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Fachhochschule Mainz • Fachbereich Techniki3mainz - Institut für Raumbezogene Informations- und MesstechnikProf. Dr.-Ing. Fredie KernLucy-Hillebrandstraße 2 • 55128 [email protected] • www.geoinform.fh-mainz.de
Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung
Prof. Dr.-Ing. Fredie Kern
4. Hamburger Anwendungsforum Terrestrisches Laserscanning
23. Juni 2011 • HafenCity Universität Hamburg
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 2
1. Preis
2. Umweltverträglichkeit & Unwirtschaftlichkeit
[Verkaufsprospekt Der Polo, www.volkswagen.de 21.06.2011]
Kenngrößen Auto
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 3
[Datenblatt Faro Focus 3D, www.faro.com, 2010]
Kenngrößen Terrestrischer Laserscanner
5. Preis
3. Reichweite
4. Messgeschwindigkeit
2. Materialabhängigkeiten (Objektreflektivität, …)
1. Genauigkeit & Zuverlässigkeit
Beispiel Faro Focus 3D
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 4
Was ist eine gute TLS-Messqualität?
Natürliche Oberflächen können formtreu erfasst werden.
Länge, Breite und Höhe eines Objektes werden maßtreu bestimmt
Objekte werden winkeltreu und maßstäblich wiedergegeben
Detailstrukturen größer als die doppelte Abtastfrequenz können abgebildet werden.
Grundsätzlich sollte die Messqualität möglichst unabhängig sein von:
• Messentfernung
• räumlichen Anordnung des TLS zum Objekt (Standpunktwahl)
• Umgebungsbedingungen (Tag oder Nacht, heiß oder kalt)
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Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 6
Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 7
Vorschlag für eine TLS-Prüfrichtlinie mit Kenngrößen
Offenes Forum Terrestrisches Laserscanning
www.laserscanning.org
Welche Anforderungen sollte eine TLS-Prüfrichtlinie erfüllen?
kenngrößenorientiertpraxisbezogeneinfach, schnell und kostengünstigVergleichbarkeit zw. versch. Prüflingen herstellenrobust
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 8
1. Antastabweichung(Mittlere absolute Abweichung der n = m . k Abstände für kKugeln mit je m Antastpunkten) ∑
=
=n
iirn
R1
1
Antast-Messunsicherheit(Mittelwert d. Std.abw. der geschätzten Radien von k Kugeln)
∑=
=k
iiRadiusR s
ku
1
2,
1
2. Abstandsabweichung ΔL• Bestimmung der Zielmarken-Mittelpunkte eines 3D-Prüfkörperfelds
• 6-Parameter-Transformation der Mittelpunkte auf die Sollpositionen (fester Maßstab!)
• Helmertscher Punktfehler der Std.abw. d. gemessen Koordinatenwerte = ΔL222zyx sssL ++=Δ
3. Kugelradienabweichung RK
(Mittelwert der Differenzen vi zwischen
geschätzten und Soll-Radius von k Kugeln) ∑=
=k
iiK v
kR
1
1
4. Auflösungsvermögen AVBÖHLER-Stern z.B.:
istt signifikandieser dem bei Rückwandundzw.Vorder Abstandkleinster :
2
min
min
−
⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Δ
+=
r
rrAV γ
mmrmmr 180,1,5 maxmin ==°≥γ
3D-Prüfkörperfeld
Vorschlag für eine TLS-Prüfrichtlinie mit Kenngrößen
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 9
Zusammenfassung der Kenngrößen
Antastabweichung Beschreibung des lokalen Abweichungsverhaltens der flächenhaften TLS-Messung
Beschreibung des üblicherweise zu erwartenden Messrauschens an einer Objektoberfläche, unabhängig vom Auftreffwinkel
Kugelradienabweichung spiegelt etwaige systematische Formabweichungen im Lokalen wieder
als Mittelwert der Differenzen zwischen geschätztem und Sollradius von Kugeln
AbstandabweichungAbschätzung der Maßtreue des TLS im Messvolumen
Überprüfung der Fähigkeit zur Rückführbarkeit auf ein Längennormal
Auflösungsvermögen beschreibt die Fähigkeit des TLS inwieweit eine dreidimensionale Oberflächenstruktur durch die abgetastete Punktmenge diskretisiert werden kann.
