Bachelorarbeit Untersuchung aktueller Technologien zur Erstellung von 3D-Modellen für die Landschaftsvisualisierung

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1 Bachelorarbeit Untersuchung aktueller Technologien zur Erstellung von 3D-Modellen für die Landschaftsvisualisierung Autor:, 6. Semester Geomatik und Planung Leitung: Dr. Prof. Adrienne Grêt-Regamey Betreuung: Dr. Ulrike Wissen, Thomas Klein ETH Zürich, Institut IRL, Professur PLUS, FS 2011 Ort und Datum: Zürich, Mai 2011 Abb. 1: Das Kloster Fahr von links nach rechts: Foto, AgiSoft, Google SketchUp, Laserpunktwolke; unten: Foto

2 INHALT Zusammenfassung Einleitung Einführung Beweggründe für die Arbeit Problemstellung, Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit Fallbeispiel Vorgehensweise Landschaftsvisualisierung: Wieso muss die Genauigkeit hoch sein? Kriterien für die Beurteilung der Workflows Software für die Erstellung von 3D-Modellen Übersicht aktueller Software-Pakete Auswahl der Software für diese Arbeit Gründe für die gewählte Software Durchführung der drei unterschiedlichen Workflows Systemabgrenzung für die Workflows Workflow I TLS Feldbegehung Visualisierung einer Laser-Punktwolke Datenaufbereitung und Modellierung Schwierigkeiten Workflow I Workflow II Google SketchUp Methode Google Earth Methode Pointools-Plugin Schwierigkeiten Workflow II Workflow III Photogrammetrie AgiSoft der Workflow AgiSoft Visualisierung mittels 3D-PDF AgiSoft Visualisierung des HXE auf dem Hönggerberg Schwierigkeiten Workflow III Weitere Software Gummireifen David Novák My3DScanner MeshLab... 52

3 6.4 VRMesh und Geomagic Resultate der Workflows: Videoclip und 3D-PDFs Bewertung der drei Workflows Bewertung Workflow I TLS Bewertung Workflow II Google SketchUp Bewertung Workflow III Photogrammetrie Schlussfolgerungen Ausblick Dank Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang... A1

4 Zusammenfassung 3D-Landschaftsvisualisierungen haben sich als sinnvolle Instrumente für die Planung bewährt. Sie erlauben es, allen im Planungsprozess involvierten Akteuren eine schnelle und anschauliche Diskussions-, Bewertungs- und Entscheidungsgrundlage zu liefern. Insbesondere für die Bewertung von Landschaftsbildveränderungen kommen realitätsnahe Darstellungen zur Anwendung. Markante Gebäude und andere Landschaftselemente können eine prägende Wirkung auf den Charakter eines Landschaftsbildes ausüben. Für die virtuelle Darstellung solcher Landmarks bedarf es eines hohen Detailgrads. In den letzten Jahren sind im Bereich des Laserscanning und der Photogrammetrie vermehrt neue Produkte und Workflows auf den Markt gekommen. Das Potenzial dieser Technologien ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Angesichts dieser Tatsache setzt meine Bachelorarbeit genau hier an, wenn es darum geht, verschiedene Programme und deren Workflows auf die Effizienz und Wirksamkeit hin zu untersuchen. Es steht eine grosse Auswahl an Software-Paketen für die Erstellung von 3D-Modellen zur Verfügung. Mit welcher Software und welchen Workflows können möglichst effiziente 3D-Modellierungen erstellt werden, die dennoch realitätsnah sind? Das Ziel dieser Arbeit ist es, konkrete Workflows durchzuführen und hinsichtlich dieser Fragestellung zu bewerten. Grundsätzlich gliedert sich die Arbeit in drei Workflows: Terrestrisches Laserscanning (TLS), Google SketchUp, Photogrammetrie. Mit jedem dieser Workflows wurde ein hochauflösendes 3D-Modell des Klosters Fahr im Limmattal erstellt. Die Erarbeitung der Schlussfolgerungen aufgrund der zahlreichen Vor- und Nachteile der einzelnen Workflows war eine zentrale Aufgabe dieser Bachelorarbeit. Das TLS besticht durch eine enorm hohe Punktdichte sowie durch hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Hauptnachteil sind die hohen Kosten, die für den zeitintensiven Workflow sowie für die Hard- und Software benötigt werden. Ausgehend von der registrierten Punktwolke ist ein Export in eine Verarbeitungssoftware nötig, welche die Punkte in ein texturiertes 3D-Modell umwandeln soll. Google SketchUp hat den Vorteil, relativ leicht fotorealistische 3D-Modelle erzeugen zu können. Für einen hohen Detailgrad ist dies allerdings mit einer nicht zu unterschätzenden manuellen Arbeit verbunden. In der Regel muss die Geometrie grob abgeschätzt werden. Um dies zu umgehen wurde das Pointools-Plugin zur Hilfe gezogen, welches die TLS-Punktwolke in SketchUp integrieren kann. Anhand dieser Punktwolke konnte die Geometrie nachmodelliert und manuell texturiert werden. Seite 1

