WAS IST EINE PUNKTWOLKE?
GRUNDWISSEN: WAS IST EINE PUNKTWOLKE UND WIE ENTSTEHT SIE?
Was eine Punktwolke (engl. point cloud) ist, lässt sich am einfachsten mit Hilfe eines „Gadgets“ erklären, dass in den 00er Jahren den Höhepunkt seiner Popularität erreicht hat und heute vorrangig für Präsentationen eingesetzt wird: der Laserpointer.
Mit dem Laserpointer lässt sich in einer geraden Linie ein exakter Punkt anstrahlen. Wenn man nun weiß, wo genau im Raum sich der Laserpointer befindet, lässt sich auch genau bestimmen wo der Punkt liegt, der angestrahlt wird. Der Laserstrahl ist schließlich kerzengerade und ermöglicht es so, die exakte Position des Punktes im Raum in Relation zum Ursprung (dem Laserpointer) zu berechnen. Nach diesem Grundprinzip, nur ein wenig komplexer, werden auch geodätische Punkte im Vermessungswesen gemessen. Anstelle eines Laserpointers werden dafür spezielle Tachymeter eingesetzt.
Und was hat das jetzt mit Punktwolken zu tun? Ganz einfach. Neben Tachymetern werden zur Vermessung in den letzten Jahren immer häufiger Laserscanner eingesetzt. Auch diese arbeiten grundsätzlich wie unser Laserpointer, nur können sie tausende oder sogar Millionen Punkte gleichzeitig messen. Zusammengenommen bilden alle gemessenen Punkte also die Punktwolke.
Wozu werden Punktwolken verwendet?
Punktwolken enthalten unglaublich viele Informationen, denn jeder einzelne Punkt in der Punktwolke hat seine eigenen X,Y und Z Koordinaten. Scannen wir also z.B. eine Treppe mit einem Laserscanner, können wir mit Hilfe der entstandenen Punktwolke genau bestimmen, wie gerade die einzelnen Stufen sind, an welchen Stellen die Treppenstufen abgenutzt sind und wie hoch die Abweichung von der Baunorm ist. Entsprechend kommen Laserscanner und die Punktwolken die sie produzieren immer dann zum Einsatz, wenn man bestehende Strukturen genau dokumentieren möchte, um sie beispielsweise zu digitalisieren, zu vermessen oder zu verändern.
Bei der Konstruktion und Optimierung von Produktionsteilen, beispielsweise in der Autoindustrie, werden meistens sehr hochauflösende Handscanner eingesetzt, die selbst kleinste Details und Abweichungen erfassen. So lässt sich am PC ein digitaler Zwilling erstellen. Mit Hilfe des Zwillings können dann neue Prototypen erstellt und Verbesserungen digital simuliert und getestet werden.
In der Baubranche und Bestandsdokumentation von Gebäuden kommen verschiedene Scanner zum Einsatz. Je nach Objekt meistens terrestrische oder mobile Laserscanner und manchmal sogar Drohnen. Mit Ihnen werden Gebäude aus den verschiedensten Gründen gescannt, z.B. um einen Anbau oder eine Renovierung zu planen, um neue Anlagen in Produktionsgebäuden optimal zu platzieren oder den Baufortschritt von verschiedenen Bauprojekten zu dokumentieren.
Dies sind nur einige Anwendungsbeispiele. Überall dort, wo Objekte genau erfasst und digitalisiert werden müssen kommen Punktwolken zum Einsatz. Je nach Anwendungsgebiet werden dabei verschiedene Laserscanner verwendet, die verschiedene Genauigkeiten und Punktwolkengrößen produzieren.
Wie arbeitet man mit Punktwolken?
Wie man am besten mit Punktwolken arbeitet, hängt vor allem davon ab, welches Ziel man verfolgt. Wie bereits erwähnt kommen verschiedene Laserscanner für verschiedene Anwendungsgebiete zum Einsatz. Ähnlich verhält es sich auch mit der Software, die zur Auswertung der Punktwolken verwendet wird. Unsere Softwarelösung Origins wird beispielsweise verstärkt dort eingesetzt, wo bestehende Gebäude- oder Landschaftsstrukturen digital erfasst werden sollen.
Unabhängig davon, welche Hard- und Softwarelösungen zum Einsatz kommen steht allerdings zwischen der Erfassung und der Auswertung der Punktwolkendaten ein wichtiger Schritt: die Registrierung.
PUNKTWOLKENREGISTRIERUNG
Bei der Registrierung werden einzelne Scans oder auch einzelne “Ausschnitte” die mit dem Laserscanner erfasst wurden, zu einer Punktwolke zusammengefügt. Möchte man beispielsweise ein komplettes Gebäude erfassen, geht man oft so vor, dass man den Laserscanner in den verschiedenen Räumen aufstellt und diese abscannt. Natürlich möchte man aber nicht nur einzelne Scans von den verschiedenen Räumen haben, sondern eine große Punktwolke, in denen alle Scans vorhanden und miteinander verknüpft sind. Um dies zu erreichen, muss man die Scans registrieren. Hinter der Registrierung steckt meist ein ziemlich komplizierter mathematischer Prozess. Die Genauigkeit der Daten die aus der Registrierung hervorgehen hängt dabei davon ab, wie gut vor Ort mit dem Laserscanner gescannt wurde und wie gut die verwendete Registrierungssoftware ist.
