3D-Laserscanning - so geht´s

Der Erfolg des digitalen Planens und Bauens hängt ganz entscheidend davon ab, wie gut die Daten sind, die für den Planungs- und Ausführungsprozess zur Verfügung stehen. Diese Daten werden mittlerweile immer häufiger mittels 3D-Laserscanner gewonnen. Hierbei nimmt ein Rotationslasergerät Werte auf, die anschließend mithilfe entsprechender Software als einzelne Raumpunkte in Form einer sogenannten Punktwolke visualisiert werden. Wie das 3D-Laserscanning funktioniert, erfahren Sie in dem nachfolgenden Fachartikel von Frank Postel, Leiter der Akademie Bauhandwerk der Handwerkskammer Münster.

 

 

Einsatzmöglichkeiten und Verwendungszweck

Der 3D-Scanlaser (auch Laserscanner genannt) kann eingesetzt werden u.a bei der/dem:

• Erfassung von Bestandsgebäuden (Erstellen von Regelzeichnungen aus der Punktwolke)
• Erfassung von historischen, denkmalgeschützten Gebäuden (verformungsgerechtes Aufmaß)
• Soll-Ist Vergleich (Abgleich der gebauten Wirklichkeit mit der Planung)
• Gebäudedatenmodellierung für die Nutzung unter BIM (Building Information Modeling)
• Erfassung des Ist-Zustandes (z.B. nach Unfällen, Bränden)

 

Allgemeines zum 3D Scanlaser

Das 3D-Laserscannen beruht auf dem Prinzip der Strahlverfolgung bzw. dem Entfernungsmessen mittels Laserstrahl. Der Scanner sendet in äußerst kurzen Zeitabständen Laserimpulse aus. Die gepulsten Photonen besitzen eine hohe Energie. Sie werden vom anvisierten Gegenstand reflektiert und im Sender wieder detektiert.

 

Abb. 1, Entfernungsmessung mit gepulstem Laserlicht

 

Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, kann die Strecke aus der Laufzeitmessung berechnet werden. Die Raumkoordinaten eines anvisierten Punktes -  bezogen auf den Standpunkt des Scanners - können leicht berechnet werden, da Horizontal- und Höhenwinkel implizit gemessen werden.

 

Abb.: 2, Bestimmung der Raumkoordinaten des Punktes P1 (Rot)

 

Tachymetrie als Vorstufe zum Scannen mit dem Laser

Bei einer Bauaufnahme mithilfe der Tachymetrie könnte ein Objekt durch explizite Aufnahme von diskreten Raumpunkten beschrieben werden. Im Beispiel sind 14 Raumpunkte angezeigt:

Abb.: 3, Erfassung der Gebäudegeometrie mithilfe der Tachymetrie

 

 

Der Nachteil ist offensichtlich: Um den Aufwand für die Erfassung zu beschränken, werden diskrete Raumpunkte erfasst. Die Zwischenpunkte werden dann „freihändig“ interpoliert. Bei geradlinig begrenzten Baukörpern ist dies in der Regel kein Problem, da die Punkte einfach miteinander verbunden werden können. Anders ist dies bei unregelmäßig geformten, stark gegliederten Baukörpern. Hier wächst der Aufwand schnell exponentiell an.

Ein Scanlaser arbeitet ähnlich, aber wesentlich komplexer. Der Laserstrahl rotiert sowohl um seine horizontale, als auch um seine vertikale Achse (Hochachse). Dabei tastet er den Baukörper sozusagen millimetergenau ab und erzeugt aus den erfassten Punkten eine sogenannte Punktwolke.

 

 

Abb.: 4, Rotation des Scanners

 

Aufgrund der vorgenannten Bewegung des Laserstrahls erfasst der Scanner alle Punkte innerhalb einer gedachten Halbkugel. Der Radius der Halbkugel wird dabei von der Leistungfähigkeit des Lasers und der Güte des reflektierten Signals bestimmt. Bei der Vermessung von Gebäuden liegt die Entfernung, bis zu der Signale noch einwandfrei reflektiert und erkannt werden, bei etwa 150 m.

Abb.: 5,     Scanbereich mit „Schattenzone“ unterhalb des Scanners

 

Punktwolken

Die gescannten Objekte können anschließend mithilfe entsprechender Software als einzelne Raumpunkte in Form einer sogenannten Punktwolke visualisiert werden.

