Modellierung der Deformationen von Mauerwerkstrukturen aus terrestrischen Laserscans

Abstract

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung und Untersuchung von Methoden zur Modellierung der Deformationen regelmäßig strukturierter Mauerwerke aus terrestrischen Laserscans. Als Datengrundlage wird ein Ausschnitt eines Aquäduktbogens, der die Struktur einer Klinkerfassade hat, im Zuge einer eintägigen Messkampagne mehrmals gescannt.Eine Modellierungsmethode wird auf Basis von approximierenden B-Spline-Flächen erarbeitet.Dafür werden Punktwolken zweier Epochen jeweils von einer B-Spline-Flächeapproximiert. Die geschätzten Unbekannten sind dabei die jeweiligen Kontrollpunkte,die im Anschluss, unter der Voraussetzung einer gleichen Flächenparametrisierung, miteinander verglichen werden. Durch Einführung der Kontrollpunkte in das Kongruenzmodell sollen lokale Deformationen im Kontrollnetz festgestellt werden und im Weiteren auf flächenhafte Deformationen des Objektes geschlussfolgert werden. Um den Einfluss der Struktur der Punktwolke auf das Deformationsergebnis zu prüfen, wird zuvor eine Segmentierung durchgeführt. Punkte, die in den Fugen gemessen wurden, sollen aus der Punktwolke eliminiert werden. Dazu wird ein Verfahren erarbeitet, das ein initialesRegion-Growing-Segmentierungsergebnis optimiert.Eine zweite Modellierungsmethode soll von den Struktureigenschaften der Punktwolken profitieren. Dies wird durch Nutzung der radiometrischen Eigenschaften der Einzelpunkte realisiert. Die Punktwolken zweier Epochen werden in Intensitätsbilder umgewandelt,um markante Bildpunkte (Kernpunkte) durch Anwendung des Förstner-Operators zu detektieren. Deren Deskription durch den BRISK-Operator ermöglicht eine Korrespondenzfindung von Kernpunkten der beiden Bilder. Nach der Umwandlungder korrespondierenden Bildpunkte in 3D-Kernpunkte werden diese in eine robuste 3D Helmerttransformation eingeführt. Dabei kann die Starrkörperbewegung zwischen den 3D-Kernpunktpaaren bestimmt werden. Jene Kernpunktpaare, die dabei als Ausreißer detektiert werden, werden der Deformation verdächtigt und in ihrer Lage geprüft.Zur Validierung der beiden Methoden werden zusätzlich Epochenvergleiche mit Hilfe des M3C2-Algorithmus durchgeführt. Diese zeigen, dass in keinem Epochenvergleichsignifikante Deformationen auftreten.Die Ergebnisse der Deformationsanalyse auf Basis approximierender B-Spline-Flächen sind von den Korrelationen zwischen den Kontrollpunkten beeinflusst. Dadurch kann einer Aussage über Deformationen unter Einführung der Kontrollpunkte in das Kongruenzmodellnicht vertraut werden. Eine vorhergehende Segmentierung verbessert die Ergebnisse geringfügig. Die Deformationsanalyse auf Basis korrespondierender Kernpunktebestätigt die Abwesenheit von Deformationen in allen Epochenvergleichen.

The aim of this Diploma Thesis is to develop methods for modeling deformations of regularly structured objects from terrestrial laser scans. As a data basis, a section of an aqueduct arch, which has the structure of a clinker facade, was scanned in four epochs in the course of a one-day measurement campaign.One approach to model the deformations is developed based on approximating B-splinesurfaces. For this purpose, B-spline surfaces are approximating point clouds of two epochs each. The estimated parameters are the respective control points, which are subsequently compared under the assumption of the same surface parameterization. By introducing the control points into the congruence model, local deformations in the controlpolygon shall be detected and conclusions shall be drawn on the areal deformations of the object. To check the influence of the point cloud’s structure on the deformation result, a previous segmentation is performed. In this process, points measured in thejoints are eliminated from the point cloud. Therefore a method is developed to optimizean initial region growing segmentation result.The second method for modeling the deformations shall benefit from the structuralproperties of the point clouds. This is realized by using the radiometric properties of the individual points through converting the point clouds of two epochs into intensity images. In these intensity images, prominent image points (so-called keypoints) are detected by applying the Förstner-Operator. The description of the detected keypoints by the BRISK-Operator allows the performance of a point matching of the two images. Corresponding keypoints are subsequently restransformed into 3D coordinates.A robust 3D Helmert transformation is used to detect both rigid body motion between pairs of 3D keypoints. Those keypoints which are detected as outliers are suspected of deformation and their position is checked accordingly.To validate the two methods, additional epoch comparisons are performed using the M3C2 algorithm. These show that no significant deformations occur in any epoch comparison.The results of the deformation analysis based on approximating B-spline surfaces are influenced by the correlations between the control points. Thus, a statement about deformations under introduction of the control points into the congruence model cannot be trusted. A previous segmentation slightly improves the results. The deformation analysis based on corresponding keypoints confirms the absence of deformations in all epoch comparisons.