3D-Bestandsdokumentation mittels Laserscanning

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1 Dr. Markus Kühnhardt, Frankfurt/M.; Thomas Schock, München ARCHITEKTUR VERMESSUNG 3D-Bestandsdokumentation mittels Laserscanning Ein hochmodernes Verfahren: schnell hochgenau kostengünstig Die 3D-Erfassung vorhandener Objekte mittels Laser-Scanning-Verfahrens bietet umfangreiche Möglichkeiten für die Dokumentation des Bestandes sowie für die Planungsvisualisierung, die Ausführungskontrolle bzw. die As-Built-Dokumentation neuer Projekte. Dies gilt sowohl für den Anlagenbau, das Bauwesen, die Gebäudeaufnahme und Architektur, die Denkmalpflege und Archäologie als auch für die 3D-Animation im Bereich der Virtual Reality und der Unterhaltung. 1. Einleitung Problemstellung Die Frage nach einer lückenlosen, ausreichend detailgetreuen Dokumentation von Bestandsobjekten stellt Unternehmen oftmals vor große Herausforderungen: Ihr Unternehmen benötigt für die Verwaltung der Gebäude, Anlagen, Behälter, oberirdischer Leitungen etc. sowie für weitere Planungen die genaue Dokumentation Ihres Bestandes. Dabei wurde der Bestand im Laufe der letzten Jahrzehnte immer wieder erweitert. Sie planen die Integration einer historischen Fassade oder eines historischen Gebäudes in Ihr Neubauprojekt bzw. Ihr Neubauprojekt wird im Rahmen einer Nachverdichtung in einen existierenden Immobilienbestand eingebunden. Es muss eine As-Built-Dokumentation Ihres realisierten Projektes zur Qualitätskontrolle bzw. als Basis dauerhafter Bestandsdokumentation vorliegen. Sie wollen z. B. digitalisierte Gebäude, Straßenzüge oder Höhlen für 3D-Animationen verwenden. Häufig liegen genau diese beschriebenen Bestandsdokumentationen nur in unzureichender Form bzw. gar nicht vor. Eine erforderliche detailgetreue Ermittlung dieses Bestandes mit Hilfe konventioneller Vermessungsmethoden ist hierbei allein unter wirtschaftlichen Aspekten oft nicht realisierbar; dies trifft vor allem dann zu, wenn die zu vermessenden Objekte durch eine komplexe Geometrie bzw. hohe Detaildichte gekennzeichnet sind (z. B. Rohrleitungen, verfahrenstechnische Anlagen, Brücken, historische Fassaden etc.). Daneben limitieren z. T. die Einsatzbedingungen des Projektes die Verwendung traditioneller Verfahren. So ist der Zugang zum Objekt aufgrund der Dauer der Messintervalle nicht immer möglich (z. B. zu Gefahrenbereichen, bei laufendem Produktionsbetrieb bzw. Verkehr). In Ermangelung geeigneter Verfahren müssen Planungen all zu oft auf der Grundlage von Informationen durchgeführt werden, die im Hinblick auf eine qualitativ hochwertige und aussagefähige Planung optimierungsfähig sind oder den Ansprüchen möglicherweise nicht genügen. Lösungskompetenz Mit Hilfe des hochmodernen Laserscanners Cyrax 2500 der Fa. Leica Geosystems bietet die ScanIng. GmbH als Lösungsanbieter die dreidimensionale Erfassung sichtbarer Objekte an. Durch die Kombination modernster Messverfahren wird eine schnelle, detailgetreue und effiziente Datenermittlung gewährleistet. Hierdurch ist die 3D-Dokumentation des Bestandes von Grundstücken, deren Grenzen mit Bauwerken, Anlagen, oberirdischen Leitungen etc. zu Verwaltungs- und Planungszwecken inkl. der Darstellung des Soll-Zustandes möglich. Aufgrund der hohen Punktdichte von mehreren Punkten pro Aufnahme erreicht das Laser-Scanning-Verfahren eine hohe Auflösung des erfassten Objektes und verbessert sowohl Aussagekraft als auch die Interpretationssicherheit