Die Punktwolke im Dienste von BIM

Die Punktwolke ist das Ergebnis der Vermessung eines bestimmten Objekts durch einen Laserscanner. Entdecken Sie, wie es die BIM-Modellierung vereinfacht

Jede Baumaßnahme an einem bestehenden Gebäude muss von einer Bestand-Situation ausgehen. Dank immer leistungsfähigerer Technologien, die es uns ermöglichen, den gesamten Prozess der Vermessung und Wiedergabe des Bauwerks durch die Erstellung von 3D-Modellen zu optimieren, ist es heute möglich, eine gewinnbringende Synergie zwischen der in einer BIM-Umgebung (Building Information Modeling) durchgeführten Planungstätigkeit und der notwendigen vorherigen Phase der Bestand-Situation zu schaffen.

Scan to BIM ist ein Reverse-Engineering-Prozess, der fortschrittliche Sensortechnologien wie 3D-Laserscanning, Structure for Motion und hochauflösende Photogrammetrie verwendet, um Punktwolken und 3D-Meshes als Grundlage für die BIM-Modellierung zu erhalten.

Das Ergebnis der Laserscanning-Vermessung gibt eine Reihe von Millionen von Punkten in einem dreidimensionalen Raum zurück; die so erhaltene Punktwolke (Point Cloud) kann mit einer Point-Cloud to BIM-Software verwaltet werden, um ein digitales Modell des Bestehenden zu erstellen, das auch in einer Virtual-Reality-Umgebung navigiert werde kann, um bewertet zu werden.

Schnittstelle von Edificius mit der Punktwolken-Importfunktion

Was ist eine Punktwolke

Die Punktwolke ist das Ergebnis der Vermessung eines bestimmten Objekts durch einen Laserscanner. In der Tat ist es die Menge vieler im Raum angeordneter Punkte, die Informationen enthalten wie Position (x,y,z-Koordinaten), Farbe, Reflexion usw.

Die Punktwolke kann auch mit Hilfe von „Structure from Motion„-Techniken gewonnen werden, die es ermöglichen, Punkte durch die Verarbeitung von entsprechend aufgenommenen Fotos zu erhalten. Diese kann auch mit Hilfe einer speziellen Software angezeigt werden, die es ermöglicht, die aus der Vermessung gewonnenen Daten zu verwalten und grafisch darzustellen.

Sobald man jedoch die Punktwolke erstellt hat (mit einer der heute verfügbaren Techniken), welchen Nutzen hat sie?

Es gibt viele Vorteile, die über die einfache Visualisierung hinausgehen. Es ist möglich:

• Vergleiche zwischen verschiedenen Modellen auszuführen;
• die Punktwolke für die BIM-Modellierung des Gebäudes zu verwenden;
• Entfernungen direkt auf dem Punktwolken-Modell zu messen (Messsystem);
• ein Mesh-Modell (Oberfläche) zu erstellen, das durch die Vereinigung der verschiedenen Punkte entsteht.

All dies hängt vom Zweck der Vermessung und von der Qualität der aus der Vermessung gewonnenen Punktwolke ab. Im Allgemeinen spricht man von der Auflösung der Punktwolke, die mit der Dichte der Punkte zusammenhängt.

Wie bereits erwähnt, ist es mit der Punktwolke auch möglich, ein 3D-Modell aus Meshes zu erhalten: Jede Mesh besteht aus vielen Dreiecken, die durch die dreidimensionalen Koordinaten x,y,z in der Punktwolke beschrieben werden.

Die ursprünglich erhaltene Mesh hat keine Farbe. Die Farbe (oder Textur) kann den verschiedenen Polygonen auf zwei verschiedene Arten zugewiesen werden:

• Color Per Vertex –  es wird der „Durchschnitt“ der Farben der verschiedenen Punkte, die die Ecken des Polygons bilden berücksichtigt. In diesem Fall hängt die Qualität des Endergebnisses direkt von der Auflösung des Modells ab, da es von den Punkten abhängt, aus denen das Modell besteht;
• Textur – die vom Vermessungstool aufgenommenen Fotos werden als Referenz genommen. Diese Bilder sind bereits in Bezug auf das Modell ausgerichtet und können direkt auf die Oberflächen projiziert werden. Jede Mesh wird mit der Vereinigung dieser Fotos (Textur) assoziiert, die als ein „Blatt“ gesehen werden kann, welches die Polygone bedeckt. Die Qualität des Endergebnisses hängt von der Qualität der Fotos und nicht mehr von der Auflösung des Modells ab.

