Title: Datenerfassung und Aufbereitung der originären Laserscanneraufnahmen
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Datenerfassung und Aufbereitung der originären Laserscanneraufnahmen


Eine wirtschaftliche Aufnahme des Schiffshebewerkes ist nur mit Laserscannern möglich, die eine Messrate von mehr als 50tsd Punkte pro Sekunde ermöglichen, somit kommen zum jetzigen Zeitpunkt nur Systeme in Frage, die nach dem Phasenvergleichsverfahren arbeiten. Für die Messungen stand der Laserscanner Leica HDS 4500 zur Verfügung (Abb. 2; der Scanner ist bauglich zum Z+F Imager 5003), der sich durch eine besonders hochfrequente Messwerterfassung von bis zu 500 KHz auszeichnet. Die technischen Daten sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Die Genauigkeit der lokalen Objektkoordinaten für jeden Scannerstandpunkt ist von mehreren Einflussfaktoren abhängig. Zum einen beeinflussen die Distanz zum Objekt, die Objektoberfläche und der Auftreffwinkel die Genauigkeit, zum anderen spielen äußere Einflusse wie Luftfeuchtigkeit und Sonneneinstrahlung eine Rolle. Während schlechte äußere Bedingungen hauptsächlich zu Störpixeln führen, machen sich schlechte Auftreffwinkel und große Objektdistanzen insbesondere durch ein hohes Messwertrauschen bemerkbar. Aus diesem Grund werden die einzelnen Laserscanneraufnahmen aufbereitet und Störpixel sowie Regionen mit nicht optimalen Genauigkeiten (große Distanzen und schlechte Auftreffwinkel) bestmöglich beseitigt (vgl. Abb. 3).

Tabelle 1: Technische Daten des Laserscanners Leica HDS 4500 / Z+F Imager 5003

Datenrate  bis zu 500.000 Punkte/s 
Messbereich  0,5 bis 53,5 m 
Messprinzip  Phasenvergleichsverfahren 
Standardabweichung der Streckenmessung  sD=9 mm @ 25 m (25% Oberflächenrefl.) 
 sD=3 mm @ 25 m (100% Oberflächenrefl.) 
Gesichtsfeld (FOV)  360° Horizontal und 310° Vertikal 
Winkelauflösung   0,01° Horizontal und 0,018° Vertikal 
Punktdichte in der höchsten Auflösungsstufe  7,8 mm @ 25 m (Vertikal) 
 16,8 mm @ 53,5 m (Vertikal) 
  




Bild 2: Laserscanner Leica HDS 4500

Für die detaillierte Aufnahme des Schiffshebewerkes Scharnebeck wurden 100 Standpunkte benötigt. Dies entspricht bei hoher Auflösung einer Gesamtanzahl von 2 Mrd. Objektpunkten (ca. 20 Mio. pro Standpunkt). Der Punktabstand am Objekt ist aufgrund der gewählten Auflösung doppelt so groß, wie bei der höchst möglichen Auflösung (vgl. Tab. 1).



Bild 3: Laserscanneraufnahme vor (links) und nach (rechts) der Beseitigung von Störpixeln und Regionen mit nicht optimalen Genauigkeiten

Für die Registrierung der einzelnen Scannerstandpunkte werden bei hohen Genauigkeitsansprüchen Passpunkte (Abb. 5) in einem übergeordneten Koordinatensystem benötigt. Dieses Koordinatensystem kann beispielsweise das amtliche Landesnetz oder ein lokal definiertes Netz sein. Für die Aufnahme des Schiffshebewerks war ein Anschluss an das Landesnetz nicht gefordert, sodass ein lokales Netz als übergeordnetes Koordinatensystem realisiert wurde. Es ist durch zwei Verdichtungsstufen gekennzeichnet: Ein äußerer Polygonring und darauf aufbauend ein Netz von Aufnahmestandpunkten, von denen aus die einzelnen Passpunkte eingemessen wurden. Zur dreidimensionalen Koordinatenbestimmung der Polygon- und Standpunkte wurden tachymetrische Richtungs-, Zenit- und Streckenmessungen mit einem automatisierten Tachymeter (TCA 2003) der Firma Leica durchgeführt. Die Passpunkte wurden durch räumlichen Vorwärtsschnitt, d.h. durch Richtungs- und Zenitwinkelmessungen von mindestens zwei Standpunkten aus bestimmt. Die tachymetrischen Messungen fanden parallel zu den Laserscannermessungen statt. Die Messzeit für beide Verfahren betrug drei Tage. Es wurden 6 Polygon- und 23 Standpunkte benötigt, um 150 Passpunkte einzumessen. Die Passpunkte wurden so am und in der Umgebung des Bauwerks angebracht, dass eine möglichst überbestimmte Registrierung der Laserscannerstandpunkte gewährleistet werden konnte. Die Verteilung der Polygon- und Standpunkte sowie der Passpunkte am Schiffshebewerk ist in Abb. 4 dargestellt.


Die Auswertung der tachymetrischen Messungen erfolgte in zwei Schritten mit dem Hannoverschen Netzausgleichungsprogramm HANNA. Im ersten Schritt wurden die Koordinaten der Polygonpunkte sowie deren Standardabweichungen berechnet. Diese wurden in der zweiten Verdichtungsstufe als stochastische Anschlusspunkte für die Ausgleichung der Stand- und Passpunkte verwendet. Die Genauigkeit der erzielten dreidimensionalen Koordinaten kann anhand ihrer Standardabweichungen beurteilt werden. Diese liegt für den Großteil der Passpunkte unter 5 mm. In einzelnen Fällen sind sie deutlich größer, was auf ungünstige Schnittbedingungen beim räumlichen Vorwärtsschnitt zurückzuführen ist. Aufgrund der hohen Anzahl von Passpunkte konnte auf diese bei der weiteren Auswertung verzichtet werden.


Alternativ zur Bestimmung der Passpunkte über räumlichen Vorwärtsschnitt, hätten diese mit einem reflektorlos messenden Tachymeter über polares Anhängen bestimmt werden können. Ein solches Instrument stand dem Geodätischen Institut zum Zeitpunkt der Messung am Schiffshebewerk nicht zur Verfügung. Bei zukünftigen Projekten sollte jedoch auf solche Instrumente zurückgegriffen werden, um die Messzeit weiter zu reduzieren. Untersuchungen haben gezeigt, dass zudem die Anzahl der georeferenzierten Passpunkte verringert werden kann, ohne Genauigkeitseinbußen in Kauf zu nehmen. Es ist darauf zu achten, dass diese georeferenzierten Passpunkte gleichmäßig über das zu erfassende Bauwerk verteilt sind. 





Bild 4: Tachymetrische Messungen für die 3D-Bestimmung der Passpunkte am Schiffshebewerk

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