Ein operationelles Kalibrierverfahren für das flugzeuggetragene Laserscannersystem ScaLARS

Abstract

Die Weiterverarbeitung von Laserdaten aus flugzeuggestützten Fernerkundungsmissionen zu Standard- oder kundenspezifischen Produkten setzt je nach Anwendungsspektrum eine möglichst hohe und konstante Datenqualität voraus. Durch direkte Georeferenzierung der Laserdaten kann für diese Endprodukte ein enorm hoher Grad an Automation und Aktualität erzielt werden. Die Qualität der georeferenzierten Laserdaten wird nicht nur durch die spezifische Leistungscharakteristik der verwendeten Einzelsensoren limitiert, sondern auch durch das widerspruchsfreie Zusammenspiel (Kalibrierung) der verschiedenen Systemkomponenten. In der Vergangenheit hat sich bei der Auswertung verschiedener Fernerkundungsprojekte gezeigt, dass das Leistungsvermögen der seitherigen Kalibrierung und Datenanalyse nach manuellen Verfahren in Verbindung mit unvollständiger Kenntnis über das Zusammenspiel der Systemparameter stark eingeschränkt ist. Auch im Hinblick auf künftige Weiterentwicklungen am Multi-Sensorsystem zur Qualitätssicherung und Qualitätssteigerung erschien die Entwicklung einer standardisierten und automatischen Prozedur zur Kalibrierung und Datenanalyse auf der Grundlage statistischer Berechnungsverfahren von größter Wichtigkeit.

In dieser Arbeit wird ein vollständiges und praxiserprobtes Verfahren zur Systemkalibrierung von flugzeuggetragenen Laserscannersystemen am Beispiel von ScaLARS vorgestellt. Die Methode basiert auf einem robusten Schätzverfahren und verwendet Referenzflächen bzw. deren Flächenschwerpunkt zur Schätzung der entsprechenden Kalibrierparameter. Hebt sich eine Referenzfläche radiometrisch deutlich von ihrem Umfeld ab, so können die Lasermessungen innerhalb der Referenzfläche mit Hilfe der gemessenen Rückstreuintensität von ihrem Umfeld unterschieden werden. Es werden hierfür exemplarisch die Markierungen einer Start- und Landebahn genutzt. Zur Ableitung einer Systemkalibrierung eignen sich sowohl örtlich eingemessene Referenzflächen als auch Referenzflächen ohne jegliche externe Information. Die Berechnung des Flächenschwerpunkts aus der Punktwolke einer Referenzfläche erfolgt auf der Grundlage einer Delaunay-Triangulation. Die Verwendung des Flächenschwerpunkts als Referenzpunkt hat den Vorteil, dass dieser sowohl aus Laserdaten als auch aus örtlichen Einmessungen identisch beschrieben werden kann. Gleichzeitig wird bei der Kalibrierung durch Verwendung abgeleiteter Beobachtungen zum Flächenschwerpunkt der Einfluss der horizontalen Diskretisierung sowie der Einfluss von Messrauschen in der Entfernungsmessung auf die Systemgenauigkeit und auf die Schätzwerte der Kalibrierparameter reduziert.

Im Vorfeld wurden zunächst umfangreiche Simulationsrechnungen zur Parameterschätzung durchgeführt, um basierend auf den zur Verfügung stehenden Ausgangsdaten über optimal formulierte Beobachtungs- und Parameterkombinationen eine bestmögliche Schätzung der Kalibrierung zu erzielen. Anhand der synthetischen Datensätze konnte unter Voraussetzung einer stabilen Messeinheit das hohe Potential des entwickelten Modells zur Kalibrierung aber auch die Leistungsfähigkeit des hier verwendeten Ablenkprinzips Palmerscan selbst nachgewiesen werden. Die spezifizierten Genauigkeiten der Schätzwerte wurden stets erreicht. In die Untersuchungen wurden ebenso genauigkeitslimitierende Faktoren wie etwa die atmosphärische Refraktion, die Deformation des Ablenksystems etc. mit einbezogen. Auf der Grundlage mehrerer Flugplatzüberflüge aus den Jahren 2002 und 2003 konnte das Modell zur Systemkalibrierung und Datenanalyse zusätzlich mit realen Datensätzen getestet werden. Es konnte für jeden zur Kalibrierung genutzten Überflug eine ausreichend hohe Individualgenauigkeit nachgewiesen werden, wobei ein Vergleich der verschiedenen Schätzwerte untereinander teilweise nicht tolerierbare Streuungen zeigte. Diese Streuungen sind ein Hinweis auf eine nicht ausreichende Stabilität im Messsystem. Es deutet vieles darauf hin, dass diese nicht ausreichende Langzeitstabilität durch das Ablenksystem verursacht wird.

Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, welch hohes Genauigkeitspotential mit dem entwickelten Modell zur Systemkalibrierung sowohl in Verbindung mit synthetischen als auch mit realen Datensätzen erzielt werden kann. Darüber hinaus konnte ebenso auf offensichtliche Fehler und Unsicherheiten im verwendeten Messsystem hingewiesen werden. Die Nutzung der entwickelten Systemkalibrierung und der Simulationssoftware für flugzeuggetragene Laserscanner erlaubt ein Vordringen in bisher nie erreichte Genauigkeitsbereiche. Es konnten dadurch Effekte nachgewiesen werden, welche vorher nur vermutet werden konnten. Dies eröffnet neue Ansätze und Lösungswege im Bereich der Hardware- und Softwareentwicklung sowie im Bereich der Qualitätssicherung bei flugzeuggetragenen Laserscannern.

Subsequent processing of laser data from airborne remote sensing missions to standard- or customized products requires a preferably high and constant data quality. By the use of direct geocoding for laser data, a high degree of automation and up-to-dateness can be obtained. To achieve photogrammetric accuracy by direct geocoding, systems like the Global Positioning System (GPS) and precise inertial measurement units (IMU) are predominantly used, whose measured data are recorded simultaneous to laser data and processed to position and orientation data. The quality of the geocoded laser data is not only limited by the specific performance of each single sensor but also by consistent combined interaction (calibration) of the different system components. In recent years the processing of different remote sensing projects had shown that the performance of the former calibration and data analysis was highly limited by using manual methods and by incomplete knowledge of the interaction of the system parameters. In particular regard to future work on the multi-sensor system, the development of a standardized and automatic procedure for calibration and data analysis seemed to be of prime importance, especially for quality assurance and quality enhancement.

The goal of this study was to develop a complete and practical tested method for calibration of airborne laser scanner systems considering ScaLARS as example. This approach based on robust estimation procedures uses reference areas and their centers of area to estimate the required calibration parameters. The laser data inside of a reference area can be separated with respect to the outer field by using the sampled intensity if the reference area differs radiometric clearly. For this, the marks of a runway are exemplarily used. For a system calibration local surveyed reference areas are appropriate as well as reference areas without any external information. From the scatter plot of the reference area the center of area is computed by a Delaunay-Triangulation. Using the center of area as point of reference provides the advantage, that this can be identically described by laser data as well as by local surveying. Simultaneously, due to the use of derived observations to center of area the influence of horizontal discretisation as well as the influence of measurement noise of the ranging unit will be reduced to system accuracy and to estimated values of the calibration parameters.

At the beginning, extensive simulations with respect to parameter estimation were carried out to ensure the best estimated calibration based on the available raw data, optimal sets of observations and parameter combinations. On the basis of synthetic data sets, the high potential of the developed calibration method and the capability of deflection principle, the so called Palmerscan, were verified under the assumption of a rugged measurement unit. The specified accuracies of the estimated values were always met. The investigations also comprise accuracy limiting factors as atmospheric refraction, deformation of the deflection system for instance. Based on multiple airport overflights of the years 2002 and 2003 the developed method for system calibration and data analysis was additionally tested using real data sets. For each single overflight, sufficient individual accuracies for the parameter sets were verified. But intolerable variations occurred while comparing the results of different overflights. These variations are a hint for an imperfect sensor stability. There is evidence that this insufficient long-term stability is caused by opto-mechanical parts of the deflection system.

The investigations of this thesis show the high potential of accuracy which can be achieved by using the developed approach for system calibration based on synthetic and real data sets. Furthermore, obvious errors and uncertainties of the used sensor system were indicated as well. The utilization of the developed system calibration and simulation tools for airborne laser scanners allows us to carry out laser scanning studies in accuracy levels never achieved previously. Thus, effects were shown which have been only supposed before. This opens new enhancements and solutions for hardware- and software developments as well as for quality assurance of airborne laser scanners.