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Doctor's Theses (authored and supervised):

C. Briese:
"Breakline Modelling from Airborne Laser Scanner Data";
Supervisor, Reviewer: K. Kraus, H. Maas; Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, 2004.



English abstract:
Airborne laser scanning (ALS) allows a very detailed sampling of the landscape within a more or less automated recording procedure. For the representation of the models computed on the basis of the acquired irregular distributed point cloud mostly raster resp. grid models or triangulated irregular networks (TINs) are in use, which only implicitly store breakline information. However, for a high quality surface description the explicit storage of breaklines within the data structure of these models is necessary. Therefore, a 3D vector representation of the breaklines is essential.

This thesis introduces a basic modelling concept, which allows the formulation of 3D breaklines not only from ALS data but also from any kind of point cloud data. In order to fulfil the needs for the modelling of breaklines on the basis of unclassified ALS data the basic concept is step-by-step extended. The resulting modelling framework is based on a pairwise intersection of robustly estimated local surface elements along the breaklines. It allows a modelling with the help of original unclassified ALS point clouds even in wooded areas. For this modelling procedure a 2D approximation of the breaklines is required. For the practical application of this method a higher automatisation is needed. Therefore, a further part of the work concentrates on methods, which allow to reduce the effort for the determination of these initial values. For this aim the semi-automatic concept of breakline growing is presented and further fully automatic methods for the breakline extraction are shortly presented.

Practical examples demonstrate the results of the introduced methods. Next to the modelling of breaklines the process of data reduction of the final resulting hybrid surface models is considered and practically shown with the help of an example. In order to stress the general validity of the basic breakline modelling concept further examples using image matching data from the Mars surface and terrestrial laser scanner data are presented. Additionally to the topographic applications, a small example demonstrates the capability of the method for building edge extraction. Furthermore, the current status of research in the area of sensor design, surface modelling, and breakline modelling is outlined. A further part of the work provides a detailed look at the ALS data acquisition process by an analysis of the capabilities of the range determination techniques. Additionally, the sampling resolution of current ALS systems is analysed under the consideration of the laser footprint. A final section summarises the methods and provides an outlook into future research work.

German abstract:
Das flugzeuggetragene Laserscanning (Airborne Laser Scanning, ALS) ermöglicht eine äußerst dichte großflächige Abtastung der Landschaftsoberfläche aufgrund des hohen Automatisierungsgrades. Auf Basis der aufgenommenen Punktwolke werden in der Folge Rastermodelle, Gittermodelle oder Triangulationen erstellt, die Bruchkanteninformation nur implizit beinhalten. Zur Ableitung hochqualitativer Oberflächenmodelle ist es hingegen notwendig diese Bruchkanteninformation explizit in der Modellierung zu berücksichtigen und anschließend in die Datenstruktur des resultierenden Oberflächenmodells zu integrieren. Daher ist eine explizite Modellierung der Bruchkanten auf Basis einer 3D Vektor Repräsentation notwendig.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung von Methoden zur Ableitung von Bruchkanten aus Laser-Scanner-Daten. Am Anfang dieser Überlegungen steht eine Methode, die die Beschreibung von Bruchkanten auf Basis von umgebenden Punkten unabhängig von der Datenerfassungsmethode ermöglicht. Schrittweise wird dieses Basiskonzept verfeinert, um schlussendlich die Beschreibung der Bruchkanten auf Basis von unklassifizierten zufällig verteilten ALS-Punkten durchzuführen. Die aus dieser Erweiterung resultierende Methode beschreibt Bruchkanten als Schnittlinie von robust bestimmten analytischen Flächenpaaren, die auf Basis der Punkte in der Nähe der Bruchkante bestimmt werden. Durch die automatische robuste Elimination der Nicht-Bodenpunkte im Zuge der Flächenbestimmung wird eine Modellierung der Bruchkanten in bewaldeten Gebieten ermöglicht. Dieser Algorithmus benötigt zur Bestimmung der 3D Kante eine 2D Näherung der gesamten Bruchkante. Daher werden im Folgenden Strategien bzw. Lösungen angeführt, die eine stärkere Automatisierung der Bruchkantenbestimmung ermöglichen und so die Praxistauglichkeit erheblich erhöhen. Neben dem semi-automatischen Wachsen der Kanten, werden auch einige Ansätze zur Vollautomatisierung vorgestellt.

Ein Abschnitt mit praktischen Beispielen demonstriert die Anwendbarkeit der entwickelten Methoden und geht neben der reinen Modellierung auch auf die Integration der Kanten in die Oberflächenmodellierung und auf die anschließende Datenreduktion ein. Um die vielseitigen Anwendungen der Methode zu präsentieren, folgen Beispiele aus der automatischen Bildzuordnung der Marsoberfläche (image matching) und aus dem Bereich des terrestrischen Laserscannings (TLS). Zusätzlich zu den topographischen Anwendungen wird ein kleines Beispiel der Gebäudekantenmodellierung auf Basis von TLS-Daten vorgestellt.

Neben dem Schwerpunkt der Bruchkantenmodellierung widmet sich ein Teil der Arbeit dem aktuellen Stand der Forschung im Bereich ALS, Oberflächenmodellierung und Bruchkantenmodellierung, während sich ein weiterer Abschnitt mit der ALS-Datenaufnahme genauer auseinandersetzt. Neben einer genaueren Betrachtung der Methoden zur Entfernungsbestimmung wird das Abtastverhalten der ALS-Sensoren unter der Berücksichtigung der Größe des Abtastflecks untersucht. Abschließend werden, neben einem Ausblick auf zukünftige Forschungsaktivitäten, die Methoden und Ergebnisse zusammengefasst.


Electronic version of the publication:
http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_119762.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.