Fahrzeuggestützte 3D-Vermessung und 3D-Visualisierung

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1 Frank Pöhlmann Fahrzeuggestützte 3D-Vermessung und 3D-Visualisierung Vermessungs und Planungsdaten werden mittlerweile fast ausschließlich mit Programmen erstellt, deren Daten dreidimensional erfasst und vorgehalten werden. Gängige Visualisierungs Tools können Geländemodelle, die aus einer Geländevermessung stammen, meist nur einfarbig abbilden und modellhaft vermascht darstellen. Fotomontagen zur Visualisierung von Objektplanungen dagegen bilden zwar den Bestand genau ab, sind aber nur eindimensional und der darin montierte Planstand zeigt oft ein verzerrtes Bild des Planungsvorhabens. Mit der Erfassung des Straßen und Seitenraums durch mobiles Laserscanning wird ein Abbild der Planungsumgebung erzeugt, in dem sich die Planungsdaten quasi im virtuellen Straßenraum visualisieren lassen eine einzigartige Veredelung der Planunterlagen. Einleitung In der klassischen Vermessung werden Einzelpunkte gemessen, die im CAD Programm zu Polylinien verbunden und zu einem digitalen Geländemodell vermascht werden. Eine eher grobmaschige Geländeoder Modelloberfläche als Grundlage für weitere Planungen entsteht. Durch den Einsatz stationärer Laserscanner wird das Objekt durch das deutlich dichtere Punktraster zwar wesentlich engmaschiger erfasst, jedoch bei langgestreckten Objekten, wie beispielsweise Straßenkörpern, ist deren Einsatz durch die vielen aneinandergereihten Einzelaufstellungen eher unpraktikabel. Zudem sind aus Einzelscans zusammengesetzte Punktwolken inhomogen, d. h. die Punktabstände auf dem Erfassungsobjekt, vorwiegend dem Straßenkörper, variieren stark je nach Abstand der Punkte zum Scanner. Bild 1: Trimble MX8 Eine hohe Punktdichte und eine dennoch homogene Punktwolke erreicht man durch den Einsatz kinematischer, bzw. 108 VDVmagazin 2/15 l Fahrzeuggestützte 3D-Vermessung und 3D-Visualisierung

2 Bilder 2-4: Messkorridor im Wald fahrzeuggestützter Laserscanner. Hierbei wird der Straßenraum gleichmäßig befahren und je nach gefahrener Geschwindigkeit erhält man eine Punktwolke mit gewünschter Dichte. Auf der Fahrbahn, also im Nahbereich der Scanner, entstehen vollflächige engmaschige Punkteraster. Die beiden spiralförmigen Punktwolken des Trimble MX8 schneiden sich im 90 Winkel und bilden zur Längsachse der Fahrbahn einen 45 -Winkel. Die Laserscanner sind fest montiert und rotieren nur um die eigene Achse. Die dritte Dimension kommt durch die Fahrt des Fahrzeugs. Es entsteht eine Spirale aus Laserpunkten. Der Abstand der Spirallinien hängt von der Fahrgeschwindigkeit ab. Diese Anordnung und die Höhe der beiden Scanner mit ca. 2,75 m über der Fahrbahn minimieren die Bereiche von Abschattungen. Die Vorteile einer mobilen Laserscan Erfassung in der Zusammenfassung: Messtechnische Erfassung des gesamten Straßenraums, der Seitenräume und der Fassaden Vermessungstechnischer Außendienst reduziert sich auf wenige Stunden 3D-Abbild des Straßenraums Homogene, zusammenhängende Punktwolken über den gesamten Erfassungsbereich Minimierung von Abschattungsbereichen durch die hohe Position der Laserscanner, die Anordnung der beiden Scanner auf dem Fahrzeug und durch Befahrung in Gegenrichtung Vermessungstechnische Erfassung des Straßenraums mit kinematischem Mess-System Die Straßenzüge werden nach dem bekannten Knoten-Kantenmodell befahren. Das eingesetzte Mess-System Trimble MX8 ist bestückt mit zwei Laserscannern und sieben Kameras. Als Ergebnis der Befahrung erhält man georeferenzierte Punktwolken als 3D- Abbild des Straßenraums. Die Reichweite der beiden Scanner erlaubt die auswertbare Erfassung eines m breiten Korridors, wobei die Punktabstände mit der Entfernung von der Fahrachse zunehmen. Selbst in dicht bewaldeten Gebieten sind Messkorridore von 120 m Breite kein Problem. Komplexe Planungsobjekte mit vielen Zwangspunkten und schwer erfassbaren Strukturen, wie z. B. Felswände, sind prädestiniert für die Erfassung mit mobilem Laserscanning. Die drei Front- und die drei Rück Kameras dienen der Fotodokumentation. Aus den Fotos werden außerdem die Farbwerte für die RGB-Colorierung der Punktwolken ermittelt. Die Fotos der Fahrstreifenkamera werden verwendet für Straßenzustandserfassung und bewertung nach den E EMI 2012 (Empfehlungen für das Erhaltungsmanagement für Innerortsstraßen, Erscheinungsjahr 2012). Bild 5: vermessungstechnische Erfassung komplexer Planungsobjekte Fahrzeuggestützte 3D-Vermessung und 3D-Visualisierung l VDVmagazin 2/15 109