Vorschlag für eine TLS-Prüfrichtlinie mit Kenngrößen
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 10
Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 11
Labor für Instrumentenkunde (Erdgeschoss, Fenster n. Süden)Prüffeld:
L 21,5m
B 7,0m
H 4,6m
Kennwertorientierte TLS-Prüfung am i3mainz
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 12
Prüffeld:20 Positionen mit Zielmarken unterschiedlichen Typs (Unsicherheit: 0,3 mm)
Messvolumen: 21 m x 7 m x 4,6 m (größere Messentfernung bis 50m möglich)Antastabweichung und Kugelradienabweichung mittels verschiedener KugelnAuflösungsvermögen mittels BÖHLER-Stern
Messung & Auswertung:4 Standpunkte (davon 2 Messpfeiler) Datenkonvertierung in ein gängiges Austauschformat (z.B. PTG)Bestimmung Zielmarkenzentren mit Software des HerstellersBerechnungen der Kenngrößen mit Eigenentwicklung i3mainzSceneZeitbudget für richtlinienkonforme Prüfung:
1 Arbeitstag (einschließlich der Ausgabe eines Zertifikates) Zielvorstellung!!!
Kenngrößenorientierte TLS-Prüfung am i3mainz
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 13
Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 14
Kenngröße Antastabweichung - Kugel
Prüffeld i3mainz5 – 11 Positionen
Faro-Kugeln
r=73,06mm
Prüffeld HCU19 Positionen
Eigenproduktion
r=99,5mm
AuswertungAutom. Selektion
zufällige Auswahl von1500 / 3000Messpunkte
robuste Ausgleichung Problem: noch keine Kalibrierungsdaten für Prüfkörper vorhanden
⇒ Kenngröße Kugelradienabweichung nicht bestimmbar
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 15
Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 16
Ansatz zur Bestimmung des Auflösungsvermögens
Foto: Punktwolke:
BÖHLER-Stern:
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 17
Fertigung:
Laserschneidegerät (Eurolaser M-800)
Vorlage: CAD-Modell
Material: Photokarton (Rückwand), Siebdruckpappe (Vorderfront)
Prüfkörper Böhler-Stern
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 18
Fertigungskontrolle mittels Streifenprojektion (GOM Atos III, 150er Messfeld):
Ebene der Schablone: +/- 0,1 mm
Kegel: +/- 0,1 mm
Abweichung Winkel zw. Schablone (Ebene) und Kegel: <0,1°
maximale Abweichung der Spalttiefe: 0,3 mm
Prüfkörper Böhler-Stern
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 19
Prüfkörper Böhler-Stern Kegel als RückwandKegelspitze im Zentrum der KreissektorenDimension: 40 cm x 20 cm x 1,6 cmÖffnungswinkel eines Spalts bzw. Steges: 5°Gleich viele Spalten wie StegeSpalttiefe entspricht SpaltbreitephotogrammetrischeMarken zur AusrichtungSegmentierung der Messspunkte in „Vorder-“ und „Hintergrund“ jeKreisring (konstanter Stichprobenumfang)bstern.exe
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 20
Übersicht geprüfter TLS
Impulsscanner:Leica HDS 3000Leica ScanStation C10Riegl VZ-400 - nur Auflösungsvermögen
Phasenscanner:Leica HDS 6000Faro Photon 80Z+F Imager 5010Faro Focus 3D
Die geprüften TLS sind als Individuen zu verstehen!
