examples. The achieved results are discussed critically. The thesis concludes with a summary and an outlook on still open research topics.