Lorenz Schmid

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Lorenz

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0000-0003-0889-7767

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03964 - Wieser, Andreas / Wieser, Andreas

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Publications1 - 10 of 14

Vibration monitoring of a bridge using 2D profile laser scanning: Lessons learned from the comparison of two spatio-temporal processing strategies
Meyer, Nicholas; Schmid, Lorenz; Wieser, Andreas; et al. (2023)
Proceedings of the 5th Joint International Symposium on Deformation Monitoring - JISDM 2022
Profile laser scanning allows sub-millimeter precise contact-free measurements with high spatial and temporal resolution. That makes it an appealing solution for structural health monitoring focusing on vibrations of engineering structures, such as the analysis of eigenmodes and eigenfrequencies of bridges. In this work, we use the profile scanning mode of a Zoller+Fröhlich Imager 5016 terrestrial laser scanner (TLS) to observe bridge dynamics, focusing on the free decay processes following trains passing the bridge and exciting the structure. We compare two vibration monitoring strategies and implement an open-source semi-automatic software that integrates both approaches. We successfully estimate a spatio-temporal vibration model (including dampening coefficient) despite the maximum vibration amplitude reaching only 0.3 mm during the free decay process. Both strategies allow the estimation of the first eigenfrequency with a precision better than 0.1 Hz. Within the paper, we highlight the advantages and tackle the identified challenges of these vibration monitoring strategies. We also report on a preliminary investigation of appropriate instrument positioning for estimating the parameters of a spatio-temporal vibration model.
Accuracy assessment and learned error mitigation of UWB ToF ranging
Schmid, Lorenz; Salido-Monzú, David; Wieser, Andreas (2019)
2019 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN)
Georeferencing of terrestrial radar images in geomonitoring using kernel correlation
Schmid, Lorenz; Medic, Tomislav; Collins, Brian D.; et al. (2023)
International Journal of Remote Sensing
Terrestrial radar interferometry (TRI) provides accurate observations of displacements in the line-of-sight (LOS) direction and is therefore used in various monitoring applications. However, relating these displacements directly to the 3d world is challenging due to the particular imaging process. To address this, the radar results are projected onto a 3d model of the monitored area, requiring georeferencing of the 3d model and radar observation. However, georeferencing relies on manual alignment and resource-intensive on-site measurements. Challenges arise from the significant disparity in spatial resolution between radar images and 3d models, the absence of identifiable common natural features and the relationship between image and spatial coordinates depending on the topography and instrument pose. Herein, we propose a method for data-driven, automatic and precise georeferencing of TRI images without the need for manual interaction or in situ installations. Our approach (i) uses the radar amplitudes from the TRI images and the angle of incidence based on the 3d point cloud to identify matching features in the datasets, (ii) estimates the best-fitting transformation parameters using Kernel Density Correlation (KDC) and (iii) requires only rough initial approximations of the radar instrument’s pose. Additionally, we present the correct relation between cross-range and azimuth for ground-based radar instruments. We demonstrate the application on a geomonitoring case using TRI data and a point cloud of a large rock cliff. The results show that the positions of the radar image can be localized in the monitored 3d space with a precision of a few metres at distances of over 1km . This is an improvement of almost one order of magnitude compared to what had been achieved using standard approaches and direct observation of the radar instrument’s pose. The proposed method thus contributes to the automation of TRI data processing and improved localization of small-scale deformation areas detected in radar images.