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 21
Impulsscanner Phasenscanner
Beispiel der Darstellung der gemessenen Abstände zw. Vorderfront und Kegel
Messentfernung: 3, 8, 12, 20 m
Diskussion der Ergebnisse des AV
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 22
Diskussion der Ergebnisse des AV
Verifizierung der Ergebnisse Vergleich der TLS-Punktwolken mit der Atos-Referenz (ICP-Referenzierung)
Messentfernung: 3 mähnliche Charakteristiken innerhalb der Geräteklassen
Impulsscanner Phasenscanner
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 23
Vergleiche
Leica HDS 6000 Z+F Imager 5010
Leica HDS 7000
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 24
Vergleiche
Faro Photon 80 Faro Focus 3D
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 25
Vergleiche
Leica HDS 3000 Leica ScanStation C10
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 26
Vergleiche
BÖHLER-Stern Version 2.4 γ=5°
Z+F Imager 5010
Leica ScanStation C10
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 27
Impulsscanner:
entfernungsunabhängige Ergebnisse
HDS 3000:
keine signifikanten Streckenabhängigkeiten
keine systematischen Ablagen zur Sollgeometrie
ScanStation C10:
Spaltentiefe wird systematisch zu kurz gemessen
geringe Offsets zur Solltiefe (Größenordnung <=2 mm)
Phasenscanner:
deutliche Entfernungsabhängigkeit
deutliche Offsets zur Solltiefe (Größenordnung <=4 mm)
Abstand zw. Vorder- und Rückseite wird nicht korrekt bestimmt
Diskussion der Ergebnisse des Auflösungsvermögens
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 28
Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
![Page 29: Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung · 26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 8 1. Antastabweichung (Mittlere absolute Abweichung der n= m.kAbstände](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022013010/5f0601937e708231d415d25d/html5/thumbnails/29.jpg)
26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 29
Kenngröße EbenenantastabweichungErmittlung der Ebenenantastabweichung (Anlehnung an Prüfrichtlinie)
Berechnung mittels Punkten im Randbereich des Böhler-Sterns Mittlere absolute Abweichung zu einer ausgleichenden Ebene
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 30
Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 31
Faro Photon 80 (i3mainz) Leica HDS 6000 (i3mainz)
Abweichung aufgrund Auftreffwinkel
HafenCity Universität Hamburg
Abstand Δ
α
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 32
Abweichung aufgrund Auftreffwinkel
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 33
Kennwertorientierte TLS-Prüfung im HCU-Prüffeld
Im Rahmen des HCU- Workshop 14. bis 17. Juni 2011
wurde folgende i3mainz-eigene TLS geprüft:
• Faro Photon 80 (i3mainz)
• Leica HDS 6000
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 34
Gliederung
PrüfrichtliniePrüffeld am i3mainzKenngröße Antastabweichung – Kugel
Standpunktweise AuswertungStandpunktübergreifende Auswertung nachReferenzierung über Passmarken (B&W, Weißer Kreis, Kugel)
Kenngröße AuflösungsvermögenPrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Kenngröße Antastabweichung - EbenePrüfkörper BÖHLER-Sternverschiedene Messentfernungen
Einfluss Auftreffwinkelschwenkbares Ziel (Platte)
Zusammenfassung & Fazit
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 35
Prüfergebnisse im Überblick
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 36
Zusammenfassung Prüfverfahren ist leicht und schnell durchzuführenAuswertung ist mit Standardsoftware möglichKenngrößen Abstandsabweichung, Antastabweichung und Ebenenantastabweichung
charakterisieren die versch. TLS recht gutund sind robust bestimmbar (versch. Prüffelder liefern ähnliche Ergebnisse)
Prüfergebnisse zum Auflösungsvermögen zeigen: grundsätzliche Eignung des Prüfkörpers für ImpulsscannerEinschänkungen für Phasenscanner unerwartete Offsets
eventuell Redesign des Prüfkörpers (größere Spalttiefen?)Prüfergebnisse zur Ebenenantastabweichung liefern:
gute Vergleichbarkeit der untersuchten GeräteklassenAufnahme in die Prüfrichtline
Einfluss des Auftreffwinkels zeigt systematische Abweichungen
Bedarf der Verifikation bei realen PunktwolkenAufnahme in die Prüfrichtline?
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Entwicklung der Performance
immer besseres Messrauschenimmer schnellere Scanratenimmer größere Reichweite
aberimmer größere Spotgröße/Strahldivergenz
gestern
heute
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Schluss
Z+F Imager 5010 Leica ScanStation C10
Welches TLS liefert die bessere Messqualität?
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26. Juni 2011 (c) F. Kern - Praktische Erfahrungen bei der TLS-Prüfung 39
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.