Der 3D-Laserscanner Cyrax 2500 und erste Projekte zu seiner Anwendung in der Praxis

Autor: Helge Köhncke
Titel: Der 3D-Laserscanner Cyrax 2500 und erste Projekte zu seiner Anwendung in der Praxis
Art: Diplomarbeit
Jahr, Nr.: 2002, #371
Betreuer: Dipl.-Ing. Thomas Weber (TU München, LfG)

 

Aufgabenstellung

Der von Leica vertriebene Laser-Scanner Cyrax 2500 des Lehrstuhls für Geodäsie soll anhand von verschiedenen Versuchen auf Qualität der ausgegebenen Koordinaten in Hinsicht der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse untersucht werden. Des Weiteren ist Aufgabe der Diplomarbeit, den praktischen Einsatz des Laser-Scanners und der zugehörigen Software Cyclone 3.0 anhand von zwei Projekten zu beschreiben. Im ersten soll festgestellt werden, ob der Laserscanner sich zur Dokumentation des Baufortschritts eignet und welche Maßnahmen zu beachten sind, einen Einsatz zu realisieren. Im zweiten Projekt wird in der sanierungsbedürftigen Venusgrotte des Schlosses Linderhof ein Ausschnitt einer Felsnachbildung in einem Modellprojekt erfasst. Die gewonnenen Daten sollen so aufgearbeitet werden, dass das gewählte Detail geometrisch nachgebildet werden kann. Bei der Auswertung mit Cyclone sind der Zusammenschluss von Einzelscans zu einem Verband und die Modellierung zu erproben.

Motivation

In den letzten Jahren hat in der Vermessung die berührungslose Erfassung von räumlichen Daten sowie deren digitale Bearbeitung und Darstellung immer mehr an Bedeutung gewonnen. Sei es für genaue Planungen bei Erweiterungen und Sanierungen von Gebäuden oder ganzen Gebäudekomplexen bis hin zu 3D-Stadtmodellen. Bisher war die Erfassung der Daten sehr aufwendig. Mit den herkömmlichen Messverfahren werden Einzelpunkte beobachtet, die bei der Auswertung z.B mit CAD-Software zu Objekten zusammengefasst werden. Der erfahrene Beobachter, der hierzu erforderlich ist, nimmt bei der Messung vor Ort die Punktauswahl vor. Zur Reduzierung des Messaufwandesbestimmt dieser ein Minimum an aufzunehmenden, diskreten Punkten. Die Forderung nach einer schnellen, lückenlosen Erfassung der Objektgeometrie, führte zur Entwicklung von 3D-Laser-Scannern. Von diesen Systemen wird das Objekt mittels eines Lasers automatisch mit einem gleichmäßigen Raster abgetastet. Das Messergebnis liegt sofort als eine dreidimensionale Punktwolke vor.

Vorarbeiten

Die Diplomarbeit begann mit einer von Cyra durchgeführten, einwöchigen Schulung am Laserscanner Cyrax 2500 und der zugehörigen Software Cyclon (Version 3.0), bei der die Vorgehensweise zur Datenerfassung, die Verknüpfung mehrer Aufnahmen (Registrierung) und schließlich die Modellierung der Daten gelehrt wurden.

Bei ersten Genauigkeitsuntersuchungen des Cyrax 2500 im Vergleich zu einem reflektorlos messenden Tachymeter (Leica TCR307) auf verwendete Passmarken, zeigten sich in der Ausgleichung keine signifikanten Abweichungen im Rahmen der Messgenauigkeit der beiden Messysteme.

Ermittlung des Baufortschritts mit einem 3D-Laserscanner

In dem Projekt Altstadtring war die Einsatzmöglichkeit eines Laser-Scanning -Systems zur Leistungsfeststellung und Dokumentation auf einer Baustelle zu Untersuchen. Für die Untersuchung stand eine Baustelle der Bayerischen Hausbau AG am Altstadtring in München, wo ein fünfstöckiges Bürogebäude errichtet wird. Es wurde beschlossen den Baufortschritt vom Fundament bis zum Erdgeschoss zu erfassen. Damit konnten erhöhte Standpunkte am Rand der Baugrube gewählt werden, die eine gute Übersicht über das Baufeld ermöglichen. Allerdings durften keine Tätigkeiten außerhalb der Bauzeiten getätigt und der Bauablauf zu keinem Zeitpunkt gestört werden.

Erschwert wurde die Aufgabe durch eine geeignete Zeitpunktfindung, an dem der Laserscan durchgeführt wird. Anhand von Beobachtungen hat sich gezeigt, dass teilweise innerhalb von 24 Stunden z.B. die Wandverschalung abgenommen und die Deckenverschalung für die nächste Etage angebracht wurde. Teilweise werden Verschalungen von Pfeilern, damit diese mehr Zeit zum Aushärten haben, erst entfernt, nachdem das nächste Stockwerk begonnen wurde. In solchen Fällen führt nicht mal eine tägliche Messung zu einem vollständigen Modell. Sollen Nachmessungen vermieden werden, bedarf es einer sehr engen Absprache mit der Bauleitung und der Scanner müsste immer ständig vor Ort sein.

Der Einsatz des Laserscanners zur Ermittlung des Baufortschrittes bringt außer den besseren Möglichkeiten die Geometrie zu überprüfen, keine Vorteile gegenüber einer fotographischen Dokumentation. Nachteilig wirken sich die Witterungsanfälligkeit des Messsystems und eine unzureichende Standpunktfindung für die Datenerfassung aus, speziell für die höhergelegenen Stockwerke.

