Heft 84/2009

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 84/2009

GRÄFE, Gunnar

Kinematische Anwendungen von Laserscannern im Straßenraum

Dissertation
(6) 171 S.

Auflage:  200

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung


 

 

Promotionsausschuss  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Klaus Wichmann i.R.
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Caspary i.R.
2. Berichterstatter: apl.-Prof. Dr.-Ing. Hansbert Heister
3. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Wirth

Tag der Prüfung:  12. Oktober 2007

Mit der Promotion erlangter akademischer Grad:  Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)

Neubiberg, den 12. Oktober 2007
 



Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung
 
5
2.  Kinematische Vermessung: Anwendungen und Systeme 7
     2.1.    Anwendungsgebiete 7
     2.2.    Straßeninformationsbank (SIB) 8
               2.2.1  Die Anweisung Straßeninformationsbank (ASB) 8
               2.2.2  Das Netzknoten-Stationierungssystem der ASB 9
               2.2.3  Forderungen an die Datenqualität der SIB 10
               2.2.4  Bestehende Systeme zur kinematischen
                         Erfassung des Straßenraumes

10
     2.3.    Straßenzustandserfassung 13
               2.3.1  Zustandserfassung und -bewertung auf
                         Bundesfernstraßen (ZEB)

14
               2.3.2  Merkmale der Oberflächengestalt - Querebenheit 14
               2.3.3  Systeme zur Erfassung der Querebenheit 15
               2.3.4  MultisensorMesssysteme für die Zustandserfassung 16
     2.4.    Fahrerassistenzsysteme 16
               2.4.1  Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) 17
               2.4.2  Forderungen an die geometrische Genauigkeit
                         digitaler Navigationskarten

17
               2.4.3  Methoden zur Datenerhebung 17
     2.5.    Dreidimensionale Vermessung des Straßenraums
               mit Laserscannern

18
     2.6.    Analyse der bestehenden Systeme 19
     2.7.    Zielsetzung der Arbeit
 
20
3.  Das Mobile Straßen-Erfassungs-System (MoSES) 21
     3.1.    Zielsetzung 21
     3.2.    Systemkonzept 21
     3.3.    Trajektorienbestimmung 24
               3.3.1  Bestimmung von Position und Orientierung 24
               3.3.2  Inertiale Messeinheit (IMU) 25
               3.3.3  Differentielles GPS (DGPS) 26
               3.3.4  Berechnung der Trajektorie 27
     3.4.    Das Kalman-Filter 27
               3.4.1  Das Kalman-Filter zur Trajektoriebestimmung 27
               3.4.2  Adaption der Kalman-Filtertechnik
                         für wegabhängige Probleme

29
     3.5.    Trajektorienbestimmung im System MoSES 29
               3.5.1  Position and Orientation System for Land
                         Vehicles
(POS/LV)

30
               3.5.2  Trajektorieberechnung mit dem Applanix PosPac
30
     3.6.    Qualitätsmanagement bei der Trajektorienbestimmung 31
               3.6.1  Analyse der DGPS Auswertung 31
               3.6.2  Analyse der Messunsicherheit der
                         Trajektorienbestimmung

32
               3.6.3  Analyse der Stetigkeit der Trajektorie 33
               3.6.4  Analyse der Abweichungen gegenüber
                         Passpunkten

35
     3.7.    Zeitsynchronisation 36
     3.8.    Georeferenzierung 38
               3.8.1  Messdaten 38
               3.8.2  Berücksichtigung der Sensorkalibrierung 39
               3.8.3  Transformation in das Sensor-Koordinatensystem 40
               3.8.4  Transformation in das Fahrzeug-Koordinatensystem 40
               3.8.5  Transformation in das geozentrische
                         Koordinatensystem der Trajektorie

41
               3.8.6  Transformation in das Nutzer-Koordinatensystem 41
     3.9.    Bilddokumentation 42
     3.10.  Stereophotogrammetrische Objektmessung
 