Üblichwerweise besitzen die Punkte keine Farbinformationen, da es sich ja lediglich um die Reflexion des Laserstrahls handelt. Eine Farbgebung kann man aber gezielt einsetzen, wenn zusätzliche Informationen transportiert werden sollen, z.B.:

• Intensität des Signals
• Ausrichtung der Flächennormalen
• Erhebung über Gelände
• LAS Klassifizierung (gibt den Objekttyp an, der den Laserpuls reflektiert hat)

Im dargestellten Fall (vgl. Abb. 6), wird mit der Farbgebung die Höhe des Punktes über dem Standpunkt (Erhebung) codiert. In einem entsprechenden Computerprogramm könnte man anhand der Farbskala den Höhenbereich zuordnen. Hier etwa: Gelb H = 1,50 … 2,00 m.  

 

 

Überlagern der Punktwolken  

Will man die Fassade eines Gebäudes vollständig scannen, muss der Scanner in der Regel an mehreren Positionen aufgestellt werden, um auch die Punkte zu erfassen, die sozusagen im „Scan-Schatten“ liegen. Es gilt das Prinzip: Nur das, was ein Mensch sieht, kann auch vom Scanner erfasst werden. Die aus den unterschiedlichen Perspektiven erzeugten Punktwolken müssen später mit entsprechender Software in einem komplexen mathematischen Prozess zu einer gemeinsamen Punktwolke verschmolzen werden. Danach liegt das Gebäude (zumindest die in diesem Fall gescannte äußere Hülle) als dreidimensionales Abbild im Computer vor.

 

Fotos aus der Punktwolke

Zusätzlich den Punktwolken können im Nachgang zum eigentlichen Scannen Fotos erstellt werden. Diese werden von einer speziellen Software koloriert und auf die Punktwolke verzerrt. Dadurch können wahre Längen aus den Fotos abgemessen werden, auch wenn das Foto selber perspektivisch verzerrt ist. Das Bild unten (Abb. 7) zeigt ein Foto mit einem Balken. Da die Raumkoordinaten jedes Pixels bekannt sind, können hier wahre Längen aus der Koordinatendifferenz berechnet und angezeigt werden - und dies millimetergenau!

 

 

 

Erstellen von Zeichnungen aus der Punktwolke

Häufig reicht es nicht aus, nur eine Ansammlung von Raumpunkten zur Verfügung zu haben. Immer dann, wenn für die weitere Arbeit Pläne erforderlich sind, muss aus der Punktwolke eine Zeichnung erstellt werden. Der Versuch aber, Pixel für Pixel miteinander zu verbinden um eine CAD-Zeichnung zu erzeugen, scheitert an der Komplexität der Aufgabe. Da die Punktwolke eine millimetergenaue Abbildung liefert, muss man sich außerdem die Frage stellen, welches Pixel beschreibt denn nun die Oberfläche einer Wand, oder welches Pixel referenziert die Kante/Ecke eines Bauteils? Hier wird es immer auf eine Art Mittelwertbildung aller Punkte hinauslaufen.

Die beiden Abbildungen zeigen, wie zum Beispiel in AutoCAD Kanten oder Punkte aus Referenzebenen erzeugt werden können. Diese Referenzebenen werden im Prinzip aus dem Mittelwert der „z-Koordinaten“ der jeweiligen Flächen erzeugt.

 

Abb.: 8, Erzeugen einer Linie an der
Schnittlinie

 

Abb.: 9, Erzeugen eines Punktes im Schnittpunkt von zwei planbaren Ebenen

 

Etwas zum Staunen zum Schluss

Welche enorme Präzision sowohl bei den mechanischen als auch bei den elektronischen Bauteilen nötig ist, belegt das folgende Beispiel:

Die kürzeste Entfernung, die noch sinnvoll gemessen werden kann, beträgt etwa 30 cm. Das entspricht 0,30 m bzw. 0,0003 km. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300.000 km/sek. Das Licht benötigt für die 30 cm eine Zeit von 0,000.000.001 Sekunden = eine Nanosekunde. Das ist der Milliardstel Teil einer Sekunde oder der Millionste Teil einer tausendstel Sekunde. Vom Verlassen des Laserimpulses bis zum Empfangen des reflektierten Strahles vergehen gerade 2 Nanosekunden. In dieser Zeit muss das Gerät das Abschicken und Empfangen des Impulses registrieren - eine unglaubliche technische Leistung.