3D-Laserscanningaufnahmen und Auswertung für Architekten

Einleitung

Bei Objektaufnahmen durch Laserscanning entsteht eine enorme Menge von Punkten mit Koordinaten und Bildinformation. Sind die Endkunden Architekten und Planer, stehen sie oft vor der Schwierigkeit, mit diesen Daten vernünftig arbeiten zu können, werden doch in den meisten Fällen nicht Punktwolken, sondern CAD Modelle benötigt, die mit Vektoren und Flächen meistens die Fassaden oder Grundrisse modellieren. In der Praxis führt das oft dazu, dass die Kunden mit der Arbeit am Objekt, mit Messband und Nivelliergerät, günstiger zu Plänen kommen, als technologisch hoch gerüstete Vermesser mittels Aufnahmen durch Laserscanning. Letztere kommt jedoch dann zum Tragen, wenn Fassadenpläne nur ein Teil der Produkte sind. Der grosse Wert des Laserscannings liegt nämlich darin, dass eine viel umfassendere dreidimensionale Realität des Objektes festgehalten wird, als dies durch die klassische Gebäudeaufnahme möglich ist. Aus der Punktwolke kann jederzeit Bedarfsgerecht die benötigte Information abgeleitet werden. Zu nennen sind hier Profile, Schnitte, Objektdetails und letztendlich die Möglichkeit den gesamten räumlichen Zusammenhang mit Flächen nachzubilden.

Meine Diplomarbeit befasste sich mit dem 3D-Laserscanning von Gebäuden und dessen Auswertung. Nachstehend wird ein einfacher, unkomplizierter Arbeitsprozess anhand eines Testobjekts beschrieben. Als Endprodukt entstand eine CAD-Zeichnung, welche die Arbeit für die Architekten und Planer vereinfachen sollte. Diese CAD-Zeichnung zeigt die gewünschten Schnitte durch das Gebäude, die Grundrisse, die Pläne der einzelnen Fassaden und das ganze Objekt als räumliche Konstruktion. Vorgängig wurde zusammen mit einem Architekten der Region Meiringen ein Testobjekt bestimmt und die Rahmenbedingungen wurden festgelegt: Genauigkeit, Detailierungsgrad sowie Darstellungsart. Die ganze Soft- und Hardware wurde von der Flotron AG mit Sitz in Meiringen zur Verfügung gestellt.

Aufnahme mit einem terrestrischen Laserscanner

Der Laserscanner misst hochfrequent Laserdistanzen und Winkel. Daraus werden Punktkoordinaten berechnet. Diese Punkte müssen genügend dicht sein, um die Details des Gebäudes in der genügenden Auflösung wiederzugeben, um daraus ein digitales Abbild als 3D-Modell zu ermöglichen. Die Punkte werden «Punktwolke» genannt. Aus jedem einzelnen Scanstandpunkt entsteht eine Punktwolke in einem lokalen Koordinatensystem. Zunächst müssen diese einzelnen Punktwolken miteinander verknüpft und referenziert werden, damit sie in einem einzigen, gemeinsamen Koordinatensystem gelagert sind. Bei der Referenzierung bestehen mehrere Methoden, wie z.B. die Referenzierung über Passflächen, Ebenen, Kugeln, manuell ausgewählte, identische Punkte der Punktwolken oder über reflektierende Zielmarken.Der Arbeitsprozess beim Scannen eines Objekts ist im Grunde genommen mit demjenigen einer Totalstation vergleichbar. Eine wichtige Komponente beim Scannen sind die Referenzpunkte, die es erlauben die einzelnen Scans in das einheitliche Koordinatensystem zu überführen. Hat man diese nicht aufgenommen, wird bei der Auswertung die Verknüpfung der einzelnen Scans sehr zeitaufwändig. Um Zeit und Kosten bei der Aufnahme und Auswertung einzusparen ist es wichtig, die Auflösung, bzw. die Punktdichte so einzustellen, dass sie dem gewünschten Detaillierungsgrad Rechnung trägt. Ein Objekt, das aus grossen, unstrukturierten Flächen besteht, kann mit wesentlich geringerer Punktdichte aufgenommen werden, als ein Objekt mit vielen Details und unregelmässigen Formen. Die genaue Absprache mit dem Kunden, welche Produkte verlangt sind, ist entscheidend.  

