Erstellung und Restaurierung eines historischen Gebäudes in Kreta

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ERHALTUNG UND RESTAURIERUNG EINES HISTORISCHEN gebäudes IN KRETA

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Postgrad Studenten der Technischen Universität Kreta setzten eine Kombination aus einem Trimble Laserscanner, PointCab Origins Pro und Autocad ein, um die genaue Geometrie eines historischen Mauerwerks zu erfassen und zu dokumentieren, um es zu sanieren.

Die griechische Insel Kreta ist für ihre wunderschöne Landschaft und umfangreiche Geschichte bekannt. Sie ist der Geburtsort der ersten europäischen Hochkultur, der Minoer, und wurde von den Mykenern, Römern, Osmanen und vielen anderen geprägt. Die Spuren dieser Kulturen sind noch heute überall auf der Insel in verschiedenen archäologischen Überresten zu finden.

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Eine solche geschichtsträchtige Baute ist ein zwei Jahrhunderte altes Wohngebäude, das während der Osmanenherrschaft errichtet wurde. Es steht seit 70 Jahren leer und ist die ehemalige Residenz der wohlhabenden Familie Seimeni. Als eines der wenigen noch erhaltenen Gebäude dieser Art von lokaler Architektur in der Region ist es von großem historischen Wert. Um das Gebäude zu erhalten und wieder nutzbar zu machen, war unter anderem eine genaue Dokumentation seiner Geometrie erforderlich, um seine strukturelle Integrität und das Ausmaß der notwendigen Verstärkungsmaßnahmen zu beurteilen. Es ist geplant, das Gebäude in den nächsten Jahren zu restaurieren und als lokales Volkskunstmuseum zu nutzen.

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Die Postgrad-Studentin Eirini Chorianopoulou, die von den Professoren Maria Stavroulaki und Nikos Skoutelis betreut wurde, beschloss, die Vorteile der neuesten verfügbaren Laserscannertechnologie zu nutzen. Da Teile des Gebäudes unzugänglich waren und eine Distanz-Messtechnik erforderlich war, reichten simple Messwerkzeuge und -techniken nicht aus. Dank dem Einsatz von Las konnte eine genaue digitale Darstellung des Gebäudes in seinem Zustand vor der Restaurierung erfasst werden. 

Dies wird zukünftigen Besuchern die Möglichkeit geben, den früheren und den aktuellen Zustand zu vergleichen und die Arbeiten zu würdigen, die zur Erhaltung Authentizität des Bauwerks nach seiner Restaurierung durchgeführt wurden. Um die geometrischen Eigenschaften des Bauwerks zu erfassen, wurde der Trimble X7 3D-Laserscanner eingesetzt. Für die Erstellung der Punktwolke wurden 25 Scans verwendet. Alle Daten wurden als Dateien im e57-Format importiert und in PointCab Origins Pro bearbeitet. Es wurden genaue Pläne, Schnitte und Aufrisse der Struktur auf allen erforderlichen Ebenen erstellt und als .dwg-Dateien zur weiteren Bearbeitung in Autocad exportiert. Der Doktorand Evangelos Nitadorakis, der für die Auswertung der Punktwolken verantwortlich war, zeigte sich zufrieden mit den Ergebnissen, die durch den Einsatz der PointCab Origins Software erzielt wurden: 

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„Die Genauigkeit der erstellten Schnitte ermöglichte die Identifizierung und Quantifizierung von Pathologieindikatoren wie Wandneigungen, die mit dem menschlichen Auge nicht sichtbar sind und Fernmessungen in schwer zugänglichen Teilen der Struktur. Darüber hinaus half das Delta-Tool dabei, selbst die geringsten Abweichungen in den vertikalen Ebenen zu erkennen. Außerdem wurde mit einer geeigneten Kombination aller Daten aus Origins Pro ein genaues 3D-Modell des Gebäudes in einer FEM-Analysesoftware erstellt, und es wurden strukturelle und dynamische Analysen durchgeführt, um die Anfälligkeit des Bauwerks unter verschiedenen Belastungszuständen zu bewerten. Am Einsatz von PointCab Origins schätzten wir die einfache Handhabung, die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung und die Qualität der Ergebnisse.“

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PointCab unterschreibt Petition für offene Punktwolkenformate

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POINTCAB UNTERSCHREIBT PETITION FÜR OFFENE
PUNKTWOLKENFORMATE

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Das ewige Problem mit dem Konvertieren

Bei der Arbeit mit Punktwolkendaten müssen die Nutzer immer noch zwischen verschiedenen Datenformaten hin und her springen. Die Verwendung unterschiedlicher Softwarelösungen oder selbst die Weitergabe von Daten erfordert häufig eine Konvertierung in offene Formate wie .e57. Die ständige Konvertierung von Daten verschlingt Zeit, Ressourcen und Speicherkapazität. Darüber hinaus führt dieser Prozess oft zu einem Informationsverlust. 