der Aufnahme in entscheidender Weise. Dadurch ist eine fundierte Aussagekraft und somit eine hohe Interpretationssicherheit gegeben. Die erreichbare Flächengenauigkeit von 2 mm stellt eine entsprechende Genauigkeit für die Masse der Anwendungsgebiete dar. Sollten größere Genauigkeiten erforderlich sein, so wird in diesen Detailbereichen das Verfahren mit geeigneten ergänzenden Messverfahren kombiniert. Daneben bietet das Laserscanning-Verfahren die Erfassung nicht zugänglicher, sichtbarer Gefahrenbereiche sowie von Anlagen in Betrieb bzw. von Baustellen bei laufendem Verkehr. Den Anforderungen an einen flexiblen und schnellen Einsatz wird somit Rechnung getragen; die Verweildauer vor Ort für die Datenermittlung wird minimiert. Die Visualisierung des Aufnahmeobjektes als Punktwolke während des Scans ermöglicht eine unmittelbare Kontrolle der Aufnahme, so dass ggf. verdeckte Objektteile durch zusätzliche Scans ergänzt werden können. Für die Nachbearbeitung werden digitale Daten ohne Zwischenschritte übergeben. Kostenoptimierung und Nutzen Dieses neuartige Verfahren bietet einen deutlichen Kostenvorteil durch einen reduzierten Außendienstaufwand bei einer gleichzeitigen deutlichen Steigerung des Informationsgehaltes der Aufnahme. Das Verfahren bietet damit erhebliches Optimierungspotential sowohl für die Planung als auch deren Umsetzung. Durch die hohe erreichte Informationsdichte wird eine große Planungssicherheit gewährleistet. Werden die Ergebnisse des Laser-Scanning-Verfahrens schon frühzeitig mit in die Planungen einen Projektes eingebunden, so können bereits in diesem Stadium zeitliche Verzögerungen bzw. Nachtragsforderungen z. B. aufgrund von Kollisionen mit den Bestandsobjekten vermieden werden. 200 Der Vermessungsingenieur 2/02 l 3D-Bestandsdokumentation mittels Laserscanning

2 Die während des Scannens gewonnenen Daten stellen das gesamte Objekt dar und können dauerhaft vorgehalten werden. Ergeben sich zu einem späteren Zeitpunkt neue Fragestellungen bzw. Anforderungen für Planungen im Bereich des gescannten Objektes, so können die vorhandenen Rohdaten jederzeit entsprechend den neuen Vorgaben weiterbearbeitet werden; ein erneuter Außendiensteinsatz ist hierfür nicht mehr erforderlich. 2. Anwendungsgebiete und Beispiele Das Verfahren bietet entscheidende Vorteile, sobald eine hohe dreidimensionale Informationsdichte zu Verwaltungs- und Planungszwecken erforderlich ist. Der Anlagenbau bzw. -betrieb, der Stahlund Holzbau, die Projektentwicklung und die Bauausführung sowie die Bestandsaufnahme an Industrie- und Gewerbestandorten sind die klassischen Einsatzgebiete des Laser-Scannings. Dabei spielt die Qualitäts-Sicherung mittels Baukontrollmessung, Kollisionskontrolle sowie As-Built-Dokumentation eine zentrale Rolle. Versicherungen nutzen das Verfahren zur Dokumentation von Vermögens- und Schadenswerten. Denkmalschutz und Archäologie lassen Objekte scannen, dokumentieren auf diese Weise den Bestand und erheben Daten für etwaige Restaurierungsarbeiten. Die Film- und Werbeindustrie verwendet die 3D-Daten für Animationen und Spezialeffekte; viele weitere Anwendungsgebiete erschließen sich zunehmend. Im folgenden werden nun einige Projekte näher dargestellt. Weitere Beispiele finden sich auf den Internetseiten der ScanIng. GmbH ( und der Cyra Technologies Inc. ( Umverteilerstation Für die Erweiterung der bestehenden Anlage werden Horizontal- und Vertikalmaße benötigt. Bestandspläne sind nicht