Strenge geometrische Modelle für die Unterwasserlasertriangulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsprojekt wurde ein Messprinzip entwickelt, welches hochgenaue optische 3D-Unterwasservermessungen ermöglicht. Das Messprinzip beruht auf dem etablierten Prinzip der Lasertriangulation, bei welchem eine Laserlinie auf das zu messende Objekt projiziert wird und diese von einer Kamera beobachtet wird. Die Laserlinie wird dabei je nach Geometrie des Objekts verformt. Durch eine automatische Detektion der verformten Laserlinie im Bild der Messkamera, kann daraus die dreidimensionale Geometrie des Objekts entlang der Linie abgeleitet werden. Dafür muss das System kalibriert werden. In der Kalibrierung wird die exakte Position und Ausrichtung von Kamera und Laser zueinander bestimmt, so dass bei einer Messung durch verschneiden der Laserebene und der Bildmessungen eine 3D Koordinate berechnet werden kann. Für den Einsatz Unterwasser müssen die Komponenten des Triangulationssensors in einem wasserdichten Glasgehäuse verbaut werden, welches dann in Wasser getaucht wird. Befinden sich Kamera und Laser im selben Gehäuse, müssen diese Schräg zur Gehäuseoberfläche angebracht werden, damit sich die Laserlichtschicht und die Blickrichtung der Kamera möglichst rechtwinklig am Objekt schneiden. Durch das schräge Auftreffen der Laserschicht auf die Trennflächen Luft – Glas – Wasser wird das Laserlicht dabei gebrochen. Die Refraktion muss mit den Methoden der Multimedia-Photogrammetrie streng geometrisch modelliert werden. Für den räumlichen Vorwärtsschnitt von Bildbeobachtung und Laser Lichtschicht muss das Snellius’sche Gesetz angewendet werden. Dabei wird sie die Lichtschicht durch einzelne Strahlen approximiert, welche jeweils an den Trennflächen gebrochen werden. Um die genaue Position und Orientierung von Kamera und Laser relativ zur Trennfläche kalibrieren zu können, wurde ein spezielles Kalibrierverfahren entwickelt. Dabei wird ein Kalibrierfeld genutzt, das aus zwei Ebenen besteht. Die obere Ebene hat einige Lücken, die das Licht auf die untere Ebene durchlässt. Dadurch lassen sich aus der Verbindung der Lücken in der Linie auf der oberen Ebene und der Linienstücke auf der unteren Ebene, einzelne Strahlen innerhalb der Laserebene modellieren. Das Messprinzip wurde mit dem Ziel entwickelt, hochgenaue Messungen von 3D-Unterwassergeometrien im Nahbereich zu ermöglichen. Mögliche Anwendungen sind Vermessungen mit einem unbemannten Wasserfahrzeug, zum Beispiel zur genauen Bestimmung der Gewässerbodentopographie als Grundlage für Hochwassersimulationen in kleinen Einzugsgebieten, zum Monitoring von Ökosystemen, zur Kartierung von Unterwasserhabitaten oder zur Überwachung von Sedimentationsprozessen. Das Verfahren kann auch zur Vermessung von Modellen in hydromechanischen Laboren eingesetzt werden. Darüber hinaus stellt die Unterwasser-Lasertriangulation auch ein interessantes optisches 3D-Messtverfahren auf autonomen Unterwasserfahrzeugen für technische Anwendungen wie das Schweißen von Pipelines oder für die Unterwasserarchäologie dar. Das entwickelte Messprinzip wurde in einem Laborversuch evaluiert. Dazu wurde ein Prototyp eines Sensorsystems aufgebaut und zur Vermessung verschiedener Objekte in einem kleinen Wassertank eingesetzt. Die Tests zeigten, dass mit dem entwickelten Verfahren Unterwassermessungen mit einer Genauigkeit von 0,4 mm in einem Bereich von bis zu 15 cm Messdistanz erreicht werden können. Dies stimmt mit den theoretischen Genauigkeitsabschätzungen überein, die ebenfalls im Rahmen des Projekts durchgeführt wurden, und qualifiziert die Technik als Werkzeug für ein breites Spektrum von 3D-Unterwassermessungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Strict geometric Calibration of an Underwater Laser Triangulation System. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences (2021), No. XLIII-B2-2021, 689–692
Sardemann, H., Mulsow, C., Maas, H-G.
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Accuracy Analysis of an Oblique Underwater Laser Lightsheet Triangulation System. PFG – Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Geoinformation Science (2022) Volume 90, Issue 1
Sardemann, H., Mulsow, C., Maas, H-G.
