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Okularkameras am geodätischen Tachymeter – Selbstkalibrierung und Anwendungen

Martin Schlüter

Martin Schlüter: Okularkameras am geodätischen Tachymeter – Selbstkalibrierung und Anwendungen, INTERGEO, 26.09.2017 2

Modulare Digitalkameratachymeter

Was?• Komponenten• Motivation• Selbstkalibrierung – Ablauf und Ergebnisse

Wofür:• Achsprüfstand• Vorwärteinschneiden (IMS)?• Monitoring von moderat und schnell bewegten Objekten


Modulare Digitalkameratachymeter „MoDiTa“

… verknüpfen High-End Industriekameras modular mit motorisierten geodätischen Präzisionstachymetern

… erlauben automatische, bildbasierte Zielungenmit Genauigkeiten in der Größenordnung des Tachymeters

UI-1485 an Leica TS30


Modell Sensor Abmessungen mgon/pixel Kommentar ~ ab

UI-2240 Sony 1280 x 1024 4,6µm CCD … ‘07

UI-1485 e2v 2560 x 1920 2,2µm 0,2 … 0,5 Arbeitspferd „statische Ziele“ ‘09

UI-3480 ON S. 2560 x 1920 2,2µm ähnlich UI1485 mit USB 3.0 ‘16

UI-1120 NIT 758 x 576 10,0µm 0,9 ( ... 2,3 ) High Dynamic Range ‘11

UI-3240 e2v 1280 x 1024 5,3µm 0,5 … 1,2 Global Shutter, Linescan ‘12

UI-3250 e2v 1600 x 1200 4,5µm 0,4 … 1,0 Global Shutter, Linescan ‘15

UI-3080 Sony 2456 x 2054 3,4µm 0,3 … 0,8 High-End Allrounder? ‘17

Okularkameras

� Nahezu beliebige C- oder CS-Mount Kamera (bis etwa 100g)

� Kamera am Okularadapter mit beliebiger Drehung um Zielachse montierbar: Anschieben & Fixieren per Klemmschraube


Okularkameras an Theodoliten ohne Motorfokus: Spezialanwendungen, am i3mainz für …

Geometrische Kalibrierung von Laserkommunikationseinheiten (u.a. auf Sentinel 1, 2A, 2B, … im Einsatz) via Kollimation und Autokollimation

i3mainz-Digitalkameratheodolit auf Basis desAutokollimationstheodolits Leica TM5100A

Referenzwürfel Alphasat Photos: Tesat Spacecom


… Aufbau Satellitendateninfrastruktur EDRS2006 Laborkalibrierung des Laserterminals für

TerraSAR-X, erfolgreich im Orbit2007 Laborkalibrierung des Laserterminals für

den Satelliten NFIRE, erfolgreich im Orbit2008 Calar-Alto-Observatorium, Sierra de Los

Filabres, Spanien2008 Tesat Bodenstation, Backnang, Deutschland2009 Erfolgreicher Ersteinsatz der motorisierten

Digitalkameratheodolite am Laserterminal MLT2010 ESA Optical Ground Station, Izaña, Teneriffa2012 Einrechnung des LCT für den Satelliten

Alphasat I-XL, Inmarsat, erfolgreich im Orbit2013 Mount Wilson Observatorium, Los Angeles, USA2014 TOGS / LCT-SAL, DLR Oberpfaffenhofen

Foto: ESA


Okularkameras an Tachymetern mitMotorfokus ergänzen interne Kameras!

Beispiel Leica Multistation:� Achsmotorisierung� ATR� Motorfokus� Koaxiale Kamera� Übersichtskamera

� Die digitale Okularkamera profitiert in erster Linie von den

motorisiertenAutofokusfunktionender bildgebenden Totalstation.

IDS UI-3250 an Leica MS50


Kinematisches Tracking in Near-Realtime

MoDiTa ermöglichen bereits heute Sonderanwendungen mit aktueller Kameratechnik


Mathematisches ModellRichtungsvektor zum Zielpunkt zur Zeit t

Teilkreisablesungen,Kompensatorablesungen,reflektorlose Distanzmessung

�, � via Bildzuordnung mit Bezug zum aktuellen Strichkreuz� UTC PC-Zeit oder GPS-Uhr & Trigger� Fokusstellung Schrittmotor �� Rotationen Sensor zu Messfernrohr Selbstkalib-c Kamerakonstante Messfernrohr brierungΔ�, Δ� Verzeichnungsparameter als � [Brown 1971],

[El-Hakim 1986]

[Walser 2004] , [Schlüter et al. 2008]

�

� � � = �� ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ � ∙ �� ∙ 1… ∙ � � + Δ�� + Δ�


Ablauf einer Selbstkalibrierung� Minimalkonfiguration mit 2x2 Zielungen

Bildraum

Objektraum

Strichkreuzdetektionje nach Bildszene:� mind. 1x pro Lage o.� pro Messbild


Qualität der Selbstkalibrierung, BeispieleIDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“36 Zielungen in Fernrohrlage I

Restklaffungen „Soll-Ist“ [mgon] in der Messbildgeometrie [Pixel]

Beim Ansatz „ohne Verzeichnung“verbleiben systematische Restabweichungenin Lage I …


IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“36 Zielungen in Fernrohrlage II


Beim Ansatz „ohne Verzeichnung“verbleiben systematische Restabweichungenin Lage I sehr ähnlich wie ein Lage II.

Qualität der Selbstkalibrierung, Beispiele


IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“je 36 Zielungen in beiden Fernrohrlagen


Beim Ansatz „ohne Verzeichnung“verbleiben systematische Restabweichungenin Lage I sehr ähnlich wie ein Lage II.