Nachbildung komplexer Strukturen aus einer Punktwolke

Für eine Nachbildung der baufälligen Venusgrotte in Schloss Linderhof soll das Laser-Scanning-System zur Erfassung der Grotte eingesetzt werden. Bei dieser ersten Untersuchung soll ein Profil der Hauptgrotte als Übersicht erstellt werden. Anhand eines gescannten Felsdetails soll die Möglichkeit untersucht werden, die gescannten Daten für eine Nachbildung mit einer CNC-Fräse aufzubereiten.

Die Venusgrotte ließ König Ludwig II 1876/77 nach einem Entwurf des Landschaftsplastikers August Dirigl bauen. Damals wurden über Kellerräumen, gewölbte Wände aufgemauert, die durch Pfeiler, Eisenverstrebungen und Gewölbegurte getragen wurden. Diese Konstruktion wurde mit Erdreich überzogen und fügte sich so harmonisch in die Landschaft ein. Sie ist etwa 100 m lang und bis zu 17 m hoch und gliedert sich in eine Vor- und eine Hauptgrotte, in welcher sich in der Mitte ein kleiner See befindet.

Für die Profilmessungen bestand das Problem, die Scans miteineánder zu verknüpfen. Es war z.B. für die Aufnahme der Decke nicht möglich, eigene Passpunkte anzubringen. Als Ausweg dienten zum einen die Spitzen der Stalaktiten, die gut als Punkte im raum auszumachen und so als natürliche Passpunkte zu benutzen waren. Zum anderen existieren in der Grotte Zielmarken von einer photogrammetrischen Aufmessung, die bei einer feineren Scanauflösung sehr gut in der Punktwolke sichtbar waren. Für das Aufmaß der Hauptgrotte wurden acht Standpunkte benötigt.

Aus der zusammenregistrierten Punktwolke konnten anschließend Schnitte durch die Grotte gelegt werden. Für die nachbildung eines Felsdetails lagen keine Erfahrungswerte vor, welche Scanauflösung zu einem guten Ergebnis führt. Um diese zu ermitteln, wurde ein detail mit unterschiedlicher Dichte erfasst. und der gewählte Ausschnitt mit verschiedenen Fräsköpfen mit unterschiedlicher Rasterung nachgebildet.

Bei allen Modellen ist die Oberflächenstruktur zu erkennen. Die Modelle 1 und 4 sind so ähnlich, dass auf jeden Fall eine geringere Auflösung von 3x3 mm ausreichend ist. Allerdings ist zu sehen, dass die Oberfläche im vergleich zum Original, das eine glatte Oberfläche hat, zu unruhig ist. Dies ist allein auf das Messrauschen in der Distanzmessung zurückzuführen. Die Messgenauigkeit für den Einzelpunkt ist zu gering, um aus den Daten direkt ein Modell zu fertigen.

Grundsätzlich ist eine Nachbildung der Venusgrotte möglich. Allerdings mus die Aufbereitung der Daten verbessert werden. Eine Möglichkeit hierzu wäre über Wiederholungsmessungen gemittelte Koordinaten zu bestimmen und damit das Rauschen zu minimieren. Dies erhöht jedoch den Meßaufwand und die Datenmenge erheblich und ist daher nicht zu empfehlen. Ein anderer Weg wäre eine Lösung über ein mathematisches Modell, so dass eine bestangepasste Fläche durch die Punktwolke berechnet wird. Hierfür kämen Splinefunktionen in Betracht.

Auch eine Weiterentwicklung von Cyclone bleibt zu beobachten. So ist bereits für die Version 3.1 angekündigt, dass es eine Möglichkeit geben wird, die Maschengröße für die Vermaschung der Punktwolke zu ändern. Eventuell muss hier zukünftig auf keine Fremdsoftware mehr zurückgegriffen werden.

Fazit

Die 3D-Laser-Scanning-Systeme sind ein großer Schritt in der Vermessung. Hiermit ist eine Erfassung mit hoher Punktdichte von Objekten in kuzer Zeit möglich. Neben der technischen Bauweise des Scanners hat die Verarbeitung der Daten die größere Bedeutung. Bei beiden Projekten verlangte die Auswertung wesentlich mehr Zeit als die Vermessung vor Ort. Die Punktwolken mit Millionen Punkten sind schnell erfasst, bringen aber nur einen Vorteil, wenn eine sinnvolle Auswertung über entsprechende Software möglich ist. Das Laserscanning System Cyrax 2500 mit Cyclone 3.0 erfasst Objekte in kurzer Zeit mit einer hohen Genauigkeit. Ein Vorteil ist dies vor allem bei Meßprojekten, zu denen man eine weite Anreise hat und im voraus eine Einschätzung des benötigten Detailierungsgrades nicht oder nur schwer möglich ist. Außerdem sind bei Veränderungen der Projektanforderungen keine Nachmessung nötig. Die Priorität des Projektes verlagert sich von der Messung hin zur Auswertung. Die Software Cyclone 3.0 ist, was die Modellierung angeht, stark auf den Anlagenbau und die Industrie ausgerichtet. Für das Projekt Altstadtring waren die Funktionalitäten völlig ausrechend. Beim zweiten Projekt hat sich aber gezeigt, dass die Auswertung der Daten hiermit nicht sinnvoll zu bewerkstelligen war. Im Ganzen ist das Laserscanning System Cyrax 2500 mit Cyclone 3.0 sehr positiv zu bewerten; es besteht jedoch noch großes Entwicklungspotential auf der Softwareseite.