Target-based georeferencing of terrestrial radar images using TLS point clouds and multi-modal corner reflectors in geomonitoring applications
Schmid, Lorenz; Medic, Tomislav; Frey, Othmar; et al. (2024)
ISPRS Open Journal of Photogrammetry and Remote Sensing
Terrestrial Radar Interferometry (TRI) is widely adopted in geomonitoring applications due to its capability to precisely observe surface displacements along the line of sight, among other key characteristics. As its deployment grows, TRI is also increasingly used to monitor smaller and more dispersed geological phenomena, where the challenge is their precise localization in 3d space if the pose of the radar interferometer is not known beforehand. To tackle this challenge, we introduce a semi-automatic target-based georeferencing method for precisely aligning TRI data with 3d point clouds obtained using long-range Terrestrial Laser Scanning (TLS). To facilitate this, we developed a multi-modal corner reflector (mmCR) that serves as a common reference point recognizable by both technologies, and we accompanied it with a semi-automatic data-processing pipeline, including the algorithms for precise center estimation. Experimental validation demonstrated that the corner reflector can be localized within the TLS data with a precision of 3–5 cm and within the TRI data with 1–2 dm. The targets were deployed in a realistic geomonitoring scenario to evaluate the implemented workflow and the achievable quality of georeferencing. The post-georeferencing mapping uncertainty was found to be on a decimeter level, matching the state-of-the-art results using dedicated targets and achieving more than an order of magnitude lower uncertainty than the existing data-driven approaches. In contrast to the existing target-based approaches, our results were achieved without laborious visual data inspection and manual target detection and on significantly larger distances, surpassing 2 km. The use of the developed mmCR and its associated data-processing pipeline extends beyond precise georeferencing of TRI imagery to TLS point clouds, allowing for alternatively georeferencing using total stations, mapping quality evaluation as well as on-site testing and calibrating TRI systems within the application environment.
Precise Deformation Mapping in Geomonitoring Through Integration of TLS Point Clouds and Terrestrial Radar Images
Schmid, Lorenz (2025)
Terrestrial Laser Scanning (TLS) and Terrestrial Radar Interferometry (TRI) are widely used in geomonitoring to detect and quantify surface displacements. While TLS provides high-resolution 3D point clouds for detailed spatial analysis, its applicability is limited by visibility-reducing conditions such as fog, rain, and snow. By contrast, TRI operates at microwave frequencies, enabling observation during these adverse conditions, and delivers millimeter-scale displacement measurements at high temporal resolution, allowing constant monitoring. However, TRI typically yields low spatial resolution perpendicular to the line of sight, and the radar images are distorted 2D representations of the 3D situation; thus, it benefits from a combination with a 3D surface model for more comprehensive data interpretation. Current integration methods for these complementary technologies face challenges, such as deficiencies in manual alignment and insufficient mapping precision for low-magnitude deformations. This thesis introduces novel methodologies to enhance the precise integration of TLS and TRI datasets for improved georeferencing of TRI-derived deformation maps. A data-driven georeferencing workflow has been developed to align TRI images with TLS point clouds using natural features in the data, eliminating the need for external input such as manual correspondence matching. This approach reduces 3D mapping errors by an order of magnitude compared to conventional methods. A precision of approximately 4 m has been achieved in a field study. Alternatively, a target-based method is proposed for scenarios that require higher accuracy or lack suitable target surface conditions. For this, we used newly developed multi-modal corner reflectors (mmCRs) that are detectable in TLS intensity data and TRI amplitude images. Their use enabled us to achieve decimeter-level georeferencing precision, even at distances exceeding 2 km, and reduced the alignment uncertainty to a few centimeters. Further contributions include the development of a method that incorporates spatial correlations in the estimation process of the TLS displacement uncertainties and the subsequent investigation of the achievable sensitivity of averaged TLS-based displacement estimates. The assessment of two real-world datasets showed that the current long-range TLS-based monitoring system achieves a sensitivity of a few cm, but does not match the millimeter-scale sensitivity achievable with TRI. The integration strategies presented in this thesis enhance the interpretability of deformation maps, enabling the analysis of low-magnitude and spatially distributed displacement events. Integrating TLS and TRI improves the precise localization and identification of deformation events in geomonitoring, increases the applicability of TRI for more challenging tasks, and subsequently enhances risk management in geohazard scenarios.
