Heft 4/2003

Kurzfassung
Flugzeuggestützte Laserscanner wurden bisher hauptsächlich für die Erfassung der Topographie eingesetzt, doch auch in anderen Bereichen wie der Forstwirtschaft und Stadtplanung hat diese Technik ein großes Potential. Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Laserscanner und dem breiter werdenden Anwendungsfeld wird es immer wichtiger, sowohl die geometrischen als auch die physikalischen Aspekte des Messprozesses genau zu verstehen. Da es im deutschsprachigem Raum bisher kaum Literatur gibt, die sich dem Thema von der physikalischen Seite nähert, werden in diesem Aufsatz das physikalische Messprinzip und die wichtigsten theoretischen Grundlagen (Radargleichung, Streuquerschnitt, Impulsform) des Laserscannings diskutiert. Die in diesem Artikel vorstellten Konzepte sind unter Beachtung unterschiedlicher Systemparameter auch auf terrestrische Laserscanner anwendbar.

Abstract
Airborne laser scanners have so far predomitly been used for measuring the Earth’s topography. But this technology has also a huge potential in other application fields such as forestry or urban planning. With the increasing technical capacity of laser scanners and the broadening field of applications, it becomes more and more important not only to consider the geometric but also the physical aspects of the measurement process. Since there is hardly any German literature available that approaches the subject from a physical point of view, this paper discusses the physical measurement process and the most important theoretical concepts (radar equation, scattering coefficient, waveform) of airborne laser scanning. Under consideration of different sensor characteristics these concepts are also valid for terrestrial laser scanners.

Kurzfassung
Dieser Artikel befasst sich mit Abweichungen zwischen überlappenden Laserscanner-Streifen. Diese Diskrepanzen können zum Großteil durch simultane Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate beseitigt werden. Hierfür wird die folgende Ausgleichungsstrategie vorgeschlagen: Korrigieren der mittels dGPS und einer IMU aufgenommenen äußeren Orientierungselemente sowie der inneren Orientierungselemente hinsichtlich des Scanner-dGPS-IMU-Systems. Neben der automatisierten Bestimmung (Messung) von Verknüpfungsflächen (anstatt von Verknüpfungspunkten) wird auf die räumliche Verteilung der Passflächen (anstatt von Passpunkten) eingegangen.

Abstract
This paper deals about discrepancies between overlapping laser scanner strips. These gaps can be eliminated to a great portion doing a simultaneous adjustment by least squares. An adjustment strategy is proposed for doing that: correcting exterior orientation elements recorded by dGPS and an IMU, as well as interior orientation elements concerning the Scanner-dGPS-IMU system. Automated determination (measurement) of tie features (instead of tie points) is described. The distribution of control features (instead of control points) is discussed.

Kurzfassung
In diesem Artikel wird eine Übersicht über die Methoden zur automatischen Klassifizierung einer Punktwolke aus flugzeuggetragenen Laserscanneraufnahmen gegeben und ein Vergleich dieser Methoden angestellt. Aus den als Bodenpunkten klassifizierten Daten kann ein Geländemodell hoher Qualität berechnet werden. Besonders wird auf die mathematische Morphologie, auf die Dreiecksnetz- bzw. TIN-Verdichtung und auf die robuste Interpolation eingegangen. In einem zweiten Abschnitt wird die Erstellung von weiteren topographischen Modellen an Beispielen behandelt (Oberflächen- und Baumhöhenmodellen und Modelle im Stadtgebiet).

Abstract
This article gives an overview on the methods for automatic classification of point clouds captured with airborne laser scanning and presents a comparison of these methods. Digital terrain models of high quality can be computed from the classified ground points. Especially the methods of mathematical morphology, the triangular irregular network (TIN-) densification, and the robust filtering will be studied. In the second part, examples for the derivation of other topographic models (i.e. surface models, tree height models, and models in city areas) are presented.

Kurzfassung
In den vergangenen Jahren etablierte sich das Laserscanning als effiziente Methode zur Erfassung der Topographie eines Gebietes. Im Gegensatz zur analytischen Luftbildauswertung bietet Laserscanning keine Möglichkeit zur direkten Erfassung und anschließenden Modellierung von Geländekanten. Der Grad der geomorphologischen Strukturierung des erfassten Modells kann daher nur durch die Punktdichte beeinflusst werden. Im folgenden Artikel wird eine Methode zur Ableitung von Geländekanten aus Laserscanner-Daten beschrieben. Diese können in die weitere Modellierung des Geländes integriert werden. Die angewandte Methode basiert auf Regensimulationsalgorithmen. An Hand von Bespielen werden zwei unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten dieser Methode beschrieben. Im ersten Beispiel werden Strukturkanten zur großräumigen Verbesserung des gesamten Interessensgebietes lage- und höhenmäßig abgeleitet. Im zweiten Beispiel werden durch die Erfassungsmethode bedingte, kleinräumige, geomorphologische Fehlstrukturen eines Geländemodells eliminiert.