44
4.  Kinematischer Einsatz von Laserscannern 47
     4.1.    Grundlagen und Funktionsprinzipien 47
               4.1.1  Messprinzip 47
               4.1.2  Systematische Messabweichungen 48
               4.1.3  Probleme der reflektorlosen Entfernungsmessung 48
               4.1.4  Anforderungen an Laserscanner für die
                         kinematische Vermessung

49
               4.1.5  Laserscanner für kinematische Anwendungen 50
     4.2.    Eigenschaften und Messaufbau der Laserscanner
               im MoSES

52
               4.2.1  Der Laserscanner LMS 200 52
               4.2.2  Messaufbau 53
               4.2.3  Datenerfassung 53
               4.2.4  Zeitsynchronisation 54
     4.3.    Georeferenzierung der Laserscanner-Messungen
 
55
5.  Kalibrierung von Laserscannern 57
     5.1.    Sensorkalibrierung des Laserscanners Sick LMS 200 57
               5.1.1  Ziele der Sensorkalibrierung 58
               5.1.2  Messverfahren zur Sensorkalibrierung 59
               5.1.3  Auswertung der Laborkalibrierung 60
               5.1.4  Beispiel für eine Laborkalibrierung 63
               5.1.5  Messunsicherheit der Winkelbestimmung 65
               5.1.6  Korrektur der Streckenmessungen 65
               5.1.7  Korrektur der Remissionsmessungen 66
     5.2.    Bestimmung der Zentrierparameter 69
               5.2.1  Messverfahren 70
               5.2.2  Auswertung der geometrischen Kalibrierung 71
               5.2.3  Transformation der Messungen 71
               5.2.4  Geradenbestimmung 73
               5.2.5  Bestimmung der Zentrierelemente 80
     5.3.    Verifikation der Laserscanner-Kalibrierung
 
85
6.  Merkmalsextraktion aus Laserscannermessungen 89
     6.1.    Geometrische Analsyse der Scanprofile 90
               6.1.1  Filtermodell 90
               6.1.2  Beispiel für die geometrische Analyse eines
                         Querprofils

94
     6.2.    Analyse der Remissionsprofile 95
     6.3.    Bildung linienhafter Objekte 96
               6.3.1  Filtermodell 98
               6.3.2  Prädiktion 99
               6.3.3  Beobachtungen 99
               6.3.4  Berücksichtigung des Schwimmwinkels 101
               6.3.5  Filterung und Ergebnisse 101
               6.3.6  Qualitätsmanagement 105
 
7.  Homogenisierung unabhängiger Befahrungen und
     Netzbildung

107
     7.1.    Differenzen zwischen Trajektorien unabhängiger
               Befahrungen

107
     7.2.    Grundprinzip und Ablauf 109
               7.2.1  Verfahren zur Homogenisierung 109
               7.2.2  Ablauf der Homogenisierung 109
     7.3.    Bestimmung der Rechenachse 110
               7.3.1  Das Kalman-Filter zur Bestimmung der
                         Rechenachse

110
               7.3.2  Beispiel 112
     7.4.    Zuordnung der Beobachtungen zur Rechenachse 113
               7.4.1  Abbildung auf die Rechenachse 114
               7.4.2  Bildung der Beobachtungen 115
     7.5.    Bestimmung der Näherungslösung 115
     7.6.    Homogenisierung der Befahrungsergebnisse 116
               7.6.1  Das Kalman-Filter zur Bestimmung der
                         Trajektoriendifferenzen

116
               7.6.2  Beobachtungsgleichungen 119
               7.6.3  Feststellung der Identität der Beobachtungen 122
               7.6.4  Filterung 122
               7.6.5  Ergebnisse 122
     7.7.    Korrektur der Trajektorien 126
     7.8.    Netzbildung
 