Development and evaluation of a geodetic measurement system for IMU-based high-precision azimuth transfer
Schmid, Lorenz; Kracher, Nino; Salido-Monzú, David (2018)
FIG Congress 2018: Online Proceedings
Zweite Hinterrheinbrücke in Reichenau
Galmarini, Andreas; Schmid, Lorenz; Ludin, Matthias; et al. (2020)
Brückenbau
Alpines Messlabor zur Untersuchung und Validierung von lokalen Massenbewegungen
Möller, Gregor; Aichinger-Rosenberger, Matthias; Frey, Othmar; et al. (2021)
AHORN 2021 - Proceedings
Die Auswirkungen des Klimawandels sind besonders stark im Gebirge zu bemerken. Vor allem in Gebieten mit starker Hangneigung (Winkel: 15-30°) ist eine Zunahme von Steinschlägen, Felsstürzen, Murgänge oder Hangrutschungen zu erwarten. Seit einigen Jahren kommen zur flächenhaften Kartierung dieser Ereignisse sowie zur Dispositionswarnung zunehmend auch satellitengestützte Verfahren der SAR Interferometrie (InSAR) zum Einsatz. Einschränkungen in deren Anwendungsbereich ergeben sich hauptsächlich durch eine temporale Dekorrelation der SAR Aufnahmen - verursacht durch zeitliche Änderungen der Rückstreuungseigenschaften der Erdoberfläche sowie durch die spezielle Schrägsicht-Aufnahmegeometrie. Zudem wird in der interferometrischen Phase das Deformationssignal von atmosphärischen Phaseneffekten überlagert, insbesondere von räumlichen und zeitlichen Änderungen der Wasserdampfverteilung in der Troposphäre. Diese erschweren die Bestimmung der interferometrischen Phasenmehrdeutigkeiten (phase unwrapping) in starker Topographie und die Trennung des Deformationssignals im Allgemeinen. Für die Validierung der mittels InSAR bestimmten Bewegungsfelder durch unabhängige Verfahren sowie für die Weiterentwicklung von Ansätzen zur Detektion von kritischen Bodenbewegungen im alpinen Raum wurde im Sommer 2021 im Kanton Wallis/Schweiz ein alpines Messlabor eingerichtet. Das Untersuchungsgebiet im Mattertal (Breithorn/Längenschnee/Gugla) hat eine Ausdehnung von 1.5 km in Nord-Südrichtung und erstreckt sich über einen Höhenbereich von 2500 - 3200 m, mit einer durchschnittlichen Hangneigung von 30°. Oberflächenveränderungen im Gebiet werden zweimal jährlich mittels Terrestrischem Laserscanning von der gegenüberliegenden Talseite aus erfasst. Zusätzlich wurden im August 2021 die im Rahmen des XSense-Projekts errichteten GPS Stationen im Gebiet Breithorn/Längenschnee durch fünf weitere multi-GNSS-Stationen und drei Radar-Reflektoren ergänzt. Die speziell für die Anwendung im alpinen Gebiet entwickelten GNSS-Stationen besitzen nicht nur eine autonome Stromversorgung, sondern ermöglichen die Übertragung der GNSS-Beobachtungen für das Monitoring von Stationsbewegungen und des Zustands der Atmosphäre in Nahe-Echtzeit. Das Messlabor zur Untersuchung und Validierung von lokalen Massenbewegungen im alpinen Raum wird im Rahmen dieses Vortrags zum ersten Mal einer breiteren Öffentlichkeit vorgestellt. Dies umfasst die zum Einsatz kommenden Verfahren als auch eine erste Analyse der im Sommer/Herbst 2021 gewonnenen Messdaten. Systematische Effekte zwischen den Verfahren werden genauer betrachtet und Ansätze zur Beurteilung und Weiterentwicklung von Korrekturstrategien diskutiert, welche uns erlauben, die flächenhafte Quantifizierung von Massenbewegungen im alpinen Raum weiter zu verbessern.