Welche Vermessungstechniken werden verwendet

Es gibt verschiedene Techniken zur Vermessung von Gebäuden. Ohne auf die traditionellen Verfahren (z. B. Trilateration) einzugehen, wollen wir uns mit Verfahren befassen, mit denen die Punktwolke erzeugt werden kann.

Photogrammetrie

Die Photogrammetrie ist eine Vermessungstechnik, die es ermöglicht, die Position, Form und Größe des zu vermessenden Objekts durch die Verarbeitung einer Reihe von Bildern zu bestimmen. Dies ist dank der Analyse von stereoskopischen Bildern möglich, die entweder mit einer stereoskopischen Kamera oder mit einer metrischen Kamera aufgenommen wurden, welche dasselbe Objekt erfasst und nacheinander in zwei verschiedenen Positionen angeordnet ist.

Das photogrammetrische Verfahren kann in 3 Phasen unterteilt werden:

• die Aufnahme: Fotografieren des Objekts mit der stereometrischen Kamera oder mit der Kamera, die an zwei verschiedenen Punkten angebracht ist;
• die Ausrichtung der Bilder: Die stereometrischen Bilder werden entsprechend ausgerichtet, um ein dreidimensionales Modell zu erhalten;
• die Rückgabe: Das 3D-Modell wird rekonstruiert und seine Form und Abmessungen können bestimmt werden.

Photogrammetrisches Verfahren

Die photogrammetrische Vermessung kann aus der Luft erfolgen, z. B. mit Hilfe von Drohnen, oder terrestrisch mit einer beliebigen Kamera oder Stereokamera.

Drohne

Bei der Drohne handelt es sich um ein ferngesteuertes Luftfahrzeug (APR), d. h. es befindet sich kein Mensch zur Steuerung an Bord, sondern es wird eine spezielle Fernsteuerung verwendet.

Es gibt viele Arten von Drohnen auf dem Markt, die sich in drei Makro-Kategorien einteilen lassen:

• Rotationsdrohnen
• Starrflügel Drohnen
• Hybride Drohnen

Diese Tools ermöglichen die Durchführung aerofotogrammetrischer Vermessungen und gewährleisten eine getreue Rückgabe des Objekts. Dazu sind die folgenden Schritte zu befolgen:

• Lokalisierung des zu vermessenden Gebiets (z. B. über Google Maps);
• Analyse des Gebiets und des Aufnahmeprojekts;
• Auswahl der Start- und Landepunkte der Drohne und Auffinden der Bodenkontrollstation;
• Planung des Flugbetriebs durch Überprüfung auf mögliche Hindernisse;
• Planung etwaiger automatischer Flugmissionen;
• Ermittlung von Bodenmessungen, die die photogrammetrische Vermessung unterstützen können;
• Bildaufnahme;
• Bildorientierung und Szenenrekonstruktion (Structure for Motion);
• Erzeugung der Punktwolke;
• Erzeugung des 3D-Mesh-Modells.

Dabei kann auf zwei Methoden der Flugmission zurückgegriffen werden:

• den automatischen Modus über WayPoint, der das automatische Scannen eines Bereichs vorsieht, indem zuvor Punkte aus der Referenzkarte ausgewählt werden;
• den manuellen Modus, wobei die Fotos nach einem vorbestimmten Schema aufgenommen werden.

Punktwolke in BIM | Vertikale Vermessung mit Drohne

Laserscanner

Der Laserscanner ist ein Instrument, mit dem ein Objekt mithilfe eines Laserstrahls erfasst werden kann. Das Laserlicht trifft auf die Oberfläche des Objekts und abhängig von der Rücklaufzeit (Zeit, die der Strahl benötigt, um zum Sendegerät zurückzukehren), dem Winkel des Geräts und anderen Faktoren kann die genaue Position jedes einzelnen Punktes auf dem Objekt im Raum bestimmt werden.