Glücklicherweise ist dieser Prozess in den letzten Jahren immer einfacher geworden. Setzt man beispielsweise einen mobilen Laserscanner ein, muss man oft keine einzelnen Scans mehr vornehmen und kann mit dem Scanner einfach durch oder um das zu scannende Objekt laufen. Auch die Registrierung erfolgt bei dieser Art von Scanner meist vollautomatisch ab und wird zusammen mit der Hardware bereitgestellt. Der Anwender benötigt nicht viel Hintergrundwissen. Nachteil ist hier allerdings, dass mobile Laserscanner momentan oft noch nicht so präzise Ergebnisse liefern können, wie terrestrische Laserscanner, also Scanner, die stationär aufgebaut werden und nacheinander einzelne Scans aufnehmen.
Um eine Punktwolke zu registrieren, gibt es verschiedene Methoden. Die bekanntesten sind die Cloud-to-Cloud Registrierung, die target-basierte Registrierung oder die Plane-to-Plane Registrierung. Welche Methode man einsetzt hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab, z.B. dem eingesetzten Laserscanner, der gewünschten Genauigkeit oder auch von den eigenen Präferenzen. Gerade als Neuling empfiehlt es sich deshalb, das Scannen und Registrieren von Experten durchführen zu lassen. Diese registrieren die Punktwolke nicht nur, sie “säubern” sie in den meisten Fällen während dem Registrierungsprozess auch zusätzlich. Das bedeutet, dass z.B. doppelte Scans oder “verrauschte” Bereiche der Punktwolke entfernt werden oder die Punktwolke professionell “ausgedünnt” wird, um die Dateigröße zu reduzieren.
Einlesen, verarbeiten und weitergeben von Punktwolkendaten
VIELE VERSCHIEDENE PUNKTWOLKENFORMATE
Wir sind sehr stolz, dass unsere Origins Software über 25 verschiedene Punktwolkenformate einlesen und über 20 verschiedene Formate (Punktwolkenformate und andere) exportieren kann. Doch obwohl wir damit eine der größten Vielfalten auf dem Markt bieten, sind immer noch nicht alle nativen Datenformate abgebildet. Wie geht man also am besten mit den verschiedenen Dateiformaten um?
Eine Lösung bieten offene Austauschformate wie .las, .laz, .e57 oder .xyz. Diese Dateiformate wurden von unabhängigen Stellen entwickelt, um die Problematik der Datenweitergabe zu lösen. Besonders das .e57-Format hat sich dabei quasi zum Industriestandard entwickelt. So können so gut wie alle Registrierungssoftwares der Laserscanner-Hersteller das Format ausgeben und Verarbeitungssoftwares für Punktwolken das Format auch einlesen. Deswegen erhält man vom Vermesser in den meisten Fällen auch die Punktwolke im .e57-Format.
PRE-PROCESSING VOR DER MODELLIERUNG
Um sich diesen Aufwand zu ersparen, werden die Daten oft deswegen zuerst in einer Punktwolkensoftware vor-verarbeitet und dann in der CAD Software weiter verarbeitet. So kann man beispielsweise mit Origins Grundrisse und Vektorlinien erstellen, die dann lagerichtig und mit allen wichtigen 3D-Informationen im .dfx- oder .dwg-Format an die CAD Software übergeben werden können. Diese Formate können von nahezu jeder CAD Software verarbeitet werden und benötigen ein vielfaches weniger an Speicherkapazität, als die gesamte Punktwolke. Natürlich gibt es für die größten CAD Softwares inzwischen auch Plugins, welche die 3D-Informationen aus der Punktwolke von der Punktwolkensoftware direkt in die CAD Software übertragen können.
Schlussendlich zeigt sich also, dass die Erfassung und Verarbeitung von Punktwolken, bis hin zur Erstellung eines 3D-Modells immer noch viel Expertise und Know-How erfordern. Besonders die Datenmengen und der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Systemen stellt immer noch eine Herausforderung dar. Glücklicherweise wurde hier in den letzten Jahren schon einiges getan, um diesen Prozess, auch bekannt als Scan-to-BIM, zu vereinfachen. Auch wir arbeiten täglich daran, mehr Datenformate in unserer Software abbilden zu können und die Handhabung so zu vereinfachen, dass auch Neueinsteiger mit Punktwolken arbeiten können.
Haben Sie noch weitere Fragen zum Thema Punktwolken oder möchten Sie unsere Software einmal selbst testen? Schreiben Sie uns gerne eine E-Mail an: support@pointcab-software.com. Gerne beraten wir Sie unverbindlich in einem persönlichen Gespräch.
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