Universität zu Köln

Feasibility studies of terrestrial laser scanning in Coastal Geomorphology, Agronomy, and Geoarchaeology

Hoffmeister, Dirk (2014) Feasibility studies of terrestrial laser scanning in Coastal Geomorphology, Agronomy, and Geoarchaeology. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Terrestrial laser scanning (TLS) is a newer, active method of remote sensing for the automatic detection of 3D coordinate points. This method has been developed particularly during the last 20 years, in addition to airborne and mobile laser scanning methods. All these methods use laser light and additional angle measurements for the detection of distances and directions. Thus, several thousands to hundreds of thousands of polar coordinates per second can be measured directly by an automatic deflection of laser beams. For TLS measurements, the coordinates and orientation of the origin of the laser beam can be determined to register different scan positions in a common coordinate system. These measurements are usually conducted by Global Navigation Satellite Systems or total station surveying, but also identical points can be used and data driven methods are possible. Typically, accuracies and point densities of a few centimetres to a few millimetres are achieved depending on the method. The derived 3D point clouds contain millions of points, which can be evaluated in post-processing stages by symbolic or data-driven methods. Besides the creation of digital surface and terrain models, laser scanning is used in many areas for the determination of 3D objects, distances, dimensions, and volumes. In addition, changes can be determined by multi-temporal surveys. The terrestrial laser scanner Riegl LMS Z-420i was used in this work in combination with the Differential Global Positioning System system Topcon Hiper Pro, based on Real Time Kinematic (RTK-DGPS). In addition to the direct position determination of the laser scanner, the position of a self-developed reflector on a ranging pole was measured by the RTK-DGPS system to accurately derive the orientation of each measured point cloud. Moreover, the scanner is equipped with an additional, mounted camera Nikon D200 to capture oriented pictures. These pictures allow colouring the point cloud in true colours and thus allow a better orientation. Furthermore, the pictures can be used for the extraction of detailed 3D information and for texturing the 3D objects. In one of the post-processing steps, the direct georeferencing by RTK-DGPS data was refined using the Multi Station Adjustment, which employs the Iterative Closest Point algorithm. According to the specific objectives, the point clouds were then filtered, clipped, and processed to establish 3D objects for further usage. In this dissertation, the feasibility of the method has been analysed by investigating the applicability of the system, the accuracy, and the post-processing methods by means of case studies from the research areas of coastal geomorphology, agronomy, and geoarchaeology. In general, the measurement system has been proven to be robust and suitable for field surveys in all cases. The surveys themselves, including the selected georeferencing approach, were conducted quickly and reliably. With the refinement of the Multi Station Adjustment a relative accuracy of about 1 cm has been achieved. The absolute accuracy is about 1.5 m, limited by the RTK-DGPS system, which can be enhanced through advanced techniques. Specific post-processing steps have been conducted to solve the specific goals of each research area. The method was applied for coastal geomorphological research in western Greece. This part of the study deals with 3D reconstructed volumes and corresponding masses of boulders, which have been dislocated by high energy events. The boulder masses and other parameters, such as the height and distance to the current sea level, have been used in wave transport equations for the calculation of minimum wave heights and velocities of storm and tsunami scenarios and were compared to each other. A significant increase in accuracy of 30% on average compared with the conventional method of simply measuring the axes was detected. For comparison, annual measurements at seven locations in western Greece were performed over three years (2009-2011) and changes in the sediment budget were successfully detected. The base points of the RTK-DGPS system were marked and used every year. Difficulties arose in areas with high surface roughness and slight changes in the annual position of the laser scanner led to an uneven point density and generated non-existing changes. For this reason, all results were additionally checked by pictures of the mounted camera and a direct point cloud comparison. Similarly, agricultural plants