TLS target designs compared in terms of center estimation accuracy

Abstract

Die großen Ansprüche des geodätischen Monitorings resultieren in ebenso große Ansprüche an die verwendeten Zielmarken. Diese werden unter anderem für die Transformation verschiedener Punktwolken aus unterschiedlichen Epochen in ein übergeordnetes Koordinatensystem verwendet, um diese Punktwolken dann vergleichen zu können. Janßen et. al. (2019), Kern et. al. (2010) und Eling (2019) haben bereits Vergleiche unterschiedlicher Zielmarkendesigns unternommen und durch die Ergebnisse eigene Designs entworfen. Mit diesen Arbeiten als Basis wurden vier Zielmarkendesigns für diese Arbeit ausgewählt (Schachbrett, BOTA-8, weißer Kreis und konzentrische Kreise). Ebenso wurden zwei verschiedene Instrumente verwendet, um herauszufinden, ob die Ergebnisse für unterschiedliche Scanner ähnlich sind (Leica MS60 und Riegl VZ 2000). Um die Ergebnisse miteinander vergleichen zu können wird ein übergeordnetes Koordinatensystem verwendet (Dallinger 2017). Die Transformation vom lokalen Scanner System ins übergeordnete Koordinatensystem erfolgt über eine Helmert Transformation. Zur Bestimmung der Sollkoordinaten der Zielmarkenzentren im übergeordneten Koordinatensystem wurde eine TMS-Messung (Winkel Messungen) mit der Leica MS60 durchgeführt. Die Zielmarkenzentren wurden im Anschluss anhand einer Netzausgleichung geschätzt. Dies führte zu maximalen Standardabweichungen von 0.5 Millimeter. Zwei Algorithmen wurden für die Bestimmung des Zielmarkenzentrums verwendet. Einerseits der Algorithmus von Janßen et. al. (2019) basierend auf Image-Matching (Schachbrett und BOTA-8) und andererseits der, in dieser Arbeit neu entwickelte, Algorithmus basierend auf Kantendetektion aus Intensitätsbildern und Kreisschätzungen (weißer Kreis und konzentrische Kreise). Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei praktische Experimente mit beiden Instrumenten durchgeführt. Eines zur Bestimmung des Einflusses der Distanz zur Zielmarke und eines zur Bestimmung des Einflusses des Einfallswinkels. Das Distanzexperiment zeigte für die MS60 einen leicht quadratisch steigenden Verlauf der Abweichungen zu den Sollwerten mit wachsender Distanz für alle Zielmarken mit Ausnahme der konzentrischen Kreise. Diese Zielmarke zeigt einen leicht steigenden linearen Verlauf und lieferte somit die besten Ergebnisse für diesen Versuch. Für den Riegl VZ 2000 zeigten alle Zielmarken in etwa dieselben Ergebnisse. Allerdings liefern schwarz-weiße Zielmarken zu deutlich besseren Ergebnissen als grau-weiße Zielmarken. Bei der MS60 spielt diese Wahl keine Rolle. Zusätzlich wurde die Präzision aller Zielmarken für eine Distanz von 15 Meter ermittelt. Diese liegt für die MS60 bei allen unter 0.5 Millimeter. Der Riegl Scanner erreicht diesen Wert nur für das BOTA-8 Design. Das Experiment bezüglich des Einfallswinkels zeigt ähnliche Ergebnisse für alle Zielmarken beider Instrumente. Die einzige Ausnahme dazu ist nur der weiße Kreis, welcher für den Riegl VZ 2000 bei höheren Einfallswinkeln Punktlagefehler größer als 10 Millimetern erreicht. Aus diesen beiden Experimenten schnitt für die MS60 das Design der konzentrischen Kreise und für den Riegl Scanner das BOTA-8 Design am besten ab. Allerdings kann keine generelle Aussage über das optimale Zielmarkendesign getroffen werden. Ein Grund dafür ist, dass die beiden verwendeten Instrumente bereits zu unterschiedlichen Ergebnissen führten.

The high demands of geodetic monitoring applications result in correspondingly high demands on the targets used. These are used to transform point clouds from different epochs into a common coordinate system and therefore be then able to compare different epochs with each other. Janßen et. al. (2019), Kern et. al. (2010) and Eling (2009) have already made some comparisons of different target designs and developed their own targets trough the findings. Using these results and designs as a starting point four targets were chosen for this thesis (checkerboard, BOTA-8, white circle and concentric circles). Also, two different instruments for scanning were selected in order to check if the results are similar for different scanners (Leica MS60 and Riegl VZ 2000). In order to compare the results with each other a reference coordinate system has been used (Dallinger 2017). The transformation from the local scanner system into this higher order one is realized via a Helmert transformation. To determine the nominal target centers in the reference coordinate system, a TMS measurement (angle measurements) was performed with Leica’s MS60 and the target centers were then estimated in a network adjustment. This led to nominal target center coordinates with standard deviations better than 0.5 millimeters. Two algorithms were used to determine the target centers. On the one hand, the algorithm from Janßen et. al. (2019) based on image matching (checkerboard and BOTA-8) and on the other hand a newly in this thesis developed algorithm based on edge detections from intensity images and circle estimations (white circle and concentric circles). The new algorithm also provides the standard deviations to the individual center coordinates. In the course of this thesis, two practical experiments were carried out with both instruments. One to determine the influence of the distance to the target and one for the influence of the incidence angle. The experiment regarding the distance showed a slightly quadratic ascending course of the deviations to the nominal target centers with increasing distance for all targets except the concentric circles for Leica’s MS60. This one showed a slightly ascending linear course and ended up performing the best out of all targets. For the Riegl VZ 2000 all targets performed similarly. However, black and white targets lead to significantly better results than gray and white ones. For the MS60 the choice of black or gray has no impact. In addition, the precision for both instruments and all target designs was determined for a distance of 15 meters, which is always better than 0.5 millimeters for the MS60. The Riegl scanner reaches this value only for the BOTA-8 design. The experiment regarding the incidence angle, showed similar results for all targets and both instruments. An exception is only the white circle for the Riegl VZ 2000, which at higher angles leads to point position errors beyond 10 millimeters. From these two experiments, the concentric circle design performed best for the MS60 and the BOTA-8 design for the Riegl scanner. However, it is not possible to derive a general statement about the optimal target from this experiment. This is due to the already different results of the two instruments used.