Evaluierung des bildgebenden Deformationsmesssystems i-MeaS

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem neuen optischen Messsystem, i-MeaS, das dem Deformationsmonitoring instabiler Felswände dienen soll, und derzeit an der Technischen Universität Wien entwickelt wird. Es beruht auf einem modifizierten Leica TCRA1201+, in dessen Strahlengang ein CMOS-Sensor eingebaut wurde.<br />Zwei bildgebende Tachymeter kommen im Rahmen der Deformationsmessung zum Einsatz, und werden über eine Steuerungszentrale kontrolliert. Sie nehmen georeferenziert Aufnahmen vom Messobjekt auf. In den Aufnahmen werden mit dem OpenSURF-Algorithmus markante Punkte gesucht und einander zugeordnet, die in weiterer Folge vom Bildkoordinatensystem in das Tachymeterkoordinatensystem übertragen werden. So kann jeder Objektpunkt koordinativ festgelegt werden. Die Messungen werden in den Folgeepochen wiederholt. Ziel ist es, eine möglichst große Menge gleicher Punkte am Objekt wiederzufinden. Das Deformationsmonitoring kommt somit ohne signalisierte Punkte aus.<br />Um die Weiterentwicklung zu unterstützen wurden im Rahmen dieser Arbeit im Bereich Hardware, Software sowie theoretischer Aufgabenstellungen Tests durchgeführt, die eine Bewertung und Verbesserung des aktuellen Systems zulassen. Genauigkeitstests verschiedener Realisierungen der Messkonfiguration brachten die Erkenntnis, dass der Vorwärtsschnitt im Allgemeinen für das System besser geeignet ist als ein kombiniertes Polarverfahren. Dieser ist auch für lange Zielweiten einsetzbar und lässt demnach einen größeren Spielraum für verschiedene Realisierungen von Messkonfigurationen zu.<br />Labortest bestätigten eine hinreichende Sensorstabilität, deckten jedoch Unzulänglichkeiten in der Kabelmontage auf, die sich direkt auf die Anzielgenauigkeiten auswirkten.<br />Eine Reihe von unterschiedlichen Felsaufnahmen unter wechselnden Beleuchtungsbedingungen wurden mit dem OpenSURF-Algorithmus behandelt.<br />Eine Abschätzung der wichtigsten Parametereinstellungen konnte somit getroffen werden. Durch eine vorangehende Bildbearbeitung mit einer adaptiven, kontrastlimitierten Histogrammequalisierung wurden die Ergebnisse weiter verbessert.<br />Bei Onlinetests konnten die gefundenen Resultate bestätigt und erweitert werden. Als ein wichtiger Punkte dieser Arbeit ergaben sich Überlegungen zu einem neuen Aufnahmekonzept, das ausschließlich mit Kugelkoordinaten arbeitet. Eine Effizienzsteigerung hinsichtlich Zeit und Datenvolumen könnte durch Reduktion der Anzahl der Aufnahmen erreicht werden, wodurch die Berechnungszeit um einen großen Teil reduziert werden könnte. Im Fall der Aufnahmereihe unter realen Bedingungen wurden für eine Referenz- und eine Folgeepoche eine Rechenzeit von insgesamt ungefähr 10 Stunden benötigt. Das neue Aufnahmekonzept würde grundlegend zur Effizienzsteigerung beitragen, indem bis zu 6 Stunden eingespart werden können.<br />

This work deals with a new optical measurement system, called i-MeaS, that is used for the monitoring of unstable rockfalls. The system is currently in prototype state and is researched in a project at Technical University of Vienna. It works with a modified Leica TCRA1201+ and a built-in CMOS-sensor. The two image assisted total stations are controlled by a central controlling unit. They take georeferenced images of the observed measurement area. In the images the OpenSURF-algorithm finds distinctive points, that are described mathematically and matched.<br />Theses measurement sessions take place over several periods of time, to find a huge amount of corresponding points on the object. With this principle, monitoring can be achieved without using signalized measurement points.<br />The goal of this study was the evaluation of the existing measurement system, to support the reasearch and developement. This was achieved by performing theoretical and practical tests, concerning hardware, software and theoretical topics. They led to conclusions on the present realization of the system.<br />Accuracy tests concerning different measurement configurations were performed. Evaluations of the configuration were done by empirical tests as well as error propagation analysis. In general 3D forward intersection seems to be better than polar methods, as it can also be used for far range deformation problems. However, in special cases other measurement configurations are preferable. An optimized ratio of baseline to distance was found.<br />Laboratory tests could verify the stability of the built-in sensor, but showed problems with the fixing of the cables, it had negative influence on the measurement accuracy.<br />A series of images under different light conditions were taken for testing the parameter settings of the OpenSURF-algorithm. An assessment of important settings could be found, that increased the amount of object points for deformation monitoring. A previous image enhancement with contrast-limited adaptive histogram equalization improved and supported the obtained results additionally.<br />Online tests confirmed the results of the theoretical and practical studies. Finally a new measurement concept was considered, which is based on spherical coordinates. With this approach better performance with respect to measurement time and data amount would be able. Time saving of about two-thirds could be achieved. In case of the on-line tests, the calculation time was about 10 hours. The new concept could help saving several hours.