Punktwolken Auswertung

Was ist eine Punktwolke und wie findet die Punktwolken-Auswertung statt?

Eine Punktwolke ist eine Ansammlung von sehr vielen Messpunkten zur Dokumentation und Vermessung. Diese Punktwolke wird im Wesentlichen von Laserscannern erzeugt. Diese Messgeräte arbeiten mit unterschiedlichen Aufnahmeverfahren, welche allesamt tausende bis hunderttausende Messpunkte pro Sekunde erzeugen. Diese Vielzahl an Messpunkten, der sogenannten Punktwolke, dient zur Erzeugung und Visualisierung von Bestandsdaten für verschiedenste Bereiche. Punktwolken können Reflexions- und Farbinformationen besitzen und damit ein realitätsnahes Abbild wiederergeben.

Erstellung von Punktwolken

Für die Erstellung von Punktwolken existieren verschiedene Möglichkeiten. Die meistgenutzte Variante ist das Laserscanning. Dabei werden mit Hilfe eines Laserstrahls und dessen Reflexion 3D-Messpunkte auf Oberflächen erstellt. Laserscanner erreichen Aufnahmegeschwindigkeiten von bis zu 2 Millionen Punkte pro Sekunde. Im Bereich der Laserscanner wird zwischen terrestrischem und mobilem Scanning unterschieden.

 

 

 

Terrestrisches Laserscanning

Bei dem terrestrischen Scanning bleibt das Messgerät in seiner Lage unverändert und erstellt aus seinem Standpunkt ein 360°-Abbild der Umgebung. Um diese Umgebung in seiner Gesamtheit abbilden zu können, werden mehrere Standpunkte benötigt, welche miteinander verknüpft werden. Dieser Prozess ist die Registrierung der Scandaten.

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Mobiles Laserscanning

Das mobile Scanning basiert ebenfalls auf der Messung durch einen Laserstrahl. Allerdings wird die Messung in der Bewegung durchgeführt, beispielsweise beim Gehen oder Fahren. Die Positionsänderungen werden mit hochpräzisen Sensoren und einem geeigneten Verarbeitungsalgorithmus zu einer Punktwolke zusammengeführt.

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Photogrammetrie

Zur Erstellung von Punktwolken ist auch das photogrammetrische Verfahren sehr beliebt. Durch die Aufnahme von vielen Kamerabildern pro Sekunde und dessen Verarbeitung können ebenfalls präzise und großvolumige Punktwolken extrahiert werden. Dieses Verfahren wird für hauptsächlich für Drohnenbefliegungen (großvolumige Messungen mittels UAV) als auch für Handscanner (kleinvolumige Messungen) verwendet.

Verarbeitung und Auswertung von Punktwolken

Die erstellten Rohdaten während der Messung müssen in dafür vorgesehenen Softwarelösungen zunächst verarbeitet werden. Viele Hersteller von Messgeräten bieten auch die dazugehörige Software an. Jedoch ist der Markt an verfügbarer Software groß und die Eignung dieser stark vom Anwendungsfall abhängig.

Die Verarbeitung (auch Prozessierung genannt) von terrestrischen Scans besteht darin, die Punktwolken der einzelnen Standpunkte zu erzeugen und diese dann zu einer Gesamtpunktwolke zu verknüpfen.

Wie findet die Auswertung von Punktwolken statt?

Auswertung terrestrischer Scans

Der Trend der Auswertung geht hin zu einer automatisierten Lösung. Per Knopfdruck werden die Standpunkte an die korrekte Stelle gebracht und nach einer gewissen Prozessierungszeit liegt das Ergebnis zur Weiterverarbeitung vor.

Die Verknüpfung kann über Zielmarken oder anhand der Punktwolke selbst (Cloud-to-Cloud) geschehen. Zielmarken (wie Referenzkugeln oder Schachbrett-Zielmarken) werden für die Messung in der Umgebung verteilt und dienen durch ihre feste Position als Verknüpfungspunkte. Diese Methode ist sehr zuverlässig, erfordert jedoch auch bei der Aufnahme der Scans einer gewissen Sorgfalt im Umgang mit den Zielmarken.

