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Point cloud registration and mitigation of refraction effects for geomonitoring using long-range terrestrial laser scanning

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[Quelle: https://www.research-collection.ethz.ch]

Zur Vermeidung von menschlichen und ökonomischen Verlusten wird das aktive Monitoring von Bauwerken und Gebieten, welche durch Naturgefahren bedroht sind, immer wichtiger. Deshalb ist diese Aufgabe schon seit langer Zeit ein wichtiges Feld in der Geodäsie. Klassische geodätische Methoden beruhen hauptsächlich auf Messungen diskreter Einzelpunkte und vernachlässigen somit die räumliche Ausprägung der zu überwachenden Objekte (z.B. einer Hangrutschung). Seit einigen Jahren wird diese Lücke durch flächenhafte Aufnahmemethoden geschlossen. Terrestrisches Laserscanning (TLS) ist ein Beispiel hierfür und ermöglicht die Aufnahme der Geometrie von Objekten oder Oberflächen mit einer hohen räumlichen Auflösung und hoher Genauigkeit. Der Einsatz von TLS für Monitoringaufgaben bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich. Zwei dieser Herausforderungen sind die Scanregistrierung und Massnahmen zur Verringerung von zeitlich variierenden Effekten in den Punktwolken. Wird TLS für Monitoringaufgaben eingesetzt, werden in der Regel Scans über verschiedene Epochen hinweg aufgenommen. Die erhaltenen Punktwolken bieten die Grundlage für die Untersuchung von räumlichen Veränderungen oder Deformationen. Vorgängig müssen die Scans jedoch in einen stabilen gemeinsamen Referenzrahmen transformiert werden. Dieser Vorgang wird Scanregistrierung genannt. Während für Scanaufgaben im Nahbereich oder mit unveränderten Szenen, verschiedene Lösungen existieren, sind die Standardvorgehen für die Registrierung von Scans die über längere Distanzen (bis einige Kilometer) oder sich geometrisch verändernde Szenen nicht geeignet. Dies ist jedoch das typische Szenario beim Monitoring von Naturgefahren, weshalb hier Bedarf an alternativen Lösungen besteht. Weiter werden beim Scannen über längere Distanzen auch zeitlich variierende Effekte relevant, welche die resultierende Punktwolke verfälschen. Diese Effekte werden z.B. durch die atmosphärische Refraktion verursacht und können zu scheinbaren Verschiebungen von bis zu einigen Dezimetern führen. Aufgrund der zeitlich und räumlich variierenden Dichteverteilung der Luft während des Messvorgangs sind die Auswirkungen systematisch aber nichtlinear. Um diese Herausforderungen anzugehen, werden in dieser Dissertation ein datenbasierter Registrierungsalgorithmus für Scanpaare von Szenen mit signifikanten Veränderungen zwischen den Epochen und eine Untersuchung der zeitlich variierenden Effekten vorgestellt. Kern des Registrierungsansatzes sind eine daten-basierte Klassifizierung der Szene in stabile und instabile Bereiche und eine anschliessend nur auf den stabilen Bereichen basierende Registrierung. Der vorgeschlagene Registrierungsalgorithmus wird erfolgreich für die Registrierung von Scans zweier Szenarien mit sehr unterschiedlichen Charakteristiken angewendet. Der Algorithmus funktioniert in beiden Fällen gut, unter der Voraussetzung, dass gewisse Kontrollparameter entsprechend gewählt werden. Zusätzlich zu den Testszenarien wird der Algorithmus auch erfolgreich auf die Scandaten einer experimentellen Untersuchung der zeitlich variierenden Effekte angewendet. Diese Untersuchung legt den Fokus auf die atmosphärische Refraktion und basiert auf einer numerischen Simulation und einer experimentellen Untersuchung, welche die Detektion der durch die atmosphärische Refraktion verursachten Effekte erlaubt. Die numerische Simulation zeigt, dass diese Effekte als scheinbare Verschiebungen im Dezimeterbereich interpretiert werden und aus der Kombination der Krümmung des Messstrahls und der Terrainneigung entstehen. Die Ergebnisse der Simulation werden durch die experimentelle Untersuchung gestützt. Weiter zeigen die Daten des Experiments die zeitliche Variation der atmosphärischen Effekte. Aktuell steht keine daten- oder modellbasierte Kompensation zur Verfügung. Die hier präsentierte Studie zeigt jedoch, dass die Effekte am geringsten ausfallen, wenn nur Scans verwendet werden, die zu bestimmten Zeiten am Abend aufgenommen wurden.