vorhanden. Um kostenintensive Anpassungen von Stahlkonstruktionen vor Ort zu vermeiden, wurde beschlossen, den Bestand der Umverteilerstation zu erfassen. Bild 1: Digitalfoto der Umverteilerstation Bild 2: Die dargestellte Punktwolke ist das Resultat eines Scans. Die dreidimensionale Darstellung erlaubt bereits eine exakte räumliche Orientierung und Zuordnung des gescannten Objektes Bild 3: Modell der gescannten Punktwolke. Der Detaillierungsgrad der Modellierung ist grundsätzlich abhängig von der jeweiligen Aufgabenstellung Bild 4: Schnitte-Plan der Umverteilerstation. Je nach Aufgabenstellung können die erforderlichen Schnitte erstellt werden 3D-Bestandsdokumentation mittels Laserscanning l Der Vermessungsingenieur 2/02 201

3 Bild 5: Digitalfoto der Alten Oper in Frankfurt am Main Bild 6: Frei bewegliche Punktwolke des Objektes. Für diese Darstellung wurden mehrere Einzelscans zu einer Gesamtpunktwolke miteinander verknüpft Bild 7: Fotorealistische Darstellung der Alten Oper. Die verwendeten Farben können frei gewählt werden Im ersten Schritt wurde von der Umverteilerstation mit dem Scanner ein Digitalphoto erstellt (s. Bild 1). Dieses diente sowohl zur Festlegung des zu scannenden Bereiches vor Ort, als auch zur späteren Orientierungsunterstützung für den Innendienst. Anschließend wurde die Umverteilerstation mit dem Laserscanner gescannt. Innerhalb von nur 30 min wurden ca. 1 Mio. dreidimensionale Koordinaten ermittelt (s. Bild 2). Die mit hohen Kosten verbundene Abschaltung der Anlage (mit herkömmlichen Messmethoden unumgänglich) wurde vermieden. Eine vergleichbare Station wurde abgeschaltet und konventionell aufgemessen. Bei deutlich geringerem Detaillierungsgrad waren zwei Mitarbeiter drei Tage mit der traditionellen Vermessung befasst. Ohne weitere Bearbeitung ist die Ermittlung diskreter Maße möglich. So können Abstände der Träger voneinander etc. direkt vor Ort aus der unbearbeiteten Punktwolke gewonnen werden. Mit Hilfe der durch den Scan gewonnenen Daten wurden die relevanten Anlageteile modelliert (s. Bild 3). Das Modell wird zur 3D-Planung über Schnittstellen an andere CAD-Systeme übergeben und stehen dort zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Für die 2D-Planung können in beliebigen Ebenen Schnitte durch das Modell gelegt werden (s. Bild 4); geplante Erweiterungen lassen sich zur Kollisionskontrolle im Modell ergänzen. Alte Oper, Frankfurt am Main Die Alte Oper stellt mit ihrer eindrucksvollen Fassade eines der Frankfurter Wahrzeichen dar (s. Bild 5). Regelmäßig müssen zur Erhaltung dieser Fassade Renovierungs- bzw. Restaurierungsarbeiten durchgeführt werden. Auch hier wurde im ersten Schritt ein Digitalfoto des Aufnahmeobjektes erstellt. Mit hoher Auflösung wurde die Hauptfassade detailgetreu erfasst (s. Bild 6). Die Daten der Punktwolke wurden ohne weitere Bearbeitung gespeichert und stehen jederzeit für notwendige Renovierungsbzw. Restaurierungsarbeiten zur Verfügung. Aus diesen Daten können bereits Maße wie Fensterhöhen, Abstände von Stürzen etc. direkt ermittelt werden. Die fotorealistische Darstellung der Oper ist über den standardisierten Arbeitsschritt der Dreiecksvermaschung schnell umsetz- 202 Der Vermessungsingenieur 2/02 l 3D-Bestandsdokumentation mittels Laserscanning

