Laserscanner, Drohnen und digitale Photogrammetrie mit BIM

Wie digitale Bautechnologien den gesamten Bauprozess beeinflussen, verändern und verbessern können: Laserscanner, digitale Photogrammetrie und Drohnen für die Gebäudevermessung mit Hilfe von BIM

In den letzten Jahren hat die Entwicklung technologischer Berufswerkzeuge, insbesondere im Gebäudevermessungs- und Topografiebereichs zu wesentlichen Neuerungen geführt: es ist ausreichend die erheblichen Vorteile (wie z.B. Präzision, Zeiten, Kosten), die sich aus einer Vermessung durch auf Drohnen eingesetzten Scanner zu bewerten.

Vorteile, allen Technikern zugänglich und welche dank der Software-Weiterentwicklung zurückzuführen sind, ermöglichen dreidimensionale Meshs aus, von oben aufgenommenen Fotos zu rekonstruieren: Ein Großteil der Datenverarbeitungsarbeit kann mittels benutzerfreundlicher Softwares ausgeführt werden, welche die Daten in 3D-Modellen zurückgeben.

Diese Softwares ermöglichen, die durch Laser- und Fotogeräten erworbenen Daten, in Punktwolken, dreidimensionale Meshs, digitale Höhenmodelle (DHM) und georeferenzierte Orthophotos umzuwandeln:

und zwar alles Notwendige, zur Gebäudevermessung, Planung von neuen Infrastrukturen oder Wartung.

Sehen wir nun, die Funktionsprinzipien dieser Technologien.

Gebäudevermessung

In einer Zeit, in der immer weniger neugebaut und das vorhandene Immobilienvermögen wiederhergestellt wird, ist es wichtig, den Zustand des zu erholenden Gebäudes genau zu bestimmen.

Eine detaillierte Struktur-, Fassade- oder Standortkenntnis ermöglicht es, dem Entwerfer, sich bestmöglich auf das Projekt zu konzentrieren. Dieser kann auf diese Weise fundierte Entscheidungen treffen, um die Räume zu optimieren und die auszuführende Arbeit mit großer Genauigkeit berechnen.

Bis vor einiger Zeit wurde die Vermessung von Gebäuden und/oder Standorten mit einfachen Werkzeugen ausgeführt, welche es jedoch nicht erlaubten ein Gebäudemodell in das eingegriffen werden musste, zu erstellen.

Die Bemessungen für die Erstellung des Gebäudeplans wurden oft als horizontale Schnitte und in einer bestimmten Höhe dargestellt, wobei Wandneigungen, statische Bedingungen usw. nicht berücksichtigt werden konnten. Auch wenn ein 3D-Gebäudemodell definiert wurde, war dieser durch eine Reihe von Annäherungen bedingt.

Heute ermöglichen neue Technologien, die Maße der fotografischen und der thermografischen Informationen usw. zu kombinieren: Dank der Verwendung von Laserscannern und Drohnen.

Der Entwerfer arbeitet direkt auf die Struktur, wobei dieser sofort die Form, Abmessungen, Materialien, kritische Situationen (Schäden, gesundheitsschädliche Situationen usw.) erkennen kann.

Alles zum Vorteil eines sehr hochwertigen Entwurfs.

Digitale Photogrammetrie

Die Architekturphotogrammetrie ist eine technisches Vermessungsverfahren. Es ermöglicht die Erfassung von Messdaten eines Objekts (Form und Position) die durch stereoskopischen Doppelbild-Auswertegeräten in drei Dimensionen abgemessen werden können.
Die architektonische Photogrammetrie-Vermessung umfasst zwei Phasen:

Aufnahme, dessen Produkts das Paar stereometrischer Bilder ist. Das Objekt wird mit der stereometrischen oder metrischen Kamera an zwei verschiedenen Punkten angeordnet und unter Berücksichtigung der künstlichen ausgewählten Stereoskopie fotografiert.
Rückkehr, wo das Paar stereometrischer Frames verwendet wird. Durch diesen Vorgang können die interessierten Dimensionen ermittelt, oder eine Darstellung in orthogonaler Projektion des fotografierten Objekts erstellt werden.

Die Digitale Photogrammetrie ist eine Vermessungstechnik, die ermöglicht, metrische und geographische Informationen, Form und Position dreidimensionaler Objekte wie z.B. Baugrund und Gebäude, durch die Verarbeitung digitaler fotografischer Bilder zu erhalten.

Die Anwendung auf Drohnen (Aerofotogrammetrie) erfolgt durch die Erstellung digitaler Geländemodelle und Orthophotos. Es produziert auch architektonische Vermessungen von Infrastrukturen und Gebäuden, um 3D-Modelle zu erhalten.

Derzeit ist die Aerofotogrammetrie eine der zuverlässigsten, wirtschaftlichsten und präzisesten Datenerfassungstechniken des Gebiets und nützlich auch für die Analyse der Geländeveränderung.

Die Photogrammetrie mit Drohnen hat verschiedene technische Anwendungen: Orthophotos, geologische Vermessungen, topographische Dienste mit Drohnen, 3D-Modelle (Rekonstruktionen von Punktwolken, Höhenlinien), Kartierung von Baustellen und Gebiete, Renderings von Gebäuden, Überwachung von Standorten mit hydrogeologischer Instabilität, DEM (Digital Elevation Model).