3 Bilder 6 und 7: markierter Passpunkt Bilder 8 und 9: Digitalisierung in der Punktwolke Bild 10: Kontrolle der Digitalisierung in den Clips Für die Georeferenzierung der Punktwolken und der Stereobilder ist es notwendig, XYZ-Passpunkte zu setzen, zu markieren und mm-genau einzumessen. Je nach Anforderung und Satelliten Abschattung liegt die Dichte der Passpunkte bei 4 10/km. Die Markierung der Passpunkte erfolgt mit Kugeln, mit rechteckigen oder quadratischen Farbfeldern, deren Größe sich nach der gefahrenen Geschwindigkeit richtet. Der Vorteil dieser vorab signalisierten Passpunkte liegt in der automatischen Erfassung und Zuordnung durch die Auswertesoftware Trimble Trident Imaging. Natürlich können auch im Nachgang Pass punkte für die Referenzierung der Punktwolken herangezogen werden. Geeignet dafür sind Schieber, Hydranten, Kanaldeckel oder Fahrbahnmarkierungen, also entweder zentrische oder scharfkantige Objekte. Die Ist-Koordinate des post-verwendeten Referenzpunktes wird in der Punktwolke durch Digitalisierung ermittelt. Die Qualitätssicherung erfolgt über zusätzlich eingemessene XYZ- oder nur Z-Kontrollpunkte. Die Koordinaten der Passpunkte und Kontrollpunkte müssen mit gleicher Qualität und Genauigkeit vorliegen. Die erzielbaren System Genauigkeiten für die Kleinpunkte liegen im Bereich der klassischen Vermessung. Digitalisierung in der Punktwolke In den einfarbigen Intensitäts-Punktwolken werden mit der Trimble Trident Imaging Software alle relevanten 3D-Punkte und 3D- Polylinien digitalisiert und nach Layern strukturiert. Punktobjekte sind beispielsweise Schilder, Einbauten für die Wasserversorgung, Straßenentwässerung usw. Linienobjekte sind Bruchkanten aller Art, dazu zählen auch Entwässerungskanten, Randeinfassungen und Asphaltkanten. Alternativ können auch eigene Objektdatenbanken erstellt werden. Digitalisierten Linien werden nach deren Erstellung mehrstufige Attribute zugewiesen. Vorteil hierbei ist eine schlanke Layerstruktur. Die Differenzierung der Linienobjekte erfolgt über die Attributierung, das Exportformat ist Shape. Die Trident Imaging Software bietet für die Digitalisierung in der Punktwolke eine Vielzahl praktischer Anwendungsmenüs. Die digitalisierten Elemente werden nach Abschluss der Digitalisierarbeit in den Clips auf Vollständigkeit kontrolliert. Die Punktabstände und die Knickpunkte der digitali 110 VDVmagazin 2/15 l Fahrzeuggestützte 3D-Vermessung und 3D-Visualisierung

4 Bild 11: CAD-Plan Bild 12: Planung eines Straßenkörpers in einer Punktwolke orthometrisch sierten Polylinien liegen i. d. R. im Bereich von 1 5 m, also deutlich enger als bei der klassischen Vermessung, wodurch ein sehr eng an den Bestand angelehntes DGM als Modelloberfläche entsteht. Der Datenexport von der Trident Imaging Software in die CAD-Software zur Fertigstellung des vermessungstechnischen Bestandsplans erfolgt über die DXF- oder Shape-Schnittstelle von Trident. Weitere Standard-Schnittstellenformate, wie MID/ MIF oder DBF, sind vorhanden. In der CAD- Anwendung wird der Bestandsplan mit Texten versehen und das Digitale Höhenlinien- bzw. Geländemodell aus den importierten 3D-Punkten und den 3D-Polylinien als Bruchkanten erstellt. 3D-Objektplanung Verkehrsanlagen Die Objektplanung der Verkehrsanlagen wird mit der AutoCAD beziehungsweise AutoCAD Civil 3D basierenden Software ProVI von Obermeyer Planen und Beraten GmbH durchgeführt. Die datenbankgestützte und objektorientierte Planungssoftware ermöglicht neben dem Arbeiten in Projektteams auch das gleichzeitige Anzeigen und Bearbeiten von Lageplan, Längsschnitt und Querprofil durch vertikale und horizontale Teilung des Bildschirms. Änderungen in der Lage, in der Höhe oder im Querschnitt werden nach Beendigung und Speichern der Arbeitsschritte auf Wunsch sofort in allen abhängigen Datensätzen aktualisiert. Selbst bei nachträglichen Änderungen oder Ergänzungen DGM, egal ob dies im ProVI-eigenen Geländemodell oder wie in diesem Projekt im verknüpften Modell von Civil 3D-DGM geschieht, werden alle Längs- und Querschnitt-Daten automatisch aktualisiert. Somit ist sichergestellt, dass das Änderungsmanagement automatisiert abläuft. Ergebnis der Planung in ProVI ist ein dreidimensionales Trassenmodell aller Trassen und Knotenpunkte zur Übernahme in die Trident Imaging Software und zur Visualisierung in der Punktwolke. 3D-Visualisierung der 3D-Planung im Modell Das Trassenmodell und Trassenvarianten werden aus ProVI als AutoCAD-Elemente Polygon-Netz oder 3D-Fläche exportiert und in Trident als 3D-DXF-Format importiert. Die offene 3D-DXF-/Shape-Schnittstelle der Trident Software ermöglicht das Einlesen von Trassendaten jeder Planungssoftware in die Punktwolke, die die Trassendaten in die genannten ACAD-Elementtypen auslesen kann. In Trident werden Bestandsdaten in Form von Punktwolken und die Planungsdaten aus ProVI in einem Modell zusammengeführt und visualisiert. Über die Layer-Struktur werden die einzelnen Querschnittsbestandteile, wie Fahrbahn, Randeinfassung, Gehweg, Bankett etc. strukturiert verwaltet und dargestellt. Mittels Maussteuerung kann dynamisch jede beliebige Position im Modell angefahren und die Einbindung der Planung in den Bestand genauestens überprüft werden. Anbinde höhen lassen sich somit ebenso prüfen wie Lagezwangspunkte (Einfriedungen, Hydranten, Leuchten, Masten, Bäume mit Baumkrone etc.). Einragende Hindernisse, wie Dachrinnen, werden im 2D-Lageplan und auch im Querprofil oft übersehen oder nicht erkannt. Bilder 13 und 14: Visualisierung der Planung Fahrzeuggestützte 3D-Vermessung und 3D-Visualisierung l VDVmagazin 2/15 111