Auswertung der Aufnahmen

Die Rohdaten, die durch einen Laserscanner erzeugt werden, sind Messwerttripel, aus einer gemessenen Schrägdistanz, sowie je einem Horizontal- und Vertikalwinkel. Über einfache trigonometrische Beziehungen werden die erfassten Polarkoordinaten in kartesische Koordinatenumgewandelt, welche anschließend am Computer weiterverarbeitet werden können. Bei den meisten Programmen der Scannerhersteller kann man die Punktwolken als dxf-Dateien exportieren und diese anschliessend in eine CAD-Software importieren. So auch bei der «Scene» Software. Je nach CAD sollten die exportierten Dateien nicht grösser als 30 Megabyte sein. Genau hier beginnt das Problem, mit dem die meisten Architekten und Planer zu kämpfen haben: Die Dateien sind häufig mehrere Gigabyte gross und können aufgrund fehlender Computerleistung und mangels geeigneter Programme kaum betrachtet oder bearbeitet werden. Die Software zur Bearbeitung der Daten ist in der Regel teuer. Die Architekten oder Planer benötigen meistens Grundrisspläne, Schnitte oder Fassaden eines Objekts.Für die Verarbeitung der Punktwolken zum Endprodukt wurden zwei Softwareanwendungen ausgewählt: Zum einen fiel die Entscheidung auf die Faro Scene Software für die Verknüpfung und Referenzierung der Punktwolken und zum anderen wurde Microstation von Bentley (CAD) für das Konstruieren und Erstellen der gewünschten Endprodukte gewählt. Die Referenzierung der Scans nimmt sehr viel Zeit in Anspruch. Erfahrungsgemäss dauert dies fast gleich lange wie die Aufnahme vor Ort. Die eingesetzte Software «Scene» besitzt eine automatische Suche und Referenzierung der einzelnen Scans mittels der Referenzpunkte (Passflächen, Ebenen, Kugeln, etc.). Die automatische Erkennung der Referenzpunkte ist jedoch oft ungenügend und wenig hilfreich. Deshalb werden die Scans am besten manuell referenziert. Dies bedeutet, dass jeder Scan einzeln geöffnet, jeder Referenzpunkt markiert und benannt werden muss.Nach dem Referenzieren der Scans beginnt die Bearbeitung und Ausdünnung der Punktwolken in der «Scene» Software. Um die Datei so klein wie möglich zu halten, sollten alle überflüssigen Punkte gelöscht werden. Eine weitere Ausdünnung der Punkte ist besonders in den Überlappungsregionen mehrerer Scans empfehlenswert, dort sind oft zu viele Punkte vorhanden.Mit der Hilfe von Schnitten durch das gesamte Objekt (zum Beispiel Grundrissschnitt 1m ab Boden), werden in einem weiteren Schritt Ebenen festgelegt. Damit müssen innerhalb der einzelnen Ebenen nur wenige Punkte exportiert werden. Entsprechend wird die Exportdatei massiv kleiner (ca. 30 Megabyte in meinem Projekt) und ist somit in Microstation leichter zu bearbeiten. In Microstation werden die exportierten Schnitte eingelesen. Hier werden jetzt die Grundrisse und Schnitte auf separaten Layer digitalisiert.  

Vom Architekten gewünschte Daten und Pläne

 Nach einer ersten Lieferung der Daten an den Architekten kamen diverse Verbesserungsvorschläge zurück. Die Detailierung und die Darstellung entsprachen noch nicht den Vorstellungen des Kunden. Die dxf-Datei mit den Konstruktionen und die Pläne sollten denjenigen wie sie bei den Architekten gebräuchlich sind, angeglichen werden. Der Detailierungsgrad war in einem ersten Schritt viel zu hoch. Es ist in der Regel nicht nötig, jede kleine Delle oder Unebenheit an der Wand darzustellen. Dies ist nur ein kleiner Auszug aus den Verbesserungsvorschlägen des Architekten. Aufgrund seiner Wünsche wurden Rohkonstruktionen und die daraus abgeleiteten Pläne nochmals angepasst. Das führte schliesslich zum Endprodukt.Als Fazit wird festgestellt: Je unregelmässiger und komplizierter die Strukturen des Objektes sind, je mehr geometrische Information über weite Teile des Gebäudes hinweg benötigt werden, je schwieriger es ist die gewünschten Masse einfach und schnell am Objekt selbst zu messen, desto besser lohnt sich der Einsatz eines Laserscannings zur Gebäudeaufnahme.Die Messtechnik des Scannings, der Georeferenzierung und der Punktwolkenbearbeitung ist ein wichtiger Teil der Arbeit, der Detailwissen, Erfahrung und hohe Sorgfalt benötigt. Dabei besteht die Gefahr, dass das Gespräch mit dem Architekten zum Verständnis der relevanten Konstruktionen und der tatsächlich benötigten Endprodukte als ein weiterer wesentlicher Punkt massiv unterschätzt wird.

Alban Lekaj
Geomatiktechniker
Interlakenstrasse 25
3806 Bönigen
lekajalban@gmail.com

Fassade
Fassadenaufnahme mit Laserscanning Punktwolke
Fertig ausgewertete Fassade als dxf-Datei
Ausschnitt eines Scanstandpunktes mit Referenzpunkten (hier als Schachbrettzielmarken)
Gesamte Punktwolke
Schnitt (Grundriss) der Punktwolke für den Export als dxf-Datei
CAD-Datei mit der importierten Punktwolke als Grundriss
3D-Ansicht der digitalisierten Daten (Grundrisse, Schnitte und Fassade)
Grundriss vor den Verbesserungsvorschlägen
Grundriss nach den Verbesserungsvorschlägen