5 In der Photogrammetrie wurde primär die Software AgiSoft PhotoScan getestet, welche sich als sehr effizient erwiesen hat. AgiSoft besticht durch einen durchschaubaren, logisch strukturierten Workflow. Ausgehend von Fotos wird eine Punktwolke generiert, die anschliessend weitgehend automatisiert in ein Mesh (Geometrie) inklusive Textur überführt wird. Seitens der Photogrammetrie ist als Hauptnachteil die mangelnde Zuverlässigkeit zu nennen, denn die Technologie ist sehr anfällig auf Verdeckungen in Form von im Weg stehenden Objekten, auf unterschiedliche Belichtungsverhältnisse und allgemein auf eine nicht optimale Aufnahmekonfiguration. Nach der sorgfältigen Modellierung der 3D-Gebäude anhand der Workflows kam ich zum Schluss, dass es keine generell gültige Antwort auf die Frage gibt, welcher der untersuchten Workflows der effizienteste und beste ist. Je nach Anforderungen an das Projekt kann die empfohlene Variante variieren. Bei der Festlegung dieser Anforderungen bedarf es Expertenwissen. Die Photogrammetrie gewinnt die Bewertung der drei Workflows. Meine persönliche Tendenz geht auch in diese Richtung. Bei der Modellierung einer einzelnen Gebäudefassade ist AgiSoft am effizientesten. Je nach Aufnahmekonfiguration sind die Resultate bei relativ geringem Aufwand für viele Anwendungen genügend genau. Bei sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit ist TLS zu empfehlen. Es geht hier um Detailaufnahmen von ganz bestimmten, charakteristischen Objekten. Die Darstellung von Vegetation ist ein Paradebeispiel, wo die Photogrammetrie im Gegensatz zu Lasermessungen nicht funktionieren wird. Die Hauptvorteile des TLS liegen in der Stabilität der Erfassung und in der Tatsache, dass Aufnahmen praktisch unabhängig von Wetter- und Belichtungseinflüssen dieselben Resultate liefern. Google SketchUp ist grundsätzlich immer eine Möglichkeit, schöne und ansehnliche 3D-Modelle mit fotorealistischer Textur zu erstellen. Als Hauptnachteil ist der Zeitaufwand für die Modellierung und Texturierung zu nennen. Genau diese manuelle, zeitintensive und somit auch kostenintensive Arbeit wollen wir durch automatisierte Prozesse ersetzen. Ich empfehle, Google SketchUp nur dann zu verwenden, wenn der automatisierte Algorithmus von AgiSoft keine zufriedenstellenden Resultate geliefert hat. Häufig können die Workflows auch miteinander kombiniert werden, wie dies am Beispiel von TLS und Google SketchUp praktiziert wurde. Interessant ist die Kombination von AgiSoft mit SketchUp. Vor allem bei ungenügender Generierung der Textur, was in AgiSoft gut vorkommen kann, könnte die Geometrie in SketchUp importiert werden, anhand derer das Gebäude manuell modelliert werden kann. Für den Datenaustausch ist das 3D-PDF zu erwähnen, welches sich als stark komprimiertes Austauschformat komfortabel per an alle Akteure versenden lässt. Seite 2

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