Abstract
In the last years, laser scanning has established as an efficient method for the determination of the topography of an area. In contrary to the analytical analysis of aerial images, laser scanning does not enable the direct determination of structure lines. Therefore the level of detail can only be influenced through the point density. In the following, a method for derivation of structure lines from laser scanner data is described. These lines can be used to improve the terrain model. The method used is based on rain simulation algorithms. Finally two different applications of this method are described with examples. The first example demonstrates the derivation of structure lines for large area improvement of the terrain model. The second example shows the elimination of erroneous small geomorphological structures from an elevation model.

Kurzfassung
Die Ableitung von Stadtmodellen gewinnt derzeit stark an Bedeutung. Es ist daher naheliegend, dass man Verfahren entwickelt, die eine wirtschaftliche Auswertung ermöglichen. Rein photogrammetrische Methoden erwiesen sich als zu wenig automatisierbar. Durch die Laser-Scanner-Technologie kann man aber jetzt einen hohen Automationsgrad erreichen, wobei auch hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit möglich sind. Vorgestellt werden im wesentlichen zwei Verfahren, die einerseits auf der Kombination von Grundriss und Laser-Scanner-Daten, andererseits auf der Kombination von Laser-Scanner-Daten und photogrammetrischen Aufnahmen fußen. Beide beschriebenen Verfahren wurden in Wien entwickelt, eines im Rahmen des Kompetenzzentrum "Advanced Computer Vision", das andere am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU Wien. Abschließend werden einige wichtige Punkte aus Sicht der Praxis aufgezeigt.

Abstract
The generation of city models is gaining increasing importance. Therefore, a series of approaches have been developed or are currently under development, which take into consideration economic aspects. Pure photogrammetric approaches need much interaction, but Laser Scanning now offers a higher degree of automation without forgetting reliability and accuracy issues. Two approaches are presented, one based on the combination of ground plans and Laser scans, the other based on the combination of Laser scans and photogrammetric images. Both described methods have been developed in Vienna - the first within the Competence Centre "Advanced Computer Vision", the second at the Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna University of Technology. Eventually, important issues regarding practical applications are discussed.

Kurzfassung
Digitale Geländemodelle wurden lange Zeit ausschließlich aus manuellen photogrammetrischen Auswertungen oder terrestrischen Messungen abgeleitet. Im letzten Jahrzehnt änderte sich die Situation durch das Aufkommen des Laserscannings und durch digitale Methoden in der Photogrammetrie. Der Vorteil dieser beiden neuen Methoden liegt in einem deutlich höheren Automatisierungsgrad im Rahmen der Datenaufnahme. Zudem liefern beide Methoden eine sehr große Anzahl von Oberflächenpunkten, wodurch eine detaillierte Beschreibung der Geländeoberfläche ermöglicht wird. Zur Geländemodellerstellung ist es allerdings im Gegensatz zu den manuellen Datenerfassungsmethoden notwendig, eine Klassifizierung der Punkte in Boden- und Nicht-Bodenpunkte durchzuführen. Dieser Beitrag ist dem Vergleich digitaler Geländemodelle aus der manuellen sowie digitalen Photogrammetrie und dem flugzeuggetragenen Laserscanning gewidmet. Neben einer Analyse der unterschiedlichen Daten, zum Beispiel mit Punkdichtekarten, werden die aus diesen Daten abgeleiteten Geländemodelle untersucht. Die Datenbasis für diese Untersuchung bietet ein Projektgebiet im Pulkautal, in dem sowohl ein photogrammetrischer Bildflug als auch eine Laserscannerbefliegung zur Verfügung stehen. In einem abschließenden Kapitel werden die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Aufnahmemethoden zusammengefasst.

Abstract
Digital terrain models have been derived from manual photogrammetric or terrestrial measurements for a long time. In the last decade this situation has changed because of the appearance of other capable methods. On one hand airborne laserscanning was introduced as a suitable method for point determination, whereas on the other hand digital methods were developed in photogrammetry. The big advantage of these two methods is the high level of automation. Additionally, they provide a great number of points whereby a detailed description of the terrain is possible. A classification of the automated generated point cloud into terrain points and off terrain points is essential for the determination of terrain models. This is contrary to the manual methods of data capturing. This paper focuses on the comparison of digital terrain models derived from manual and digital photogrammetry as well as from airborne laserscanning. Beneath the analysis of the different data sets, for example with the help of point density maps, the terrain models derived from these different data are investigated. The basis data of this examination is given by photogrametric and airborne laser scanner missions within the project area Pulkautal. Finally the advantages and disadvantages of the different data capture methods are summarised.