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Bücher, Broschüren

Ingenieurvermessung 20
Beiträge zum 19. Internationalen Ingenieurvermessungskurs München, 2020
2020, X, 502 S., 240 mm, Softcover
Wichmann

 

 

Der Lehrstuhl für Geodäsie der Technischen Universität München veranstaltete vom 03. bis zum 06. März 2020 den 19. Internationalen Ingenieurvermessungskurs. Dieser Kurs setzt die traditionsreiche Reihe fort, die auf den Optischen Streckenmesskurs von 1928 zurückgeht. Seit 1976 wurde die Tagung unter der Bezeichnung "Ingenieurvermessung" im vierjährigen Zyklus von den Technischen Universitäten München, Zürich und Graz organisiert. Um der rasanten Entwicklung neuer Instrumente und Methoden der Ingenieurvermessung Rechnung zu tragen, wird seit der Tagung in Zürich 2004 der Kurs in der Regel in verkürztem Rhythmus von drei Jahren durchgeführt. In dem Tagungsband werden die Vorträge und Poster der Ingenieurvermessung 20 veröffentlicht, die u.a. folgende Themenschwerpunkte behandeln: - Bauaufnahme und Baumesstechnik, - Ingenieurnavigation, - Monitoring, - Aktuelle Ingenieurprojekte.

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Gerold Noack
Geodäsie für Bauingenieure und Architekten
Grundlagen und Praxiswissen
2019, 264 S., zweifarbig. 243 mm, Hardcover
Hanser Fachbuchverlag

 

 

Die Grundlagen der Geodäsie. Mit zahlreichen Prüfungsfragen. Die Erhebung, Verarbeitung und Aufbereitung raumbezogener Daten als wesentliche Grundlage der "Vermessungskunde" erfährt durch die fortschreitende Digitalisierung und Modellierung weiteren Auftrieb bei der Planung, Errichtung, Betreibung und Umnutzung baulicher Anlagen. Moderne Geoinformationssysteme (GIS) oder der Prozess des Building Information Modeling (BIM) gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen der Vermessungskunde und die wichtigsten Messverfahren aus dem Blickwinkel des Bachelorstudiums, damit einfache Aufgaben vom Anwender selbstständig ausgeführt werden können. Komplexere Messverfahren und Anwendungsgebiete werden im Überblick dargestellt.

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Handbuch der Geodäsie, Geoinformatik
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2019, XIV, 249 S., 41 SW-Abb., 70 Farbabb. 23,5 cm, Hardcover
Springer

 

 

Das sechsbändige Handbuch ist ein hochwertiges Werk über die Geodäsie unserer Zeit. Neben einer guten Lesbarkeit vermittelt es dennoch den wissenschaftlichen Ansatz und richtet sich an Kollegen in Praxis und Wissenschaft, aus Nachbardisziplinen und allgemein an Studierende und Interessierte. Die in den Beiträgen behandelten Themen führen systematisch in Aufgabenstellung, Methodik und zukünftige Entwicklungen ein. Die Themen reichen von der mathematischen und physikalischen Geodäsie sowie der Satellitengeodäsie über die Ingenieurgeodäsie, die Bodenordnung und das Landmanagement, die Photogrammetrie und Fernerkundung bis zu Geoinformationssystemen und der Kartographie.

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Boris Resnik, Ralf Bill
Vermessungskunde für den Planungs-, Bau- und Umweltbereich
4., neu bearb. u. erw. Aufl.
2018, 380 S., 240 mm, Softcover
Wichmann

 

 

Das klassische Anwendungsspektrum des Vermessungswesens, das von der Erdmessung über die Landesvermessung bis zum Bau- und Liegenschaftswesen reicht, ist in den vergangenen Jahren durch das Hinzukommen neuer Messverfahren und Messprinzipien (z.B. GNSS-Positionierung, Laserscanning und digitale Photogrammetrie) sowie die vollständige Automatisierung von konventionellen Mess- und Rechenabläufen (z.B. Digitale Gelände- bzw. Landschaftsmodelle, BIM und GIS) noch vielfältiger geworden. Neue Themen in der 4. Auflage sind u.a. Lasertracker, Trägheitsnavigationssystem, Geodatenerfassung mit unbemannten Fluggeräten, Umweltinformation, BIM, Monitoring von Ingenieurbauwerken und Industrievermessung.

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Sabine Tacke, EckhartW. Peters, J.nos Stekovics
Kulturlandschaft Elbe
2010, 576 S., m. 1672 farb. Abb. 30 cm, Hardcover
Stekovics

 

 

Der Bildband porträtiert in einmaliger Fülle die Kulturlandschaft Elbe. Eine Vielzahl von Fachbeiträgen widmet sich einzelnen Aspekten, die sich zur großen Gesamtschau addieren. In faszinierender Opulenz wird das Leben an und mit der Elbe ins Bild gebracht. Historie und Gegenwart, Mythos und Perspektiven, Realitäten und Engagement: Hier wuchsen und wachsen die Visionen - im Städtebau, in Netzwerken des Naturschutzes, in der touristischen Erschließung, in der künstlerischen wie in der produzierenden Aneignung eines vom Wasser geprägten Lebensraums.

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Wiemann, Stefan
Offene Geodaten im Freistaat Sachsen (kostenlos)
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Dückelmann, Antonia; Marckhgott-Sanabria, Peter Paul; Piechl, Anna
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Modellierung menschlichen Mobilitätsverhaltens in POI-Empfehlungssystemen mithilfe von Methoden der Geoinformatik
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Auf dem Weg zum INSPIRE-Gipfel. Status Quo in Europa, Deutschland und Sachsen-Anhalt
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