Dank SLAM-Technologie: Mobiles Laserscanning auch ohne GPS-Empfang

Der Handscanner ZEB-Horizon von GeoSLAM kann dank eines speziellen Algorithmus auch in Gebieten eingesetzt werden, in denen kein GPS-Empfang möglich ist. Laserscanning Europe und LOGXON brachten den Scanner in die Luft.

Mobile-Mapping-Systeme ermöglichen durch die Kombination von Positionierungs- und Mess- Sensorik eine sehr leistungsfähige 3D-Datenerfassung. Für Aufnahmen von Außenflächen können Motorfahrzeuge, Flugzeuge und Helikopter, aber auch unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) als mobile Trägerplattform dienen, im Innenbereich etwa Rucksäcke oder Trolleys. Eine Alternative dazu hat nun der Laserscanner-Hersteller GeoSLAM geschaffen: Mit dem ZEB-Horizon hat das britische Unternehmen einen Handscanner entwickelt, der dank geringer Größe und Gewicht komfortabel getragen werden kann und somit nicht mehr auf mobile Trägerplattformen angewiesen ist – diese aber dennoch bedienen kann und daher weiterhin als Mobile-Mapping-System gilt. Das Highlight des ZEB-Horizon ist jedoch ein anderes: Anders als herkömmliche Systeme benötigt der Scanner keinen GPS-Empfang für die eigene Positionierung. Damit ist der Laserscanner auch in den Anwendungsbereichen verwendbar, die bislang nur unzureichend beliefert werden konnten.

Ihre Qualitäten stellten ZEB-Horizon und Freefly Alta 8 bereits beim Jungfernflug auf dem Laserscanning Europe-Gelände in Wernau bei Stuttgart unter Beweis. Fotos: LOGXON GmbH & Co. KG

Doch wie funktioniert das Ganze? Herzstück des ZEB-Horizon ist eine leistungsstarke SLAM (Simultaneous Localization and Mapping)-Technologie. Diese ermöglicht dem System, die fortlaufende Position und Orientierung des Scanners gleichzeitig mit der Umgebungskartenerstellung zu kombinieren. Zwar gibt es solche SLAM-Lösungen schon länger am Markt, der Algorithmus von Geo- SLAM zeigt sich jedoch stabiler und leistungsfähiger als andere, wie Eric Bergholz, Geschäftsführer der Laserscanning Europe GmbH, erklärt: „Der ZEB-Horizon verrechnet Messdaten eines inertialen Systems (IMU) mit den kontinuierlich aufgenommenen Scandaten. Im Gegensatz zu anderen Anbietern oder genutzten Verfahren muss der Algorithmus nicht zwanghaft auf weitere Sensoren, wie etwa Kameras, zurückgreifen.” Das Resultat daraus ist eine Unabhängigkeit vom GPS-Empfang. Der Laserscanner kann somit auch in abgelegenen Gebieten – beispielsweise unter Tage oder im Wald – eingesetzt werden. Mit einer Reichweite von bis zu 100 Metern und der Aufnahme von 300.000 Punkten pro Sekunde liefert der ZEB-Horizon darüber hinaus präzise Daten. Auch kann das System mit der ZEB-Cam kombiniert werden, um schon während des Scannens Videos aufnehmen zu können. Diese können dann etwa für die Einfärbung der Punktwolke oder für zusätzliche Dokumentationsaufgaben verwendet werden.

Erster Testflug

Das SLAM-Problem
Als SLAM-Problem (Simultaneous Localization and Mapping; Simultane Positionsbestimmung und Kartenerstellung) wird ein Problem in der Robotik bezeichnet. Dabei muss ein Roboter gleichzeitig eine Karte seiner Umgebung erstellen und seine Position innerhalb dieser bestimmen. Da ein Roboter normalerweise nur einen Teil der Umgebung sehen kann, wird die Karte inkrementell aufgebaut: Zunächst ist keine Karte vorhanden und die Position des Roboters definiert den Ursprung seines Koordinatensystems. Damit ist die absolute Position des Roboters bekannt und die erste Messung der Umgebung kann direkt in die Karte eingetragen werden. Danach bewegt sich der Roboter und misst erneut seine Umgebung. Wenn er sich nicht zu weit bewegt hat, wird er einen Teil der schon bekannten Umgebung wiederum zum ersten Mal vermessen. Aus der Überlappung der neuen Messung mit der bisherigen Karte kann die Bewegung des Roboters berechnet werden, sodass wieder die absolute Position bekannt ist. (jr)

