Der Einsatz von Fahrzeug gestützten 3D Laserscanning für kommunale Anwendungen

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1 Der Einsatz von Fahrzeug gestützten 3D Laserscanning für kommunale Anwendungen DI Dr. Gerald Forkert (Geodata IT GmbH), DI Alexander Haring, Günter Sükar (beide Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU Wien) 1) Einleitung Für Planungsaufgaben im städtischen Bereich werden im zunehmenden Maße 3D-Geodaten der Gebäude und des Straßenraumes benötigt. Mit dem Fahrzeug gestüzten System CITYGRID Scanner sollen sich in Zukunft solche 3D Informationen auf preiswerte Art beschafft lassen. Im CITYGRID Scanner kommen verschiedene, miteinander synchronisierte Sensoren zum Einsatz: Ein 3D-Laserscanner für die schnelle Erfassung der vom Straßenraum aus sichtbaren 3D-Geometrie, hochauflösende Digitalkameras die ergänzend dazu die realistische Textur liefern, und GPS für die schnelle Georeferenzierung der Aufnahmen. Die Hardwarekomponenten des CITYGRID Scanner wurden im Detail bereits im Rahmen der Agit 2004 vorgestellt (Forkert 2004). In diesem Beitrag wollen wir darauf eingehen, welche Originaldaten von diesem System erfasst werden und welche Geodaten und informationen daraus für verschiedene kommunale Anwender gewonnen werden können. 2) Originaldaten des CITYGRID Scanner Bei den vom CITYGRID Scanner gelieferten Originaldaten handelt es sich um eine georeferenzierte photorealistische 3D-Punktwolke. Je nach Betriebsmodus repräsentiert diese Punktwolke den gesamten Straßenraum oder, mit höherer Punktdichte und Auflösung, speziell die straßenseitigen Fassaden der Gebäude. Abb1: Das mobile Aufnahmesystem CITYGRID Scanner

2 Die Punktwolke des Straßenraumes wir im Stop&Go Betrieb erfasst: ca. alle 10m erfolgt eine Aufnahme mit dem 3D-Laserscanner und den Kameras mit Blickrichtung nach hinten, entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeuges. Jede Aufnahme dauert ca. 30 Sekunden, die Umstellung zur nächsten Aufnahmeposition ungefähr ebenso lange. Dieses Stop&Go Verfahren wird in beide Fahrtrichtungen durchgeführt, um sichttote Räume möglichst zu vermeiden. Insgesamt sind auf diese Art pro Tag bis zu 3km Straßenraum bzw. bis zu 600 Scans erfassbar. Für die schnelle Georeferenzierung kommt ein mehrstufiges semiautomatisches Verfahren zum Einsatz: die relative Orientierung erfolgt durch Flächentransformation der einzelnen sich überlappenden 3D-Scans, anschließend wird die absolute Orientierung mit Passlinien aus der Naturbestandsaufnahme durchgeführt. Als Ergebnis liegt eine georeferenzierte 3D Punktwolke des Straßenraumes mit einer Punktdichte von ca. 2cm einer lokalen Nachbarschaftsgenauigkeit von ca. +-3cm und einer absoluten Lagegenauigkeit von ca. +-5cm vor (Abb. 2). Abb. 2: Georeferenzierte Punktwolke des Straßenraumes Die Punktwolke der Fassaden ergibt sich aus dem dynamischen Modus: Die Kameras werden mit Hilfe des fernsteuerbaren Drehturmes zur Fassade gerichtet (wahlweise zur linken oder zur rechten Straßenseite) und während der langsamen Fahrt mit ca. 6km/h so ausgelöst, dass sich an der Fassade eine zumindest 5-fache Überdeckung ergibt. Es folgt ein semiautomatisches Bildorientierungsverfahren das sich auf die dominanten Linienstrukturen der Fassade stützt. Danach erfolgt die Generierung einer dichten 3D Fassaden Punktwolke durch Bildmatching (Karner, Klaus, Bauer, Zach, 2003). Überblicks- Scans am Anfang und am Ende einer Fassadenreihe liefern die dazu erforderlichen Näherungswerte. Die generierte Punktdichte beträgt ca. 1cm, die lokale relative Genauigkeit ca. +-1cm und die absolute Genauigkeit ca. +-5cm. 3) Ableitbare Geoinformationen Profile: Aus den Punktwolken können an beliebigen Positionen Quer-, Längs- und Horizontalprofile gewonnen werden. Diese Profile eignen sich z.b. für die Detailplanung von Baumaßnahmen im Straßenraum oder für die kleinräumige Analyse von Lärmausbreitungen (Abb. 3).