128
8.  Digitale Modelle von Fahrbahnoberflächen 131
     8.1.    Transformation auf ein lokales Koordinatensystem 131
     8.2.    Verknüpfung von Straßenachse und Laserscannerdaten 132
               8.2.1  Die Bestandsachse 132
               8.2.2  Bestimmung der Trassierungsparameter
                         aus kinematischen Messdaten

134
               8.2.3  Nutzung von Bestandsachsen für Fahrbahn-
                         Oberflächenmodelle

135
     8.3.    Bildung eines digitalen Oberflächenmodells der Fahrbahn 136
               8.3.1  Mathematisches Modell 136
               8.3.2  Organisation der Beobachtungen 138
               8.3.3  Ermittlung der ausgleichenden Flächen 139
               8.3.4  Genauigkeit der Ergebnisse 140
     8.4.    Anwendungen 141
     8.5.    Straßenzustandserfassung 142
               8.5.1  Ebenheit 143
               8.5.2  Analyse der Querebenheit 143
               8.5.3  Spurrinnentiefe 145
               8.5.4  Fiktive Wassertiefe 146
               8.5.5  Bewertung der Ebenheitsanalyse
 
146
9.  Fazit und Ausblick
 
149
Literaturverzeichnis
 
152
A.  Formeln zur Kalman-Filterung 161
     A.1  Vorwärts-Kalman-Filter 161
     A.2  Suche nach groben Beobachtungsfehlern 163
     A.3  Rückwärts-Kalman-Filter 165
     A.4  Glättung
 
165
B.  Formeln zur Ausgleichungsrechnung 166
     B.1  Ausgleichung nach vermittelnden Beobachtungen 166
     B.2  Ausgleichung nach bedingten Beobachtungen mit
            Unbekannten

167
     B.3  Detektion von groben Fehlern
 
168

 
Zusammenfassung

Kapitel 1   Die kinematische Erfassung des Straßenraumes mit Laserscannern stellt eine neuartige Methode zur mobilen Vermessung von Verkehrswegen dar. Das Mobile Straßen-Erfassungs-System (MoSES) ermöglicht vielfältige Datenauswertungen durch den kombinierten Einsatz von Kameras und Laserscannern. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden neuartige Entwicklungen zur Nutzung von Laserscanner-Messdaten.

Kapitel 2   Kinematische Methoden eignen sich vor allem für die Erfassung von Bestandsdaten für Straßendatenbanken der öffentlichen Verwaltung (SIB), für die Straßenzustandserfassung oder zur Gewinnung von Grundlagen für Fahrerassistenzsysteme. Die jeweiligen Anwendungen und deren Anforderungen werden in Kapitel 2 vorgestellt. Der Bedarf für den Einsatz kinematischer Messtechnik nimmt in allen Anwendungsbereichen zu. Bisher vorhandene Messsysteme beschränken sich entweder auf spezielle Einsatzgebiete oder sind in ihren Möglichkeiten und Messgenauigkeiten limitiert. Die Technologie im MoSES dagegen erschließt eine Reihe von neuen Anwendungen für die kinematische Vermessung, insbesondere für Auswertungen auf der Basis von Laserscanner-Messdaten. Der Einsatz von Laserscannern in der Bewegung stellt dabei besondere Anforderungen an die Datenerfassung und die Auswertung. Das Ziel der Entwicklungen ist die Nutzung der kinematischen Vermessung für Aufgaben, die bisher der statischen Vermessung vorbehalten gewesen sind.