Obwohl diese Probleme gemeinhin bekannt sind, hat der Markt hier bisher nicht reagiert. Sollte man denn nicht froh sein, dass es überhaupt offene Formate wie .las, .laz oder .e57 gibt? Es stimmt, dass es vor Veröffentlichung dieser Formate so gut wie gar keine Möglichkeit gab Punktwolkendaten sinnvoll an andere Systeme weiter zu geben. Inzwischen ist diese Lösung aber einfach nicht mehr praktikabel. 

Während zwar die Rechenleistung für die Punktwolkenverarbeitung im Laufe der Jahre deutlich zugenommen hat, ist auch das Datenvolumen erheblich gewachsen.  Es werden immer mehr Punkte und zusätzliche Informationen erfasst um präzisere und verlässliche Ergebnisse zu produzieren. Ein höheres Datenvolumen bedeutet aber auch eine längere Konvertierungszeit. Zeit, die anderer Stelle fehlt. Zusätzlich weist gerade das .e57 Format – der Industriestandard – eine schlechte Kompression auf und benötigt ein vielfaches an Speicherkapazität im Vergleich zu anderen Formaten. Wer häufig mit Punktwolken arbeitet bekommt so schnell ein Speicherproblem das auch den Geldbeutel belastet. Von der Datenweitergabe ganz zu schweigen. Gerade in Deutschland kann der Download eines Punktwolkenprojekts schon mal den ganzen Tag dauern.

 

Die Lösung

Doch was kann konkret gegen diese Probleme getan werden? Die Lösung liegt eigentlich auf der Hand. Wenn alle Softwares auf dem Markt in der Lage wären, die nativen Formate der verschiedenen Laserscanner und Softwares direkt einzulesen und im besten Fall auch noch auszugeben wäre das Zeitalter des ständigen Konvertierens passé. Dies wäre technisch auch ohne große Umstände möglich. Wieso wird dies also nicht schon lange umgesetzt?

Um andere Punktwolkenformate in eine Software einlesen zu können, benötigt man ein sogenanntes Software Development Kit – kurz SDK – vom Hersteller. Einige Hersteller, wie beispielsweise RIEGL, stellen dies bereits anderen Anwendungen frei zur Verfügung.  Leider gibt es aber immer noch viele andere Hersteller, die noch keine SDKs zur Verfügung stellen und so der Nutzer weiterhin auf das eigentlich unnütze Konvertieren angewiesen ist.

 

Die Petition

Die Petition für offene Punktwolkenformate fordert deswegen die Hersteller, die noch kein SDK zur Verfügung gestellt haben auf, dies nachzuholen. Damit soll nicht nur der Endnutzer entlastet werden. Auch die Forschung und sogar die Hersteller selbst würden davon profitieren. Deswegen haben auch wir die Petition unterschrieben und planen in Kürze ein SDK für unser eigenes .lsd-Format zur Verfügung zu stellen. 

Wenn auch Sie der Meinung sind, dass sich etwas ändern muss, dann schließen Sie sich mit Ihrer Stimme an und unterschreiben auch Sie die Petition.

 

Zur Petition

Was ist eine Punktwolke?

Punktwolke point-cloud

WAS IST EINE PUNKTWOLKE?

Hier findet ihr als Einsteiger eine leicht verständliche Einführung zu Thema Punktwolken. Wir beantworten euch folgende Fragen:

Grundwissen: Was ist eine Punktwolke?
Wozu werden Punktwolken verwendet?
Wie arbeitet man mit Punktwolken? 

Punktwolke point-cloud

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. 

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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. 

 

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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 (Pro), 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 im Endeffekt aber nicht nur einzelne Scans von den verschiedenen Räumen haben, sondern nur 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.

 

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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

Erhält man also registrierte und gesäuberte Punktwolkendaten gibt es meistens noch einen Stolperstein der zu überwinden ist, bevor man Messungen vornehmen und digitale 3D-Modelle aus den Daten anfertigen kann – das Einlesen der Daten. 

Für Punktwolken gibt es nämlich nicht nur ein einzelnes Dateiformat. Im Allgemeinen arbeitet jeder Laserscanner mit seinem eigenen Dateiformat und auch die verschiedenen Softwares zur Verarbeitung verwenden oft eigene Formate. Das führt dazu, dass es kaum eine Software gibt, die alle nativen Dateiformate der verschiedenen Laserscanner und Verarbeitungssoftwares einlesen kann. Wir sind sehr stolz, dass unsere Origins (Pro) 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.

Nachteil ist hier, dass das .e57-Format im Gegensatz zu den nativen Formaten weniger gut komprimiert ist und somit im Vergleich mehr Speicherkapazität benötigt. Die großen Datenmengen sind aber für Punktwolkensoftwares im Normalfall kein Problem. Sie wurden schließlich speziell für die Verarbeitung und Auswertung von Punktwolken entwickelt. Es lassen sich mit Ihnen Messungen und andere Auswertungen vornehmen. Mit Origins (Pro) z.B. lassen sich zusätzlich auch automatische Grundrisse erstellen, die vektorisiert werden können und vieles mehr.