3 Abb. 3: Profil aus der georeferenzierten Punktwolke des Straßenraumes Fassadenhöhen: Aus der georeferenzierten Punktwolke lassen sich mit geeigneten Auswertesystemen (z.b. PHIDIAS der Firma PhoCad) sehr schnell Fassadenoberkanten dreidimensional kartieren. Diese Information ist für die Baubehörde oder die Feuerwehr relevant (Abb. 4). Dachlinien: bei niedriger Bebauung (max. 2-stöckig) sind mit hoher Wahrscheinlichkeit Teile der Firstlinien vom CITYGRID Scanner aus erfassbar. Daraus lassen sich plausible Dachlinien für kleinräumige 3D Visualisierungen gewinnen. Für größere Stadtgebiete ist aber nach wie vor die photogrammetrische Luftbildauswertung effizienter (Abb. 4). Abb. 4: Fassadenhöhen, straßenseitige Dachlinien, Fenster- und Türöffnungen aus den Daten des CITYGRID Scanner

4 Fenster- und Türöffnungen: Als Folge der dynamischen Fassadenerfassung liegen bereits fast alle Eckpunkte von Fenstern und Türen vor. Mit geringem manuellen Zusatzaufwand lassen sich diese im CAD zu Fenster- und Türöffnungen vervollständigen. Daraus sind natürlich auch die straßenseitigen Fenster- und Türflächen ableitbar eine Information die z.b. für die Dimensionierung von Lärmschutzmaßnahmen wertvoll ist (Abb. 4). Fassadenpläne: für detailliere Planungen und Dokumentationen im Fassadenbereich können Fassadenpläne bis zum Maßstab 1:50 ausgewertet werden. Verwendung finden solche Pläne z.b. für Fassadensanierungen oder umbauten im denkmalgeschützten Bereich. True Orthophotos der Fassaden und der Straßenoberfläche dienen zur anschaulichen photorealistischen Visualisierung(Abb. 5). Abb. 5: Hochauflösendes Orthophoto der Straßenoberfläche aus den Daten des CITYGRID Scanners 3D Modelle des Straßenraumes mit Darstellung des Straßenmobiliars werden für anspruchsvolle 3D Visualisierungen im Zuge der Projektentwicklung benötigt. Eine wirtschaftlich interessante Variante ist es, nur die Gebäude und die Straßenoberfläche zu modellieren und die übrigen Elemente des Straßenraumes (Bäume, Verkehrszeichen, Leitungen, Laternen, Plakatständer, Zäune, etc.) mit Hilfe der Originalpunktwolke darzustellen(abb. 6).

5 Abb. 6: 3D Visualisierung des Straßenraumes, Darstellung von Gebäude und Gelände als Modell, Darstellung von Bäumen, Telefonhütte, Abfallinsel, etc. als Punktwolke 4) Ausblick Die ersten Einsätze des CITYGRID Scanners haben gezeigt, dass mit diesem System vielfach verwendbare 3D Geoinformationen für kommunale Anwendungen gewonnen werden können. Das Entwicklungsziel im nächsten Jahr liegt in der weiteren Automatisierung der Datenauswertung zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit. Literatur G. Forkert, 2004: Das Mobile Mapping System CityGrid Scanner zur 3D Datenerfassung im innerstädtischen Straßenraum. Vortrag im Rahmen der Agit K. Karner, A. Klaus, J. Bauer, C. Zach, 2003: MetropoGIS: A City Modeling System Vortrag im Rahmen der CORP 2003, TU-Wien, bis