Die Cloud-to-Cloud-Lösung ist eine automatisierte Variante, bei der die Software anhand der Umgebungsgeometrien (natürliche Features) die Verknüpfungspunkte zwischen den Scans findet. Überlappungsbereiche zwischen den Standpunkten dienen der Ausrichtung der einzelnen Scans.

Für die Auswertung von terrestrischen Scans können verschiedene Softwarelösungen (beispielsweise PointCab, FARO Scene, Autodesk ReCap, Scantra) verwendet und miteinander kombiniert werden.

Auswertung mobiler Scans

Bei mobilen Scans kommen verschiedene hochmoderne Sensoriken zusammen, welche während der Messung Daten erzeugen. Diese Daten werden in dafür vorgesehene, meist herstellerseitige, Software importiert und verarbeitet. Verschiedene Verarbeitungsalgorithmen werden für die Erstellung der Punktwolke verwendet.

Mobile Scans kommen für gewöhnlich ohne Zielmarken zur Verknüpfung aus, sondern arbeiten hauptsächlich Cloud-to-Cloud. Der Einsatz von Zielmarken erlaubt jedoch genauere Ergebnisse und ist insbesondere in sehr monotonen, merkmalsarmen Scanumgebungen anzuraten.

Hersteller mobiler Scansysteme sind beispielsweise GeoSLAM und FARO.

Wie wird die Punktwolke aus den Scandaten generiert?

Die Auswertung von Aufnahmen für die Erstellung von Punktwolken ist ein sehr rechenintensiver Prozess. Viele tausend Rohbilder werden in geeigneter Software verarbeitet. Die dabei verwendeten Algorithmen sind hochkomplex. Aus den Bildern werden Dreiecksvermaschungen erstellt, woraus dann in einem weiteren Schritt die Punktwolke extrahiert werden kann. In manchen Messgeräten, welche mit dieser Technologie arbeiten, findet auch eine Vorabregistrierung in Echtzeit statt. Dort erkennt man dann zunächst grob, ob die Geometrie erfasst wurde. Mittels geeigneter Verarbeitungswerkzeuge werden die Ergebnisse präzisiert, sodass ein hoher Detailgrad und hohe Genauigkeiten erreicht werden können.

Weiterverarbeitung von Punktwolken – Welche Möglichkeiten gibt es?

Die Punktwolke ist in den meisten Fällen nicht das Endprodukt, sondern zunächst die Datengrundlage. Je nach Anwendung werden die 3D-Daten unterschiedlich weiterverarbeitet. Es lassen sich aus den Daten Informationen extrahieren, aber auch einfache Messungen vornehmen.

Genaue Pläne basierend auf Punktwolken erstellen

Für Planungszwecke wird häufig eine Zeichnung des betroffenen Bereiches erstellt. Dabei dient die Punktwolke als Konstruktionsgrundlage für 2D-Zeichnungen und 3D-Modelle. Es wird ein CAD-Modell erzeugt, das als Basis für vielseitige Folgearbeiten dient. Die Punktwolke sorgt dafür, dass das Zeichnen von Bestand genauer und fehlerfreier wird. Aus einer breiten Bibliothek können standardisierte Formen übernommen und passgenau an die Punktwolke angelegt werden.

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Punkwolken für die Visualisierung nutzen

Zu Visualisierungszwecken kann die Punktwolke auch als Grundlage für fotorealistische Renderings oder die Videoerstellung genutzt werden. So lassen sich beispielsweise beeindruckende „Fly through“-Videos durch eine modellierte 3D-Umgebung erzeugen.

Eine andere Anwendung ist die Erstellung digitaler 3D-Touren.

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Daten für den 3D-Druck erzeugen

Auch der 3D-Druck ist eine Möglichkeit der Weiterverarbeitung. Durch die Erstellung einer Vermaschung aus der Punktwolke werden Flächen erzeugt, die in ein 3D-druckbares Format gebracht werden können.