Den nächsten Schritt hin zu einem noch mobileren Mapping-System ist GeoSLAM gemeinsam mit der Laserscanning Europe GmbH und LOGXON gegangen: Im Dezember 2018 stieg der ZEB-Horizon in Mitteleuropa erstmals in die Lüfte auf. Dafür wurde der Scanner an ein UAV des Typs Freefly Alta 8 von LOGXON montiert. Der Octocopter eignet sich gleich wegen mehrerer Faktoren für den Laserscanner- Einsatz, wie Eric Bergholz erklärt: „Der Freefly Alta 8 wurde mit einem speziellen, von LOGXON entwickelten, Vibrationsdämpfer ausgestattet, der ‚verwackelte‘ Scans ausschließt. Zudem zeichnet sich das UAV durch eine lange Flugzeit, hohe Geschwindigkeit und Wendigkeit aus.” Für den Einsatz entwickelten die Projektpartner außerdem einen speziellen Adapter, der eine schnelle und sichere Montage des ZEB-Horzion am Octocopter ermöglicht.

Bei dem Jungfernflug wurden Aufnahmen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 13 Metern pro Sekunde getestet – ein für die drohnenbasierte Vermessung beachtlich hohes Tempo, wie Thomas Hechler von der LOGXON GmbH & Co. KG erklärt. Der ZEB-Horizon überzeugte den Business Development & Project Manager von LOGXON trotzdem: „Selbst mit einem High-End-Kopter können Sie nicht so schnell fliegen, wie Sie mit dem ZEB-Horizon scannen können. Nicht der Laser ist aktuell der begrenzende Faktor, sondern die Akkuleistung des UAV.” Zudem zeigte sich Hechler von der einfachen Bedienung sowie der dichten Punktwolke beeindruckt.

Das System beinhaltet neben der Hardware – also dem ZEB-Horizon und dem UAV – auch die GeoSLAM Hub & Draw Software-Lösungen. Diese erzeugen präzise Punktwolken direkt aus den aufgenommenen Daten. Zusätzlich können verschiedene Scans in den Lösungen registriert und lokalisiert werden. Auch ermöglichen Hub & Draw den Export der Scans in viele gängige Datenformate – wodurch auch unterschiedlichste CAD- und GIS-Systeme beliefert werden können.

Großer Anwenderkreis

„Mit dem ZEB-Horizon wird das Scannen zum Kinderspiel”, lautet das Fazit von Eric Bergholz. Das System ist für viele Nutzergruppen einsetzbar, ohne dass spezielle Vorkenntnisse erforderlich sind. Kombiniert mit der Flexibilität, die die SLAM-Technologie verspricht, wird der ZEB-Horizon somit zu einem Mobile-Mapping-System für einen großen Anwenderkreis. Laserscanning Europe nahm im Rahmen der Unternehmenskooperation neben einer beratenden auch eine vertriebliche Aufgabe wahr.

„Laserscanning Europe hatte als Vertriebspartner von GeoSLAM den ersten ZEB-Horizon in Deutschland im Angebot. Für den Testflug haben wir diesen zur Verfügung gestellt”, sagt Eric Bergholz. Zudem hat das Unternehmen die Referenzierung der Scan-Daten mithilfe der GeoSLAM-Software vorgenommen. Als Vertriebspartner bietet das Systemhaus für Laserscanning den ZEB-Horizon zum Kauf sowie zur Miete an – und in Kooperation mit LOGXON auch für UAV-Dienstleistungen. ( jr)

Roadshow

Im Rahmen von drei Live-Demos präsentiert Laserscanning Europe gemeinsam mit LOGXON wie der Scanner funktioniert. Im Fokus stehen dann sowohl der „normale” Scanvorgang und das drohnenbasierte Scannen als auch die Datenauswertung und Weiterverarbeitung in GeoSLAMs Hub & Draw Software. Interessierte können sich die Präsentation am 18. Februar 2019 im Hotel Maitre in Wernau, auf dem Firmengelände von Laserscanning Europe in Magdeburg (19. Februar) sowie am 26. Februar im Mercure Hotel Düsseldorf Süd anschauen. Weitere Informationen dazu finden Sie unter www.laserscanning-europe.com. (jr)

www.geoslam.com
www.laserscanning-europe.com
www.logxon.com