Genauigkeitsuntersuchung terrestrischer Laserscanner zur Dokumentation von Restaurierungsarbeiten

Abstract

Viele Anwendungen in der Verwaltung, der Darstellung und der Dokumentation von Kulturerbe benötigen präzise und detaillierte drei-dimensionale Modelle. Typische Beispiele dafür sind Risikoabschätzung, Planungs- und Rekonstruktionsprozesse oder Öffentlichkeitsarbeit. Zur Datenerfassung für die Erstellung solcher Modelle haben sich in den vergangenen Jahren terrestrischen Laserscannern etabliert.<br />Für die Dokumentation von Restaurierungsarbeiten an Kulturerbe wird häufig Millimetergenauigkeit gefordert. Das bedeutet, dass beide Modelle (vor und nach der Restaurierung) mindestens diese Genauigkeit aufweisen müssen, sodass geometrische Veränderungen ab einer gewissen Größe mit Sicherheit aufgedeckt werden können. Aufgrund dieser hohen Ansprüche müssen die Möglichkeiten der heute verfügbaren Laserscanner voll ausgenützt werden. Dies bedeutet vor allem eine Optimierung der geräteinternen Kalibrierung, die zur Modellierung von systematischen Fehlern dient.<br />Aus diesen Überlegungen heraus beschäftigt sich diese Diplomarbeit mit der Größenordnung systematischer Fehler, deren Ursachen normalerweise in Defiziten im Bereich der Scannerkonfiguration, einer mangelhaften Scannerkalibrierung und Restfehlern in der Orientierung liegen.<br />Zu Beginn der Arbeit werden bereits durchgeführte Untersuchungen und die daraus entstandenen Ansätze zur Verbesserung der Kalibrierung vorgestellt. Im zweiten Teil werden diese Experimente mit den Messdaten eines neuen Scanners wiederholt und die Ergebnisse präsentiert.<br />Abschließend wird anhand eines praktischen Beispiels, einem Zierbrunnen im Areal von Schloß Schönbrunn, die Erstellung von Oberflächenmodellen vor und nach einer Restaurierung gezeigt, wobei sowohl unterschiedliche Ansätze für eine bestmögliche Orientierung als auch verschiedene Parametereinstellungen zur Modellierung getestet werden. Das Beispiel zeigt, dass die verbleibenden systematischen Fehler im Millimeterbereich liegen. Somit können globale Unterschiede zwischen den beiden Modelle mit Hilfe von Differenzbildern aufgedeckt werden, sofern sie diese Grenze überschreiten.<br />

Many applications in cultural heritage management, monitoring and documentation benefit from precise and detailed three-dimensional models. Hazard assessment, planning and reconstruction processes as well as public relations are just a few examples. Over the past years, terrestrial laser scanners have been establishing themselves for the acquisition of the necessary data for such models.<br />To be able to accurately document restoration work of heritage sites, deviations of the accuracy of measurement have to be less than one millimetre. This means that this has to be the minimal required accuracy of both models (before and after the restoration) so as to make the detection of geometric modifications of a certain extent possible. Due to these requirements, the functions of available laser scanners have to be fully exploited. Above all, this entails the optimization of the scanner calibration, which is used for modeling the systemic error.<br />Due to these considerations, this diploma thesis is concerned with the extent of systematic errors which are normally caused by deficits of the scanner configuration, insufficient scanner calibration and residual errors of the registration.<br />This thesis begins with the presentation of past investigations and experiments and the resulting approaches for improving scanner calibration. The second part deals with the repetition of the aforementioned experiments with the measurements of a new laser scanner and the presentation of the results. Finally, the generation of surface models before and after a restoration is demonstrated with the help of a concrete example, a fountain situated in the area of Schönbrunn Palace.<br />This includes the testing of different approaches for finding an optimal registration as well as different parameter setups for modeling. The experiment illustrates that the remaining systematic errors have an extent of a few millimeters. Therefore, general differences of the two models can be detected by using differencing images if they exceed this limit.<br />