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Wer allerdings ein 3D-Modell aus der Punktwolke erstellen möchte, muss dies mit einer BIM oder CAD Software tun. Diese wurden ursprünglich nicht dafür entwickelt mit Punktwolkendaten umzugehen. Entsprechend haben viele dieser Softwares immer noch große Probleme die Daten zu verarbeiten. Manche CAD Softwares, wie Autodesk Revit oder AutoCAD können keine .e57 oder andere gängige Punktwolkenformate lesen. Um diese Softwares zu nutzen müssen die Daten nochmal in die Autodesk-Formate .rcp oder .rcs konvertiert werden. Andere CAD Softwares können teilweise überhaupt keine Punktwolkendaten einlesen oder können nur geringe Datenmengen auf einmal importieren, was dazu führt, dass die Punktwolke wieder “geteilt” werden und in Teilen eingelesen werden muss. Dies sind alles sehr mühsame und zeitaufwendige Arbeiten.

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 (Pro) 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.

As-built Dokumentation eines Planetariums mittels Laserscanning

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As-built Dokumentation eines Planetariums mit Laserscanning-Technologie

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Dank dem Einsatz von Laserscanning und PointCab Origins Pro ist das Platzieren von neuen Projektoren kein Problem mehr

Die präzise Platzierung von Projektoren in speziell designten Theater-Räumen innerhalb von Planetarien ist keine leichte Aufgabe. Allein die bloße Vermessung dieser Räume, die schräge Böden und Kuppeln aufweisen, ist eine Herausforderung. Hinzu kommt, dass die Vermessungsergebnisse und die daraus abgeleiteten Designvorschläge klar und übersichtlich an alle Projektbeteiligten kommuniziert werden müssen.

In den USA werden für solche Jobs oft die Profis von Seiler Instrument herangezogen, genauer gesagt Seiler’s Planetarium Division. Seiler Mitarbeiter Howard George hat dafür bisher eine Kombination aus manuellen Messungen und einer Totalstation eingesetzt – ein sehr zeitaufwändiger Prozess. Um den Prozess zu beschleunigen und zu vereinfachen, wurde deshalb erstmals Laserscanning und die Punktwolkensoftware von PointCab eingesetzt.

Der erste Schritt dabei war die Implementierung eines handgeführten GeoSLAM ZEB Revo RT LiDAR-Scanners, der 3D-Punktwolken buchstäblich in Minutenschnelle erstellt. Dann bestand die Herausforderung darin, die Geometrie und die Merkmale effizient zu extrahieren, um BIM-Modelle der Räume zu erstellen und den Projektbeteiligten die Designabsicht besser zu vermitteln. Um dies zu erreichen, wurde Howard eine Testversion von PointCab 3D Pro (jetzt Origins Pro) zur Verfügung gestellt. Dabei handelt es sich um ein einfach zu bedienende Software zur Bearbeitung und Weitergabe von Punktwolken, das vom Design Solutions Team bei Seiler empfohlen wurde. Howard meint dazu: „In nicht-orthogonalen Bereichen wie Planetarien kann ich mit der PointCab-Software Datenpunkte frei kippen, drehen und vergrößern, sowie Perspektiven ausrichten.“ Dank der Unterstützung durch des PointCab- und Revit-Support, sowie Online-Ressourcen konnte Howard auch als Neuling innerhalb weniger Tage dank dem PointCab 4Revit Plugin mit der Modellierung aus der Punktwolke beginnen. Dies ermöglichte ihm, die Platzierung der Projektoren im Ist-Zustand zu simulieren und schnell vektorisierte CAD-Schemata des Raums und Installationsdetails zu erstellen. Er war begeistert: „Mit der PointCab-Software muss ich den Projektbeteiligten viel weniger erklären und kann alles direkt visuell darstellen.“ 

Verschiedene Evaluationen in Origins Pro

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Die leistungsstarke Kombination aus LiDAR-Scantechnologie und PointCab Origins Pro hat den Zeitplan und die Kundenerfahrung in Bezug auf diese komplexen Projektorinstallationen tiefgreifend beeinflusst. Howard sagt: „Ich erhalte von ZEISS metrische Kugelkoordinaten, um die Projektoren im Verhältnis zur Kuppel zu platzieren. In PointCab Origins Pro exportiere ich kartesische imperiale Koordinaten, um die Projektorständer auf dem Boden zu platzieren. Dann exportiert mir die PointCab-Software 2D-Bilder von 3D-Räumen. Die Datenweitergabe über PointCab Share (Freeware) oder die Bildschirmfreigabe über Zoom ermöglicht es mir, alle Beteiligten an den einzelnen Arbeitsschritten teilhaben zu lassen und im Detail aufzuzeigen, was gerade von Interesse ist.“ In nur einer Woche wurden so wesentliche, aber sehr zeitaufwändige Aufgaben radikal reduziert und zum Besseren für alle Projektbeteiligten verändert. Einmal getestet möchte die Seiler Planetarium Division auch in Zukunft weiterhin auf die Kombination von Laserscanning und der PointCab-Software setzen.