were surveyed by a multi-temporal approach on a field over two years using the stated method. Plant heights and their variability within a field were successfully determined using Crop Surface Models, which represent the top canopy. The spatial variability of plant development was compared with topographic parameters as well as soil properties and significant correlations were found. Furthermore, the method was carried out with four different types of sugar-beet at a higher resolution, which was achieved by increasing the height of the measurement position. The differences between the crop varieties and their growth behaviour under drought stress were represented by the derived plant heights and a relation to biomass and the Leaf Area Index was successfully established. With regard to geoarchaeological investigations in Jordan, Spain, and Egypt, the method was used in order to document respective sites and specific issues, such as proportions and volumes derived from the generated 3D models were solved. However, a full coverage of complexly structured sites, like caves or early settlements is partially prevented by the oversized scanner, slow measurement rates, and the necessary minimum measurement distance. The 3D data can be combined with other data for further research by the common georeference. The selected method has been found suitable to create accurate 3D point clouds and corresponding 3D models that can be used in accordance with the respective research problem. The feasibility of the TLS method for various issues of the case studies was proven, but limitations of the used system have also been detected and are described in the respective chapters. Further methods or other, newer TLS systems may be better suited for specific cases.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    Terrestrisches Laser Scanning (TLS) ist eine neuere, aktive Methode der Fernerkundung zur automatischen Erfassung von 3D Koordinatenpunkten. Diese Methode hat sich in den letzten 20 Jahren zusätzlich zu flugzeuggestütztem und mobilem Laserscanning entwickelt. Alle Verfahren nutzen Laufzeiten von Laserlicht und zusätzliche Winkelmessungen zur Detektion von Distanzen und Richtungen. Es werden direkt mehre tausend bis hunderttausende Polarkoordinaten pro Sekunde erfasst. Bei dem TLS Verfahren können die Koordinaten des Ursprungs des Laserstrahls bestimmt werden um verschiedene Scanpositionen in ein gemeinsames Koordinatensystem zu registrieren. Dazu werden Messungen von Globalen Navigations Satelliten Systemen oder tachymetrische Vermessungen durchgeführt, ebenso können aber auch gleiche Punkte oder Daten gestützte Verfahren genutzt werden. Üblicherweise werden je nach Verfahren Genauigkeiten und Punktdichten von wenigen Zentimetern bis zu einigen Millimetern erreicht. Daraus ergeben sich Punktwolken mit mehreren Millionen einzelner Punkte, die in der Nachverarbeitung über datengetriebene oder symbolische Verfahren ausgewertet werden können. Neben der Erstellung von Digitalen Oberflächen- und Geländemodellen, dient Laserscanning in vielen Bereichen zur Bestimmung von Oberflächen, Distanzen, Ausmaßen und Volumen. Darüber hinaus können durch multi-temporale Aufnahmen auch Veränderungen erfasst werden. Der terrestrische Laserscanner, LMS Z-420i von Riegl wurde in dieser Arbeit in Kombination mit dem Differentiellen Globalen Positionierungs System Topcon Hiper Pro angewendet, welches das Verfahren Echtzeitkinematik (engl. Real Time Kinematic, RTK-DGPS) nutzt. Es wurde neben der direkten Positionsbestimmung des Laserscanners, zusätzlich die Position eines weiteren, selbst entwickelten Reflektors auf einem Fluchtstab mittels des RTK-DGPS Systems zur Orientierung der jeweiligen Punktwolke gemessen. Darüber hinaus ist der Scanner mit einer zusätzlich montierten Kamera Nikon D200, zur Erfassung von orientierten Fotos ausgestattet. Diese ermöglichen eine Einfärbung der Punktwolken in Echtfarben und erlauben damit eine bessere Orientierung. Weiterhin können die Fotos zur detaillierten Erstellung von 3D Informationen und zur Texturierung von 3D Objekten genutzt werden. In der Nachbearbeitung wurde die direkte Georeferenzierung durch die RTK-DGPS Daten mittels des Multi-Station-Adjustments, das den Iterative Closest Point-Algorithmus nutzt, verbessert. Entsprechend des jeweiligen Zieles, wurden die Punktwolken dann gefiltert und ausgeschnitten und in der Regel zur weiteren Verwendung in speziellen Programmen zu 3D Objekten verarbeitet. In dieser Dissertation wurde die generelle Anwendbarkeit von TLS, dessen Genauigkeit, sowie entsprechende Auswerteverfahren anhand von Fallstudien aus den Bereichen der Küstengeomorphologie, der Agronomie und der Geoarchäologie untersucht. Generell hat sich das gewählte Messsystem in allen Fällen als robust und