Kurzfassung
Eine hybride Multistationsausgleichung („Freie Stationierung") für die Verarbeitung von 2D- (photographischen) und 3D-(Laserscanning-)Daten in einer integrierten Umgebung wird präsentiert. Der verwendete zusammengesetzte Sensor besteht aus einem Langstreckenhochleistungslaserscanner der Fa. RIEGL, dessen Distanzmessung auf dem Laufzeitverfahren basiert und einer handelsüblichen hochauflösenden CCD-Kamera. Sowohl Datenerfassung als auch Ausgleichung werden mit Hilfe eines geeigneten Softwarepakets durchgeführt. Fragen der Kalibrierung und Vorteile einer solchen kombinierten Methode werden behandelt.

Abstract
A hybrid multi-station adjustment for processing 2D (photographic) and 3D (laser scanning) data in an integrated environment is presented. The composite sensor being used is made up of a long-range high-performance RIEGL laser scanner, based on "time-of-flight" ranging , and a commercial high-resolution CCD camera. The data acquisition and adjustment is performed by means of a dedicated software package. Questions of sensor calibration and advantages of such a combined approach are addressed.

Kurzfassung
Sowohl die (Nahbereichs-)Photogrammetrie als auch das terrestrische Laserscanning dienen zur Aufnahme von Objekten im Nahbereich, wobei jede der beiden Technologien ihre Stärken und Schwächen aufweist. Deshalb liegt es nahe, Photogrammetrie und Laserscanning kombiniert einzusetzen, um die Stärken beider Aufnahmemethoden nützen zu können. Ein Pilotprojekt war die hybride Aufnahme der Marc-Anton-Plastik (Secession, Wien). Der erste Schwerpunkt dieses Artikels umfasst die gemeinsame Orientierung von terrestrischen Laserscanner-Aufnahmen (Riegl LMS-Z360) und digitalen Photos (Kodak DCS 460c) über signalisierte Verknüpfungspunkte mittels einer simultanen, hybriden Ausgleichung. Den zweiten Schwerpunkt bildet die geometrische 3D-Modellierung (Triangulierung, NURBS-Flächen) der Objektoberfläche basierend auf den Laserscanner-Daten. Den Abschluss bildet ein Ausblick auf das Potential von Photos hinsichtlich Verfeinerung der Modellierung und Erstellung eines 3D-Photomodells.

Abstract
(Close-range) photogrammetry and terrestrial laser scanning are well-suited methods for the surveying of close-range objects, whereas each of these methods has its individual advantages and drawbacks. So, it seems reasonable to combine photogrammetry and laser scanning in order to use the strengths of both methods. One pilot scheme was the hybrid acquisition of the "Marc-Anton"-Sculpture (city of Vienna). The first main focus of this article contains the simultaneous orientation of terrestrial laser scanner data (Riegl LMS-Z360) and digital photographs (Kodak DCS 460c) using signalised tie points, determined by simultaneous hybrid adjustment. The second main focus is the geometric 3-D modelling (triangulation, NURBS) of the objects surface based on the laser scanner data. Finally, there is an outlook regarding the potential of photographs in the context of improving the modelling and creation of a 3-D photo model.

Kurzfassung
Die Orientierung von Laserscanner-Punktwolken ist einer der ersten Schritte bei der 3D-Digitalisierung realer Objekte. Unter Orientierung versteht man die Aufgabe, zwei oder mehrere Teilaufnahmen ein und desselben Objektes aus unterschiedlichen Positionen so zusammenzuführen, dass das gesamte aufgenommene Objekt dargestellt wird. Anstatt "Orientierung" werden in Fachgebieten außerhalb der Photogrammetrie und Fernerkundung auch oft die Begriffe "Registrierung" bzw. "Matching" verwendet. Dieser Artikel ist die schriftliche Ausarbeitung eines Vortrags, welcher vom ersten Autor im Rahmen des Universitätslehrgangs "Laserscanning" des Instituts für Photogrammetrie und Fernerkundung der Technischen Universität Wien am 24. September 2003 gehalten wurde. Es werden die grundlegenden Orientierungsverfahren von Laserscanner-Punktwolken besprochen.

Abstract
The orientation of laser scanner point clouds is one of the fundamental steps in the process of creating three-dimensional digital representations of existing objects. Orientation is the task of finding the correct positions of two or more point clouds (that only partially represent the object) obtained from different viewing positions, such that the full object in consideration is correctly described. In communities outside of Photogrammetry and Remote Sensing, instead of orientation the terms registration or matching are used to describe the same task. This article is an exposition of a talk given by the first author at the continuing education Laserscanning of the Institute of Photogrammetry and Remote Sensing of the Vienna University of Technology on September 24th, 2003. The article gives an overview of fundamental orientation methods for laser scanner point clouds.