Aus einer Serie von Digitalbilder kann ein dreidimensionales Oberflächenmodell erstellt werden. Die Datenquelle kann mehrfach sein, die wichtigsten sind:

Laserscanner

Laser Scanner

Laserscanner, messen in einem Bereich gemäß einer vordefinierten Dichte die Positionen von Punkten der vorhandenen Objekte.
Es wird eine Punktwolke generiert, d.h. eine Reihe von Punkten mit definierten Raumkoordinaten. Von der Punktwolke aus, ist es möglich die Flächen zu definieren, welche aus Dreiecken (Meshs) und durchgehenden Flächen (Nurbs) bestehen. Oberflächen können fotorealistisch sein.
Der für industrielle Anwendungen entwickelte Laserscanner ist ein mechanisches elektrooptisches Gerät, dass durch die aufeinanderfolgende Scantechnik, die automatische Erkennung eines Objekts, in seinen drei Dimensionen ermöglicht.
Diese dreidimensionale Vermessung liefert vier Informationen: die drei Koordinaten des erkannten Punktes und den Wert des Reflexionsgrades, der sich je nach Materialtypologie ändert.

Die Reflexion repräsentiert die Fähigkeit der Objekte, den Laserstrahl zu reflektieren; dieser gibt für jeden Punkt einer opaken Materialoberfläche, die von einem Lichtstrahl getroffen wird:

den Antwortfaktor, d.h. die dimensionslose Beziehung zwischen der Bestrahlungsstärke oder der einfallenden Strahlungsflussdichte
die Strahlungsdichte oder ausgehende Strahlungsflussdichte.

Unabhängig von der verwendeten Laserscan-Technologie (im architektonischen Bereich ist der Phasenscan der fortgeschrittenste) ist das Ergebnis, eine dichte Punktewolke, aus der man eine beeindruckende Anzahl von Daten und Verarbeitungen erzielen kann, wie z.B.:

3D-Farbmodelle der erkannten Gebäuden
3D-Modell mit Flächen oder Meshs
Orthophotos der Fassaden und Ansichten
Schnitte und Lagepläne
Virtuelle Navigation innerhalb der Punktewolke
Implementierung in digitalen Umgebungen und AR-Softwares (Augmented Reality)
Implementierung in BIM-Umgebungen (Building Information Modeling) zur schnellen Modellierung der Bestandssituation.

Das Ergebnis kann auch in GNSS-Technologien für die Georeferenzierung von Wolken integriert werden, mit aerofotogrammetrischen Vermessungen von Drohnen für Gebäudedächer und anderen bereits vorhandenen digitalen Vermessungen.

Digitale Videos

Die Möglichkeit, eine professionelle Videokamera für eine Vermessung zu verwenden, macht diese Technologie einfach in der Verwendung und Verbreitung, mit dem Vorteil, dass auch sehr große Bereiche identifiziert werden können. Die Portabilität und Autonomie dieser Geräte, ermöglichen außerdem, Vermessungen auch in schwer zugänglichen Bereichen auszuführen.

Digitale Fotografien

Die Verwendung einer Digitalkamera als Messwerkzeug, macht diese Technologie noch einfacher und zugänglicher. Der Hauptvorteil besteht zweifellos darin, eine kostengünstige dreidimensionale Photogrammetrie zu erstellen.

Punktwolke: Worum handelt es sich?

Punktwolke

Beim Scannen zeichnet der Laserscanner eine große Anzahl von Datenpunkten auf, welche von den Oberflächen im gescannten Bereich zurückgegeben werden. Diese können auch Wände, Fenster, Rohrleitungen, Stahlkonstruktionen usw. beinhalten.

Der Punkt ist daher die grundlegende Entität auf der die photogrammetrische Vermessungsmethode basiert.

Das Ergebnis ist eine Punktewolke mit Koordinaten x y z, welche aus Millionen von Punkten zusammengesetzt ist und direkt auf dem Computerbildschirm, als „dreidimensionale Fotografie“ visualisiert werden kann. Diese Punkte beschreiben detailliert, die Oberfläche des erfassten Objekts, aus denen Dimension- und Farbinformationen entnommen werden können.

Vereinfachend kann eine Wolke mit einer 3D-Masse verglichen werden, welche aus kleinen Tröpfchen zusammengesetzt ist.

Die erkannten Punkte verfügen unter anderem über verschiedene Merkmale, wie die Farbzuordnung; mit dem Scan, ist es sogar möglich, den Punktkoordinaten auch RGB-Daten zuzuordnen, die von einer Kamera erworben wurden.

Datenverwaltung

Die Scans werden in die Modellierungssoftware importiert. Die einzelnen Scans werden Filtervorgängen unterzogen, um Störsignale, welche falsche 3D-Koordinaten liefern könnten, automatisch zu beseitigen.

Anschließend kann man mit der Datenverarbeitung, dank Bearbeitungswerkzeugen fortfahren, durch denen Tausende von Punkten verwalten werden und mittels denen Digitalisierungsprozesse entstehen. Die Punktwolke wird in Splines, Oberflächen und Meshs umgewandelt.

Nach der Datenverarbeitung ist es möglich:

zu bemessen;
Videos zu produzieren;
korrigierte Bilder zu erwerben;
die erhaltenen Schnitte in DXF-Format zu exportieren;
das erkannte Objekt gemäß einer topographischen Referenz zu positionieren;
BIM-Modelle zu erstellen.

Softwares, die Punktwolken verwalten, sind zunehmend und immer leistungsfähiger: durch die Verwendung der structure from motion-Technologie (SfM) werden ihre Algorithmen ständig verbessert, wobei diese beispielsweise durch Fotografieren mit dem eigenen Smartphone, ein dreidimensionales Modell eines Autos erstellten können und bemerkenswerte Ergebnisse erzielen.