5 Im 3D-Modell jedoch sind diese Zwangspunkte bei sorgfältiger Überprüfung der Planung im 3D-Modell nicht zu übersehen. Sichtbeziehungen oder Sichthindernisse können aus jeder beliebigen Perspektive aufgesucht, betrachtet, untersucht und analysiert werden. Maßnahmen zur Verbesserung der Verkehrssicherheit lassen sich im 3D-Modell visualisieren und simulieren. Abstände zwischen Bestands- und Planungsobjekten lassen sich über XY-, Z- oder XYZ-Messungen im 3D-Modell überprüfen und dokumentieren. Auftraggebern, örtlichen Gremien oder Entscheidungsträgern wird mit der 3D-Visualisierung ein hilfreiches Instrument zur Beurteilung der Planung und der Variantenfindung angeboten. Die Visualisierung der Planungsdaten kann durch Screenshots (z. B. JPG), Videomitschnitte (z. B. mp4) oder live im 3D-Modell durch den kostenfreien Trident Viewer erfolgen. Fazit Durch das mobile Laserscanning können langgestreckte Straßenräume und Ortsstraßennetze wirtschaftlich und v. a. homogen in Form von Punktwolken für die weitere Auswertung vermessungstechnisch erfasst werden. Die Visualisierung von Planungsdaten in der Punktwolke bietet eine völlig neue und (Foto-)realistische Präsentationsform, die als Qualitätskontrolle, als Entscheidungshilfe bei Varianten und die im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit neue Maßstäbe setzt. Autor Dipl.-Ing. (FH) Vermessung Frank Pöhlmann Fachingenieur für Straßenbau, Bauhaus Weiterbildungsakademie Weimar e. V. Cloud-Vermessung & Planung Tel Diese Ausgaben erhalten Sie zum reduzierten Preis! VDV-Schriftenreihe Der Vermessungsingenieur in der Praxis Band 1: Aktuelle Ingenieurvermessung ISBN nur E 5,50 Band 2: Moderne Leitungsdokumentationen ISBN nur E 5, Band 3: Aktuelle Aufmaße und Abrechnungen ISBN nur E 5,50 Band 4: Dialog Aufmaß und Abrechnung ISBN Band 5: Aktuelle Beispiele aus der Bauabrechnung ISBN Band 7: Aktuelle Abrechnungen von Bauleistungen ISBN Band 9: Vermessung im Wandel ISBN Band 10: Gleisbau Planung und Vermessung ISBN Band 11: Aktuelle Mengenermittlungen für die Bauabrechnung ISBN Band 12: Photogrammetrische Meßtechnik in der Ingenieurvermessung ISBN Band 14: Bauabrechnung 2000 ISBN Band 15: Bauabrechnung Möglichkeiten der Vereinfachung ISBN Band 16: Modellieren und Visualisieren auf geodätischphotogrammetrischer Messungen ISBN Alle Preise verstehen sich zuzüglich Versandkosten, inkl. USt. Verlag Chmielorz GmbH Marktplatz Wiesbaden Telefax: 06 11/ info@chmielorz.de Amtsgericht Wiesbaden HRB 3862, Geschäftsführung: Christian Augsburger, Andreas Klein 112 VDVmagazin 2/15 l Fahrzeuggestützte 3D-Vermessung und 3D-Visualisierung