Die Entwicklung von 3D-Laserscanning

Okt 11, 2021 | buck - über uns, Immobilien, Vermessung & Geodäsie

von Alexander Klingebiel

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Der Prozess des 3D-Laserscannings bietet vielen Auftraggebern bei der Vermessung und Digitalisierung höchste Präzision. Auch spielt der Zeit- und Kostenfaktor dabei durchaus eine große Rolle. 3D-Laserscanner sind mobile Messgeräte, die heutzutage von einer einzelnen Person gesteuert werden können. Somit werden in kürzester Zeit komplexe oder unter Denkmalschutz stehende Gebäude, Industrieanlagen oder Gelände vermessen und digitalisiert. Wie hat sich 3D-Laserscanning entwickelt? Wie sah das Laserscanning früher aus? Und wie funktioniert 3D-Laserscanning überhaupt? Diese Fragen werden wir Ihnen in diesem Beitrag beantworten.

Entwicklung des 3D-Laserscannings von den 50er Jahren bis heute

In den 1950er Jahren begann das US-Militär bereits mit einem optischen Messgerät zu experimentieren, welches den Grundstein für das heutige 3D-Laserscanning legte. Das sogenannte LIDAR ist bis heute eine wichtige Methode in der Vermessung. Mit einem LIDAR lassen sich Abstand sowie Geschwindigkeit messen.  Aufbauend auf der Erfindung des LIDAR Anfang der 60er Jahre rüstete das US-Militär dieses System auf, um es für präzise Entfernungsmessungen bei topographischen und investigativen Szenarien zu nutzen. Etwas später wurde das System für die zivilen Anwendungen freigegeben. Inzwischen hatte die italienische Firma DEA ein neues 3-Achsen-Koordinatenmessgerät entwickelt, das ein robusteres Koordinatenmesssystem für physikalische Objekte erlaubte. Auf Basis des von der Firma DEA entwickelten Systems entwarfen Studenten der Uni Utah einen Algorithmus, der es ihnen 1972 ermöglichte, erstmals einen VW Käfer zu vermessen.

1984 wurde dann ein streifenbasierter Laserscanner entworfen, der ein 3D-Computerbild des menschlichen Kopfes für Animationszwecke erstellen konnte. Diese Art der Messtechnik wird auch heute noch in überholter Form verwendet. 1992 führte das Unternehmen Trimble (damals Mensi) die 3D-Laserscanner der Serie S ein, die ihre Anwendung in der Industrie fanden. Schließlich kamen 1993 die ersten individuell nutzbaren Scanner auf den Markt. Ab 2005 wurden die ersten Scanner mit Kompensatoren angeboten und verkauft. Diese Technik wurde von Unternehmen wie beispielsweise Leica und Trimble so weit verfeinert, dass diese Scanner aus der heutigen Vermessung nicht mehr wegzudenken sind.

Wie funktioniert ein 3D-Laserscan und welche Ergebnisse erhalte ich?

3D-Laserscanner sind der neuste Stand der Technik. Sie bieten viele Vorteile gegenüber dem klassischen Aufmaß mit einem Tachymeter. 3D-Laserscanner sind schneller in der Aufnahme von Punkten und können größere Massen in einer kürzeren Zeit erfassen, da sie in einem Raster scannen, im Gegensatz zu Tachymetern oder ähnlichen Messgeräten, die nur einzelne Punkte erfassen können. Beispielsweise besitzt das verwendete Raster des Scanners RTC360 von Leica eine Auflösung von 3, 6 oder 12 mm bei einer Entfernung von 10 Metern (je nach Einstellung). Ein Tachymeter hingegen besitzt auf einer Strecke von 10 Metern eine Genauigkeit von 1-3 mm (je nach Stationierung) jedoch ist das Messverfahren mit einem höheren Zeitaufwand verbunden.

Eine höhere Auflösung beim Scanning bedeutet auch eine höhere Kapazität an Speicherplatz sowie eine längere Scandauer. Ebenfalls kann entschieden werden, ob ein Doppelscan durchgeführt wird. Der Vorteil des Doppelscan besteht in der Minimierung von Fehlmessungen. Ebenfalls werden direkt nach dem Scan bewegte Objekte gefiltert. 3D-Laserscanner wie der RTC 360 von Leica, die auch an der Hochschule Anhalt gelehrt und bei buck Vermessung genutzt werden, besitzen Kameras. Damit kann direkt nach der Messung ein sphärisches Bild von 360° x 300° Grad erstellt werden, das wiederum hilfreich bei der Auswertung ist.

Ein großer Vorteil besteht darin, dass ein 3D-Laserscanner die Geometrie von Gebäuden oder Objekten komplett erfassen kann. Laserstrahlen scannen dabei Millionen von Punkten und nehmen diese auf. Diese Punkte enthalten Informationen wie Intensität der Reflexion, Distanz zum Laserscanner und die Position relativ zu den nächsten anderen Punkten.

Wie führt man einen 3D-Laserscan durch?

Bevor der Scan starten kann, muss das Smartphone oder Tablet mit dem Laserscanner verbunden werden. Das geschieht mittels des geräteeigenem WLAN. In der Regel wird eine dafür extra vom Hersteller programmierte App genutzt, aber es kann natürlich auch direkt am Gerät gearbeitet werden. Das Interface der App, in dem Fall von Leica, ist sehr benutzerfreundlich und übersichtlich gestaltet. In der App können alle weiteren Parameter und Grundeinstellungen festgelegt werden:

  • Name des Scans / Projektes
  • Auflösung (3,6,12 mm)
  • Panoramabild
  • Doppelscan
  • Visual Inertial System (Damit kann der Scanner die Verknüpfungen von seinem Standort aus automatisch schaffen. Dieses System verfolgt die Bewegung der Scannerposition relativ zur vorherigen Stationierung in Echtzeit)
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Interface der Scanapp (Foto: u/ericguizzetti / ©Reddit Inc)

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Vermessungsingenieurin beim Einstellen des 3D-Laserscans (Foto: buck Vermessung)

Jetzt kann der eigentliche Scan starten. Allerdings sind auch im Feld noch einige Dinge zu beachten. Es sollten Verknüpfungspunkte wie Schachbrett-Zielmarken oder Referenzkugeln eingesetzt werden, denn diese dienen durch ihre feste Position als Verknüpfungspunkte und erlauben somit genauere Ergebnisse.

Nachdem das Gebäude oder Projekt vollständig gescannt wurde und Verknüpfungen der Standpunkte bereits im Feld erfolgt sind, wird im Innendienst die Punktwolke mit einem entsprechenden Programm (In unserem Fall Cyclone Register 360 von Leica) bereinigt und optimiert. Das heißt, es werden Reflexionen sowie bewegte Objekte entfernt und Verbindungen bzw. Verknüpfungen der Standpunkte werden überprüft.

Im gleichen Schritt werden in der Arbeitsumgebung wie Truespace oder Modelspace die verschiedenen Targets verknüpft, um ein einheitliches Bild zu erschaffen. Nachdem dieser Arbeitsschritt beendet wurde, werden die Standpunkte registriert.

Zum Schluss kann die nun fertige Punktwolke in verschiedene Formate exportiert werden und in Programmen wie AutoCAD oder Revit eingelesen, final bearbeitet und modelliert werden. Bei buck Vermessung werden die Punktwolken als Grundlage genutzt, um beispielsweise Bestandspläne (Grundrisse, Flächen und Schnitte) oder Fassadenaufmaße zu erstellen. Darüber hinaus lassen sich BIM Modelle bzw. 3D-Modelle generieren.