Terrestrische Radarinterferometrie und terrestrisches Laserscanning zur Überwachung alpinen Geländes: Praxiserfahrungen und Theorie
Butt, Jemil; Gojcic, Zan; Schmid, Lorenz; et al. (2020)
Tagungsband Geomonitoring 2020
Terrestrische Radarinterferometrie (TRI) und terrestrisches Laserscanning (TLS) sind Technologien, die sich dank ihrer für Langdistanzmessungen geeigneten, quasi flächenhaften Aufnahmeverfahren insbesondere zur Erfassung grossräumiger Deformationsphänomene eignen. Im Rahmen eines von der ETH durchgeführten Projektes zur Evaluierung geodätischer Messkonzepte für die Überwachung hangrutschungs- und felssturzbezogener Geogefahren in der Südschweiz wurden im Sommer 2019 Messungen mit TRI und TLS in hochalpinem Gelände durchgeführt. Aufbau und autonomer Betrieb der Instrumente sowie die Auswertung der unter solchen Bedingungen erhobenen Daten bringen besondere Herausforderungen mit sich. Diese beinhalten hardwaretechnische Aspekte wie die Bereitstellung geeigneter Wetterschutzmassnahmen und einer über Monate stabilen Stromversorgung aber auch entsprechende Prozessierungsstrategien zur Verminderung des Einflusses atmosphärischer Effekte oder zur Extraktion von Verschiebungsfeldern aus Folgen von Punktwolken. Wir präsentieren Lösungsansätze, deren Umsetzung in der Praxis und diskutieren deren Leistungsfähigkeit vor dem Hintergrund der während des Projektes gesammelten Erfahrungen. Besondere Beachtung erfahren die Quantifizierung und Korrektur atmosphärischer Effekte in der terrestrischen Radarinterferometrie mit Hilfe von Hilberträumen mit reproduzierendem Kern sowie die merkmalsbasierte Verarbeitung von Punktwolken mit Hilfe neuronaler Netze.
Staumauerüberwachung – Vergleich dreier Technologien für epochenweise Deformationsmessungen
Wieser, Andreas; Condamin, Sebastian; Barras, Vincent; et al. (2020)
Ingenieurvermessung 20. Beiträge zum 19. Internationalen Ingenieurvermessungskurs München, 2020
Um das Potential für epochenweise Deformationsmessungen an einer Bogenstaumauer vergleichend zu untersuchen, haben wir im Winter und im Sommer 2019 nahezu zeitgleich klassische geodätische Netzmessungen mit Totalstationen, umfangreiche terrestrische Laserscans und Messungen mit terrestrischer Radarinterferometrie durchgeführt. Die Lotdaten an der etwa 400 m langen und 40 m hohen Staumauer Schiffenen zeigen maximale radiale Verformungen von 2 cm zwischen den beiden Epochen. Im vorliegenden Beitrag stellen wir die Auswerteresultate sowie Vor- und Nachteile der drei Messtechnologien einander gegenüber. Wir gehen dabei insbesondere auf die Herausforderungen der Datumsrealisierung, der Reduktion systematischer Störeinflüsse, die Deformationsanalyse und die erwartete bzw. im Zuge des vorliegenden Anwendungsbeispiels empirisch ermittelte Sensitivität ein. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung der mittels Laserscanning bestimmten radialen Verformungskomponenten der Staumauer mit den Resultaten der geodätischen Netzmessung und der Lotung, obwohl das Rauschen der Einzelpunkte in den Punktwolken in der Grössenordnung von 5 mm liegt. Die Auswertung der terrestrischen Radardaten erweist sich insbesondere wegen starker und zeitlich nicht stabiler Ausbreitungseffekte sowie meteorologischer Einflüsse als problematisch. Es wird aufgezeigt, wie es unter Verwendung längerer Zeitreihen quasi-kontinuierlicher Radaraufnahmen – in unserem Fall jeweils etwa 48 Stunden – und aufwendiger, teilweise manueller, Prozessierung gelingt, auch aus den Radaraufnahmen, die Deformationen zwischen den Messepochen zu quantifizieren und räumlich einzuordnen.

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