geeignet für Feldaufnahmen erwiesen. Die Aufnahme selbst, inklusive des gewählten Georeferenzierungsverfahrens, ist schnell und verlässlich durchführbar. Mit der entsprechenden Verbesserung der Registrierung ist eine relative Genauigkeit von ca. 1 cm erreicht worden. Die absolute Genauigkeit ist über das RTK-DGPS System auf ca. 1,5 m limitiert, welche sich über erweiterte Verfahren noch verbessern lässt. Die Methode wurde für küstengeomorphologische Forschungen in Westgriechenland angewendet. Die Studie befasst sich einerseits mit rekonstruierten 3D Volumen- und entsprechenden Massenbestimmungen von dislozierten Blöcken, die durch starke Ereignisse verlagert wurden. Deren Massen und weitere Parameter, wie zum Beispiel die Höhe und Entfernung zum aktuellen Meeresstand, wurden in Wellentransportgleichungen zur Berechnung von Mindestwellenhöhen und -geschwindigkeiten für Sturm- und Tsunamiszenarien genutzt und miteinander verglichen. Es konnte eine deutliche Genauigkeitssteigerung von durchschnittlich 30% gegenüber dem herkömmlichen Verfahren der Achsenmessung festgestellt werden. Andererseits wurden zum Vergleich an sieben Standorten in Westgriechenland jährlich Messungen über drei Jahre durchgeführt und Veränderungen der Sedimentbilanz detektiert. Dabei wurden örtlich vermarkte Basispunkte für das RTK-DGPS System genutzt. Schwierigkeiten entstanden in Bereichen mit starker Zerklüftung und durch jährliche, leichte Veränderungen der Position des Laserscanners, die zu einer ungleichen Punktwolkendichte führten und nicht vorhandene Veränderungen erzeugten. Aus diesem Grund wurden alle Resultate mittels Fotos der montierten Kamera und einem direkten Punktwolkenvergleich überprüft. In gleicher Weise wurden Agrarpflanzen auf einem Feld multitemporal über zwei Jahre mit der genannten Methodik erfasst und Pflanzenhöhen und deren Variabilität innerhalb eines Feldes mit Hilfe von Crop Surface Models erfolgreich bestimmt, welche die Pflanzenoberflächen repräsentieren. Deren Variabilität wurde mit topographischen Parametern sowie Bodenwerten verglichen und es konnten signifikante Zusammenhänge gefunden werden. Weiterhin wurde die Methode mit vier verschiedenen Zuckerrübensorten in einer höheren Auflösung, die durch eine erhöhte Messposition erreicht wurde, durchgeführt. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Sorten und ihr Verhalten bei Trockenstreß können durch die Erfassung der Pflanzenhöhe dargestellt werden. Ein Zusammenhang zwischen den Pflanzenhöhen, Biomasse und dem Blattflächenindex wurde erfolgreich hergestellt. Im Rahmen von geoarchäologischen Untersuchungen in Jordanien, Spanien und Ägypten wurde die Methode weiterhin genutzt um die jeweiligen Standorte zu dokumentieren und spezifische Fragestellungen durch beispielsweise Größenverhältnisse und Volumina aus den erstellten 3D-Modellen zu beantworten. Als Nachteil der Methode erwies sich, dass der Scanner teilweise zu groß, zu langsam und der nötige Mindestmessabstand zu groß ist um in der anvisierten Zeit stark strukturierte Standorte, wie z.B. Höhlen oder frühe Siedlungen vollständig zu erfassen. Die 3D Daten können durch die Georeferenzierung mit anderen Daten für weitere Untersuchungen und Berechnungen kombiniert werden. Das gewählte Verfahren hat sich als geeignet erwiesen um genaue 3D Koordinaten Punktwolken und entsprechenden 3D Modelle zu erstellen. Diese konnten für die jeweilige Fragestellung entsprechend genutzt werden. Die Arbeit stellt damit die Anwendbarkeit der Methode für verschiedenste Fragestellungen in den einzelnen Themenbereichen heraus, zeigt aber auch die Grenzen des hier genutzten Systems auf. Andere Verfahren oder andere, neuere TLS Systeme sind für spezifische Fragestellungen eventuell besser geeignet.German
    Hoffmeister, Dirkdirk.hoffmeister@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-54972
    Subjects: Data processing Computer science
    Earth sciences
    Geography and travel
    History of ancient world
    Uncontrolled Keywords:
    terrestrial laser scanning; DGPS; RTK; remote sensing; 3D; coast; geomorphology; agronomy; geoarchaeology; GIS; boulder; storm; tsunami; crop; sugar-beet; barley; caves;English
    terrestrisches laser scanning; DGPS; RTK; Fernerkundung; 3D; Küsten; Geomorphologie; Agronomie; Geoarchäologie; GIS; Blöcke; Sturm; Tsunami; Agrarpflanzen; Zuckerrübe; Gerste; HöhlenGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Geographisches Institut
    Language: English
    Date: 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 06 December 2013
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 06 Mar 2014 14:02:04
    NameAcademic Title
    Bareth, GeorgProf. Dr.
    Brückner, HelmutProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5497

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