4 bar (s. Bild 7). Eine derartige Darstellung einer Gebäudefassade kann auch eindrucksvoll für PR- und Marketing-Aktionen verwendet werden. Markuskirche, Frankfurt am Main Aus- und Umbaumaßnahmen erfordern das detailgetreue Aufmaß der verwinkelten Fassade des Gebäudes. Für die Bestandsermittlung der Kirchenschiffe wurden Laser-Scanning-Verfahren und Theodolithverfahren sinnvoll miteinander verknüpft. Zunächst wurden von den relevanten Bereichen Digitalfotos erstellt (s. Bild 8). Die Messdaten von vier Scans geben bereits genaue Auskunft über die Innenmaße des Hauptschiffs der Kirche (s. Bild 9). Die einzelnen Aufnahmen wurden über Passpunkte zu einer einzigen dreidimensionalen Punktwolke zusammengefügt. Hierdurch wurden alle verdeckten Bereiche erfasst. In der Nachbearbeitung wurden der Altarraum sowie Wände und Stützen modelliert (s. Bild 10). Die Verknüpfung der Scans erlaubt ein Durchlaufen der Kirche vom Vorplatz bis zum Altarraum. Auf diese Weise lassen sich neben den herkömmlichen Planungsunterlagen auch frei begehbare 3D-Welten erzeugen (VRML- Dateien). Sämtliche Maße sind über CAD- Programme abzugreifen. Bild 8: Digitalfoto der Markuskirche in Frankfurt am Main Holzbrücke über die Nidda, Bad Vilbel Die Holzkonstruktion überbrückt innerhalb einer Parkanlage im Zentrum Bad Vilbels die Nidda (s. Bild 11). Für etwaige Erweiterungsarbeiten bzw. für städtische PR-Maßnahmen muss die Bestandsdokumentation bzw. das Modell vorliegen. Durch die Verknüpfung von 12 Einzelscans mehrerer Standorte wurde die Brücke in ihren drei Dimensionen vollständig abgebildet die Brücke ist hiermit begehbar und steht als fundierte Planungsvisualisierung zur Verfügung (s. Bild 12). Mit einem Außendienstaufwand von 1,5 Mann-Tagen konnte die schwierig aufzunehmende Geometrie der Brücke vollständig erfasst werden. Mit konventionellen Methoden läge der Außendienstaufwand für ein derartig detailgetreues Aufmaß bei ca. 15 Mann-Tagen. In modellierter Form steht die Brücke als Gesamtobjekt für eine animierte Darstellung des Stadtzentrums zur Verfügung (s. Bild 13). Bild 9: Punktwolke des Hauptschiffes der Kirche. Die verschiedenen Farben entstehen aufgrund des unterschiedlichen Reflektionsverhaltens der gescannten Materialien Bild 10: Modell des Hauptschiffes. Zur besseren Darstellung wurden die Kirchenbänke nicht mit modelliert 3D-Bestandsdokumentation mittels Laserscanning l Der Vermessungsingenieur 2/02 203

5 Zusammenfassung Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass das eingesetzte Laser-Scanning-Verfahren hervorragend zur umfassenden 3D- bzw. 2D-Dokumentation des Bestandes geeignet ist. Diese Daten stellen für Planungsarbeiten jeglicher Art eine Grundlage dar, die sich durch eine hohe Interpretationssicherheit und Qualität der Aussage auszeichnet. Der dabei vergleichsweise geringe Außendienstaufwand sowie die Fülle der gewonnenen Information bewirken einen hohen Nutzen-Kosten-Quotienten. Die Planung wird spürbar optimiert. Bild 11: Digitalfoto der Brücke über die Nidda in Bad Vilbel Das Laser-Scanning-Verfahren stellt somit eine schnelle, hochgenaue, zuverlässige und kostengünstige Grundlage für Planungen aus dem Bestand heraus dar. Autoren Dr. Markus Kühnhardt, ScanIng. GmbH, An der Welle 4, D Frankfurt am Main, Thomas Schock, Leica Geosystems GmbH Vertrieb, Hans-Bunte-Str. 5, D München, Bild 12: Punktwolke der Holzbrücke. In Abhängigkeit der Aufgabenstellen kann auch die vorhandene Vegetation mitmodelliert werden 55 x 115 cm Bild 13: Modell der Holzbrücke. Dies kann in virtuelle Stadtrundgänge integriert werden 204 Der Vermessungsingenieur 2/02 l 3D-Bestandsdokumentation mittels Laserscanning