Kapitel 3   Die Grundlagen für den Einsatz des Systems werden in Kapitel 3 beschrieben. Zentrale Voraussetzung für präzise Messergebnisse ist die exakte Bestimmung der Trajektorie, also der Bewegungskurve des Fahrzeuges im Raum. Diese wird mit Hilfe eines Multisensor-Systems ermittelt, das im Kern aus einer dreidimensionalen, inertialen Messeinheit besteht und durch differentielles GPS und einen Wegsensor gestützt wird. Die Algorithmen zur Filterung und Glättung der Trajektorie sind weit entwickelt, müssen aber auch hohen Anforderungen genügen. Vorgestellt werden Methoden zur Qualitätsprüfung der Resultate. Damit die Trajektorie als äußere Orientierung für Scannerauswertungen genutzt werden kann, müssen sowohl die Stetigkeit der Zeitreihe als auch der störungsfreie Verlauf der geometrischen Raumkurve gewährleistet sein. Grundlegende Voraussetzungen für die Digitalisierung des Straßenkorridors sind außerdem die exakte zeitliche Synchronisation der Messungen zur Trajektorie des Trägerfahrzeuges sowie die präzise Transformation der Scannerdaten vom Sensorkoordinatensystem in das lokale Zielkoordinatensystem.

Kapitel 4   In Kapitel 4 dieser Arbeit wird auf die Laserscannertechnologie und den Messaufbau der Scanner im MoSES eingegangen. Beim Einsatz von Scanner-Messverfahren sind die Eigenschaften der berührungslosen Entfernungsmessung zu beachten, insbesondere das Auftreten systematischer Messfehler unter bestimmten Messbedingungen.

Kapitel 5   Die Kalibrierung von Laserscannern für die mobile Vermessung mit dem System MoSES ist der Schwerpunkt des Kapitels 5. Bei der Transformation der Sensordaten in das übergeordnete Zielkoordinatensystem dürfen keine signikanten Genauigkeitsverluste auftreten. Dazu ist eine Kalibrierung hoher Güte erforderlich. Der erste Schritt zur Auswertung der Scannerdaten besteht in der Entwicklung einer Sensorkalibrierung, die systematische Fehler im Messbereich eliminiert. Der nächste Schritt ist die Entwicklung eines Kalibrierverfahrens zur Ermittlung der Parameter für die Überführung der Scannermessungen vom Sensorkoordinatensystem in das Bezugssystem des Messfahrzeuges. Die Messwerte im Fahrzeugkoordinatensystem werden mit Hilfe der Trajektorie epochenweise in das übergeordnete Koordinatensystem transformiert und stehen damit für weitergehende Auswertungen zur Verfügung. Als Abschluss der Entwicklung wird die Qualität der Ergebnisse geprüft. Die resultierende Messunsicherheit der Streckenmessungen liegt unter 4 mm. Dies entspricht der Wiederholgenauigkeit für die verwendeten Scanner. Die Kalibrierung der Sensoren und die Bestimmung der Zentrierparameter erfüllen damit die Anforderungen. Auf dieser Grundlage ergeben sich verschiedene neuartige Möglichkeiten für die Nutzung der Laserscanner-Messdaten.

Kapitel 6   Das Kapitel 6 dient der Vorbereitung der weiterführenden Auswertung. Vorgestellt werden Methoden zur automatischen Interpretation der Laserscanner-Messpunkte. Praktische Messprojekte erfordern ein umfassendes Qualitätsmanagement. Im aufgenommenen Straßenkorridor kommen zum Beispiel auch Messungen zu Hindernissen vor, wie z.B. Bordsteinkanten, Fahrzeugen oder Fußgängern. Diese werden mit Hilfe eines spezialisierten Kalman-Filters zur Scanprofilanalyse automatisch extrahiert. Anhand der Rückstrahlintensität des Laserscanner-Messsignals besteht außerdem die Möglichkeit, die Fahrbahnmarkierungen aus den Messdaten herauszufiltern. Ein speziell angepasstes, robustes Kalman-Filter dient zur automatischen Verfolgung der gefundenen Messpunkte und bildet daraus linienhafte Objekte. Fahrbahnränder und Markierungen lassen sich auf diese Weise anhand der Scannerdaten als Objekte bestimmen.

