Messunsicherheit: Bestimmung generalisierter Varianz-Kovarianz-Matrizen von terrestrischen Laserscans unter Berücksichtigung aller relevanten Messabweichungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Holst
• Fachliche Zuordnung: Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490989047

Die Kenntnis über die Messunsicherheit eines Instruments ist bei Deformationsanalysen von entscheidender Bedeutung. Die entsprechenden stochastischen Informationen werden benötigt, um die Frage zu beantworten, ob eine geometrische Änderung signifikant ist. Ein realistisches stochastisches Modell, das in der Regel durch eine Varianz-Kovarianz-Matrix (VCM) definiert ist, vermeidet daher die Fehlinterpretation von Messabweichungen im Allgemeinen und von Korrelationen im Besonderen als Deformationen des Objekts. Aktuell fehlen jedoch korrekte stochastische Informationen über die Messunsicherheit eines terrestrischen Laserscanners (TLS). Daher können Unterschiede zwischen Punktwolken zwar erkannt werden, aber die strenge Prüfung auf Signifikanz ist derzeit nur in speziellen Fällen realistisch. Mit dem Projekt verfolgen wir drei Hauptziele. Erstens wollen wir realistische und damit vollständig besetzte VCM erstellen, die alle relevanten Messabweichungsquellen von TLS enthalten. Diese Abweichungsquellen umfassen den Einfluss von Objekteigenschaften, Geometrie, Atmosphäre und Unzulänglichkeiten der Laserscannerkalibrierung, die alle von den Einstellungen des Laserscanners (Rotationsfrequenz, Punktdichte) abhängen. Zweitens müssen die VCM generalisierbar sein, was bedeutet, dass sie auf Vorwärtsmodellen beruhen, die die Abhängigkeiten zwischen den Abweichungsquellen und der daraus resultierenden Unsicherheit parametrisieren. Drittens muss die Ableitung der VCM an verschiedene räumliche Maßstäbe angepasst werden können, d. h. an die räumliche Dichte und die räumliche Ausdehnung der TLS-Punktwolke. Wir entwickeln Methoden, um relevante Abweichungsquellen und die entsprechenden Unsicherheiten empirisch zu quantifizieren und mathematisch zu parametrisieren. Im Sinne der genannten Ziele werden wir die Komplexität der VCM schrittweise erhöhen, indem wir die Abweichungsquellen unterteilen in solche, die nur auf einzelne Beobachtungen wirken (Varianzen), solche, die für benachbarte Punkte in lokaler Nähe relevant sind (kurzskalige Korrelationen) und solche, die für Punkte relevant sind, die einen großen räumlichen Abstand haben, also außerhalb dieser lokalen Nachbarschaft liegen (langskalige Korrelationen). Kurzskalige Effekte werden hauptsächlich durch geometrie- und objektbezogene Phänomene - proportional zu überlappenden Laserpunkten - und die hochfrequente Abtastung des Laserscanners bestimmt. Langskalige Effekte sind auf Unzulänglichkeiten bei der Kalibrierung des Laserscanners und auf atmosphärische Effekte zurückzuführen, da die entsprechenden Abweichungen auf der kurzen Skala kaum variieren. Alle Methoden werden anhand verschiedener gescannter Strukturen entwickelt und evaluiert, die unterschiedliche Komplexitätsstufen berücksichtigen: kleine Referenzobjekte, eine große Wand aus Sichtbeton und ein Staudamm aus Bruchsteinen. Schließlich können die abgeleiteten VCM zur Durchführung strenger geodätischer Deformationsanalysen verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5455: Deformationsanalyse mit Messungen terrestrischer Laserscanner (TLS-Defo)
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Volker Schwieger
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Hans-Berndt Neuner