Bachelorarbeit Peter Busch

Titel der Arbeit:

Korrektur der Intensitätswerte eines terrestrischen Laserscanners in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel

Betreuer:  Dr.-Ing. D. Schneider, Dipl.-Inf. A. Schilling

Beschreibung:

In dieser Bachelorarbeit wurde die Auftreffwinkelabhängigkeit der Intensitätswerte eines terrestrischen Laserscanners untersucht. Die Intensität wird von vielen Laserscannern aufgezeichnet und sehr häufig zur Klassifizierung der gescannten Oberflächen genutzt. Allerdings unterliegt sie verschiedenen Fehlereinflüssen, welche es zu korrigieren gilt. Das betrifft unter anderem auch den Auftreffwinkel, der hier als Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Oberflächennormalen definiert wurde.

Für die Untersuchungen wurde der terrestrische Laserscanner RIEGL LMS-Z420i verwendet. Durch systematische Messungen, bei denen eine ebene und senkrecht aufgestellte Zieltafel gedreht wurde, ergaben sich die Intensitäten für verschiedene Auftreffwinkel. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Auftreffwinkel die Intensität abnimmt (Abb. 1). Auf der Grundlage dieser Daten wurde ein Korrekturmodell erstellt, welches die auftreffwinkelbedingte Intensitätsabnahme korrigiert (Abb. 2).

Anschließend wurde ein Programm in C++ entwickelt, das die Intensitätswerte mit Hilfe des Korrekturmodells in Abhängigkeit des Auftreffwinkels und der originalen Intensität korrigiert. Im Gegensatz zur Intensität wird der Auftreffwinkel nicht direkt vom Laserscanner aufgezeichnet und muss dementsprechend ermittelt werden. Das geschieht durch ein vollautomatisches Verfahren, welches für jeden Punkt die nächstgelegensten Punkte (nächste Nachbarn) sucht und aus all diesen Punkten eine ausgleichende Ebene berechnet, die die Oberfläche des Punktes approximiert. Mit dieser Ebene und den Standpunktkoordinaten des Laserscanners kann der Auftreffwinkel und dadurch auch die (auftreffwinkel-)korrigierte Intensität berechnet werden.

Das Korrekturmodell wurde zusammen mit dem Programm anhand von einigen Beispielen getestet. Als Beispiele dienten u.a. Scans des Seminarraums (Abb. 3). Diese Beispiele zeigen, dass das Korrekturmodell und das Programm schon recht gut funktionieren. Die Auftreffwinkelabhängigkeit der Intensitäten wird in ebenen Flächen größtenteils eliminiert. Ein Nachteil des Korrekturprozesses ist jedoch die Rauscherhöhung der Intensitätswerte (bei wenigen nächsten Nachbarn) bzw. die Erzeugung fehlerhafter Kanten (bei vielen nächsten Nachbarn). Durch passende Wahl der Anzahl der nächsten Nachbarn können diese Effekte aber gering gehalten werden, wodurch trotzdem gute Ergebnisse erzielbar sind. Eine entsprechende Klassifizierung der Oberflächen ist somit unter Umständen besser möglich.

Andere Untersuchungen haben aber gezeigt, dass die Auftreffwinkelabhängigkeit der Intensität mit anderen Einflussfaktoren korreliert ist. Besonders trifft dies auf die Faktoren Struktur (z.B. Ebenheit) und Material der Oberflächen zu. Das erstellte Korrekturmodell basiert auf den Bedingungen der Scans vom Seminarraum, weshalb die Beispiele dort auch gute Resultate hervorbringen. Bei anderen Scans können aber die Bedingungen hinsichtlich dieser Faktoren anders sein (z.B. unebene Oberfläche, anderes Oberflächenmaterial, ...), was dementsprechend schlechtere Ergebnisse zur Folge hat. Somit hängt die relative Genauigkeit der korrigierten Intensität noch sehr stark vom Einfluss der verschiedenen Faktoren ab, weil diese teilweise mit dem Auftreffwinkel korreliert sind.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Korrektur der Intensitätswerte eines terrestrischen Laserscanners in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel prinzipiell möglich ist. Aufgrund der Korrelationen konnte aber noch kein allgemeingültiges Modell aufgestellt werden, weshalb weitere Untersuchungen notwendig sind.