Kapitel 7   Aus den Anforderungen der verschiedenen Anwendungsgebiete für kinematisch erfasste Daten folgt, dass der Straßenraum homogen abgebildet werden muss. In Kapitel 7 wird eine Lösung für diese Problematik vorgestellt. Bei der kinematischen Aufnahme von Verkehrskorridoren sind in der Regel mehrere Befahrungen notwendig. Aufgrund der Messunsicherheit der Trajektorienbestimmung können die Messergebnisse der einzelnen Fahrten untereinander nicht einfach verknüpft werden. Mit Hilfe der erzeugten Fahrbahnmarkierungen aus Scannerdaten und ergänzend photogrammetrisch gemessenen Verknüpfungspunkten lassen sich Befahrungen entlang eines Straßenabschnittes homogenisieren. Das Ergebnis garantiert hohe relative Genauigkeit im Aufnahmekorridor. Die Homogenisierung unabhängiger Befahrungen ermöglicht nicht nur die Erfüllung der qualitativen Anforderungen von Straßendatenbanken oder Fahrerassistenzsystemen sondern ist auch Voraussetzung für den Einsatz kinematischer Aufnahmeverfahren in unmittelbarer Konkurrenz zur statischen Vermessung.

Kapitel 8   Ein vollständig neues Anwendungsfeld für kinematisch erfasste Laserscannerdaten ist die Berechnung digitaler Oberflächenmodelle, die in Kapitel 8 erläutert wird. Als Leitlinie für die Modellbildung dient die Bestandsachse der Fahrbahn. Diese kann mit hoher Präzision aus den Ergebnissen der vorangegangenen Auswertungen gewonnen werden. Profile senkrecht zur Fahrbahnachse bilden ein achsbegleitendes Raster, das in dieser Weise für die Straßenplanung verwendet werden kann. Oberflächenmodelle dienen als Grundlage für die Sanierung von Fahrbahndecken oder als Basis für detaillierte Analysen des Straßenzustandes. Mit Hilfe von Qualitätsprüfungen wird der Nachweis geführt, dass die Oberflächenmodelle aus kinematisch erfassten Scannerdaten sich mit einer Messunsicherheit unter 4 mm erzeugen lassen. Dies gilt auch dann, wenn Daten aus mehreren Befahrungen in die Berechnungen eingehen. Damit erfüllen das System MoSES und das zugehörige Auswertungsverfahren auch die höchsten Anforderungen an die Datenqualität. Als Einsatzgebiet für die Ergebnisse bietet sich zum Beispiel die punktgenaue Analyse des Straßenzustandes an. Zustandsgrößen der Ebenheit, wie z.B. die Spurrinnentiefe oder die fiktive Wassertiefe, können mit einer Genauigkeit von 1 mm oder besser abgeleitet werden.

Kapitel 9   Die kinematische Erfassung von Fahrbahnoberflächen mit Laserscannern erfüllt die Genauigkeitsforderungen aller Anwendungsgebiete und kann auch für Aufgaben eingesetzt werden, die bisher der statischen Vermessung vorbehalten waren. In der Zukunft wird sich daraus für Anwendungen von Laserscannern im Straßenraum ein breites Betätigungsfeld ergeben.

Die Grundlagen für diese Arbeit wurden während der Forschungstätigkeit in der Arbeitsgruppe integrierte kinematische Vermessung (ikV) gelegt. Unter der Leitung von Prof. Wilhelm Caspary und Prof. Hans Heister erfolgte am Institut für Geodäsie der Universität der Bundeswehr München zunächst der Aufbau des Vermessungssystems KiSS. Die gewonnenen Erfahrungen fanden Eingang in Konzeption, Aufbau und Zielsetzung für das System MoSES. Diese Arbeit hat von vielen fruchtbaren Diskussionen und Anregungen protieren dürfen, für die beiden beteiligten Professoren mein besonderer Dank gilt. Die Themen dieser Arbeit umfassen ein breites Feld von Fachgebieten des Vermessungs- und Bauingenieurwesens. Mein spezieller Dank für manchen wertvollen Hinweis und für die jahrelange Motivation und Begleitung der Arbeit gilt Prof. Klaus Wichmann und Dr. Cornelia Pester.
 


 
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