Laserscanner lassen sich in drei Kategorien einteilen:

• Time of Flight (TOF) – die Entfernung wird gemessen, indem die Zeit zwischen der Aussendung von Licht aus dem Gerät und seiner Rückkehr erfasst wird. In diesem Fall fungiert das Gerät, das das Signal aussendet, auch als Empfänger (Ranging Scanner).
• Phasenverschiebung (PhaseShift) –Der Abstand wird aufgrund der Kenntnis der Phasendifferenz zwischen der Phase der Laserwelle zu dem Zeitpunkt, zu dem das Signal ausgegeben wird, und dem Empfang des Impulses gemessen. Auch in dieser Situation ist das Gerät, das das Signal aussendet, dasselbe, das es empfängt (Ranging Scanner).
• Triangulation – die Messung wird mit Hilfe der Triangulationstechnik und somit mit trigonometrischen Berechnungen ermittelt In diesem Fall werden das Gerät, das das Signal aussendet, und das Gerät, das es empfängt, getrennt und in einem konstanten und kalibrierten Abstand angeordnet. Dieses System ermöglicht eine detailliertere Vermessung, jedoch über größere Entfernungen.

Das Endergebnis der Vermessung ist eine Punktwolke im Maßstab, die das erkannte Objekt widerspiegelt. Dieses Modell besteht aus Millionen von Punkten, deren räumliche Koordinaten bekannt sind, sowie aus dem Reflexionswert der Materialien. Dank der in die Vermessungstools integrierten Kameras können außerdem die „Farben“ jedes einzelnen Punktes ermittelt werden, was die grafische Darstellung der Vermessung verbessert.

Die Grenzen des Laserscanner-Vermessungssystems liegen vor allem in der maximalen Entfernung des Geräts vom Objekt, nicht sichtbaren Oberflächen und schattigen Bereichen. All diese Probleme werden gelöst, indem von verschiedenen Punkten aus gemessen wird, um ein realitätsnäheres Modell mit einer geringeren Fehlermarge zu erhalten.

Punktwolke in BIM | Vermessung mit Laserscanner

Laserscanner mit SLAM-Technologie

Zu den innovativsten Systemen gehört der SLAM-Laserscanner (Simultaneous Localisation And Mapping), der das Scannen in Bewegung ermöglicht, ohne dass feste Vermessungspunkte erforderlich sind.

Mit dieser Art von Laserscanner kann man sich in einem bestimmten Raum bewegen und eine Karte der Umgebung erstellen, indem man sich automatisch darin lokalisiert (d. h. ohne GPS).

GeoSlam, mobiles System mit Slam-Technologie. Quelle: Microgeo.it

Diese Geräte können in Fahrzeuge und Drohnen eingebaut werden, so dass auch sehr große Flächen in relativ kurzer Zeit vermessen werden können, oder einfach von Hand in Umgebungen getragen, in denen kein GPS-Signal vorhanden ist.

Solche Scanner werden in die Unterkategorie iMMS (Indoor Mobile Mapping Systems) eingeordnet, die zu der umfassenderen Gruppe der MMS (Mobile Mapping Systems) gehört. Obwohl die ersten für die Vermessung von Innenräumen optimiert wurden, werden sie häufig auch im Freien zum Scannen von Infrastruktur, Baustellen, Gebäuden usw. verwendet.

Beide Systeme (MMS und iMMS) sind nicht mit 3D-LiDAR-Scannern (Light Detection and Ranging) zu verwechseln, da in diesem Fall auf eine breitere Kategorie verwiesen wird. Was man jedoch wissen sollte, ist, dass die LiDAR-Technologie (Technologie, die Laserlicht für Messungen nutzt) für fast alle MMS- und iMMS-Systeme verwendet wird.

Punktwolke in BIM | Vermessung mit Slam-Technologie

Verwaltung der Punktwolke und Generierung des BIM-Modells

Die Punktwolke ist, wie bereits erwähnt, von grundlegender Bedeutung für den Prozess der Erstellung des parametrischen Modells.

Es gib Point-Cloud-BIM-Softwares, wie z. B. Edificius von ACCA software, mit der Sie die Vorteile leistungsstarker Erkennungstools nutzen können, um verschiedene Elemente im Modell automatisch zu identifizieren.

Erstellung des BIM-Modells aus einer Punktwolke

Es ist möglich, Objekte wie Wände, Türen, Fenster, Fußböden automatisch und präzise zu erkennen und ein digitales Modell zu erhalten, das automatisch die erforderlichen Unterlagen liefert:

• Pläne (Grundrisse, Ansichten, Schnitte usw.);
• Technischer Bericht;
• Leistungsverzeichnis;
• Bauzeitenplan;
• und weiteres.

Erleben Sie selbst, wie einfach es ist, ein BIM-Modell aus einer Punktwolke zu erstellen. Downloaden Sie die Testversion der Point-Cloud to BIM-Software und importieren Sie Ihre Punktwolke oder laden Sie eine der Beispieldateien in der Cloud direkt in ein BIM-Management-System herunter.