� Verzeichnung sollte in die Modellbildung einfließen!



� Die maximale Restklaffungvon 0,4mgon entspricht einer Lageänderung von 0,14mm am Zielpunkt in 22m Entfernung.

IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon11 Parameter: R, c, Verzeichnung A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2

je 36 Zielungen in beiden Fernrohrlagen


Beim Ansatz „mit Verzeichnung“ verbleiben hier 71 von 72 Restklaffungenunter der vom Hersteller für die MS50 angegebenen Standardabweichung von 0,3mgon nach ISO 17123-3.



IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ anstatt „R, c, Verzeichnung“je 16 Zielungen in beiden Fernrohrlagen


Der Ansatz „ohne Verzeichnung“ kann ausreichen, wenn nur der zentrale Bildinhalt ausgewertet wird.

Beispiel: Automatische Messung statischer Ziele mit einem Raster von 4 x 4 oder 2 x 2 Zielungen.



IDS UI-3080-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,4mgon11 Parameter: R, c, Verzeichnung A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2

je 16 Zielungen in beiden Fernrohrlagen


Beim Ansatz „mit Verzeichnung“ ist die Fehlersituation – wie zu erwarten –erneut geringfügig besser.



IDS UI-3250-M an Leica MS50 mit 1Pixel ~ 0,6mgon8 Parameter: „Projektive Abbildung“ je 4x4 (oder 2x2) Zielungen in beiden FernrohrlagenReferenz: GNSS-Prüffeld Weinolsheim; Pfeiler 3, 6, 7

Restklaffungen ∆α „Soll-Ist“ gegen GNSS-Referenzkoordinaten (nach UTM-Korrektur)


∆α7 = -0,1mgon

∆α6 = +0,2mgon

∆α3 = -0,4mgon

Ausschnitt Messbild

[Alexander Bär, Bachelorarbeit, 2017]


Modulare Digitalkameratachymeter

Was?• Komponenten• Motivation• Selbstkalibrierung – Ablauf und Ergebnisse

Wofür:• Achsprüfstand• Vorwärteinschneiden (IMS)?• Monitoring von moderat und schnell bewegten Objekten


Instrumentenprüfung

Automatisierter Achsprüfstand zur Bestimmung von:� Zielachsabweichung,� Kippachsabweichung,� Höhenindexabweichung

� Zentrum Template automatisch,� Anfahren in beiden Fernrohrlagen,

mehrere Sätze, automatisch,� Anzahl Kollimatoren beliebig

(„nach Frank Neitzel“),� für Fokusstellung ∞

[Martin Heppe, Bachelorarbeit 2015]


3D-Vorwärtseinschneiden

Abstand der Mittelpunkte zweier 1,5“-Kugeln:Bügelmessschraube: s = 68,098mm ±2µmIMS Leica TM5100: s = 68,105 mm ±4µmDifferenz: 7µm

TheodolitbasiertesIndustriemesssystem

[Kira Zschiesche, Masterarbeit, 2016]

Prüfkörper fürMikrotomographen


Tracking moderat bewegter Objekte

� Sternzeit: Zentrum für Astronomie ZAH, Heidelberg� Rotationsachse der Erde, (Schaltsekunden): Reference Systems Service IERS, … am BKG� Topozentrische Richtungen für Sonne, Venus, Mars, Jupiter: via JPL HORIZONS, Pasadena� Geozentrische Richtungen für ~60 Navigationssterne: via HIPPARCOS, ZAH

Astronomische Azimutbestimmung� Durchgreifende Kontrolle incl. absoluter Zeitzuordnung in UTC; Umgang mit Luftunruhe, …

Stand Sommer 2017: Restklaffungen< 0,5mgon für die Azimutbestimmung vonReferenzzielen(mit GNSS bestimmt)in großer Entfernung;für helle Sterne.


Tracking schnell bewegter ObjektePendelschlag-prüfung für absturzsichernde Verglasungen n. DIN 18008-4

[Viktoria Roth, Bachelorarbeit 2017]

Selbstkalibrierungmit 4x4 Zielungenvor einer Serie von Pendelschlag-prüfungen


Tracking schnell bewegter Objekte

UI-3250-M im VAoI Merge Mode mit t=0,38ms pro Zeile, ~100 rel. Zeilen

[Arno Heidelberg, Bachelorarbeit, 2016]


Laufende ArbeitenCMOS-Modi geodätisch präzise und benutzerfreundlich anwendbar machen:� Bsp. UI-3250-M mit u.a. den Modi:

AoI, Multi-AoI, Vertical AoI Merge, Fast Linescan� Zeitliche Lücken zwischen Zeilenblöcken?� Absolutes Triggern und zeitliches Zuordnen

Lösungsansätze:� Direktes Triggern von Zeilenmodi via GPS-Uhr,� (Mit-) Beobachten GPS-getriggerter LEDs,� Interferometrisch getrackter Schwingtisch

der TU Darmstadt, Geodätisches Institut (Andreas Eichhorn, Milo Hirsch, Florian Schill, Anna Sviridova):


Ziel: Monitoring technischer Objekte… u.a. Untersuchung des Verhaltens von WEA-Fertigteilfugen unter Last

Projekt PCC-TowerZentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)1.1.2016 – 31.08.2017 (31.11.2017)

[Carina Justus, ZIM/BMWI 2016-2017,Sandro Mertens Bachelorarbeit 2016, Benjamin Kuhn, Bachelorarbeit 2017, Thibault Colette, Ender Kurt, Christoph Schenk, Christian Schmitt; Masterprojektarbeit 2017]

okularkameras am geodätischen tachymeter - ms3d.de€¦ · 0,3mgon nach iso 17123-3. qualität der...

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