4 Die Gebäudevermessung als Unterlage für die Fortführung des
5.4 Auswertung
5.4.3 Auswertung der Daten des Z+F IMAGER 5010X
Die Auswertung gliedert sich in drei Schritte: In der Vorregistrierung werden die Scandaten erstmals über einen Algorithmus miteinander verknüpft. Im Anschluss erfolgt eine hochgenaue Registrierung über eine Blockausgleichung und zuletzt wird über die registrierten Scandaten der Vermessungsriss erstellt.
5.4.3.1 Vorregistrierung mit Zoller + Fröhlich LaserControl
Vor der Auswertung befinden sich alle Punktwolken in einem eigenen lokalen System.
Um alle Scans in ein gemeinsames übergeordnetes System zu bekommen, müssen diese registriert werden. Zur Registrierung der Scans wird die Software Z+F LaserControl im Innendienst (oder auch LaserControl Scout von Zoller + Fröhlich im Außendienst), sowie die Software Scantra von der Firma Technet GmbH verwendet.
45 vgl. iP-Survey System e.K
Der erste Schritt der Auswertung kann bereits im Außendienst mit dem Tablet und der Software Z+F LaserControl Scout getätigt oder später im Innendienst mit der Software Z+F LaserControl durchgeführt werden. Hierbei werden die einzelnen Scans durch sogenannte Beziehungen miteinander verknüpft und mit dem pixelbasierten
„CloudtoCloud Algorithmus“ vollautomatisch vorregistriert (siehe Abbildung 25). Bei dem „Cloud to Cloud Algorithmus“ werden "[...] die einzelnen Pixel zweier Punktwolken direkt miteinander verglichen [und die] [...] Software versucht, die Abstände aller Punkte zu minimeren"46. Der Einsatz der Software Z+F LaserControl Scout ermöglicht zum einen dem Innendienst eine bessere Orientierung und zeigt zum anderen dem Außendienst, ob die Scans zueinander passen oder noch ein weiterer Standpunkt von erforderlich ist, der die Registrierung erleichtern würde. Da die W-LAN-Verbindung zwischen Tablet und Scanner dazu führt, dass die Akkus des Scanners schnell entladen sind, wurde bei der Messung der Wohnanlage auf dessen Nutzung verzichtet.
Nach der Vorregistrierung werden die Passgenauigkeiten der miteinander verbundenen Scans über die Farben der Beziehungspfeile dargestellt. Hierbei gilt: Grün für eine optimale Genauigkeit, gelb für eine mittlere Genauigkeit und rot für eine schlechte Genauigkeit (siehe Abbildung 25).
46 vgl. Mettenleiter 2015 S. 45
Abbildung 25: Verknüpfte Scans mit Genauigkeitsangabe nach der Vorregistrierung
Matteo Rausch Bachelorarbeit
Erfassung von Gebäuden mittels 3D-Laserscanner und deren Nachweis im Liegenschaftskataster im Land Berlin
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Die häufigste Ursache einer fehlerhaften vollautomatischen Registrierung liegt in einer falschen Beziehung der einzelnen Scans zueinander. Das heißt, dass aufeinanderfolgende Scans nicht in demselben Raum stattfinden und somit keinerlei Überlappungen aufweisen. Durch das Erstellen von neuen Beziehungen zu den Scans mit überlappenden Scandaten lässt sich dieses Problem oftmals schnell lösen.
Wenn alle Daten durch Beziehungen miteinander verbunden sind, können die Targets in den Scans erfasst werden. Dies geschieht über das Modul „Registrieren“. Hier bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, die Targets zu erfassen: Die zuverlässigste und gewählte Möglichkeit ist der Button „Target erkennen“, mit welchem sich alle messbaren Targets markieren und mit einer entsprechenden Nummer versehen lassen.
Das Zentrum des Targets wird in der Regel automatisch durch Bildverarbeitungsalgorithmen gefunden. Dazu klickt man mit der linken Maustaste auf das Zentrum des gewünschten Targets, wodurch sich ein weiteres Vergrößerungsfenster öffnet, in welchem sich das Zentrum besser anvisieren lässt.
Anschließend erscheint ein Fenster, in dem die Qualität des ermittelten Zentrums in Form einer Ampel angegeben wird. Außerdem bietet sich nochmals die Gelegenheit, manuelle Anpassungen durchzuführen. Bei Targets, die wegen schlechten Kontrasten oder Winkeln zum Scanner nicht automatisch erkannt werden, können die Zentren manuell über den Button „Punkt als Target verwenden“ ermittelt werden. Nachteilig ist hierbei, dass die Qualität durch keine Anzeige erkennbar ist. Darum sollten nur Targets mit hoher Qualität (70% - 99%) gespeichert werden (siehe Abbildung 26).
Abbildung 26: Erfassung eines tilt and trun Targets (links) und eines black and white Targets (rechts)
Heute ist es möglich, die Punktwolken über identische Ebenen, welche sich zu tausend in den Punktwolken ergeben, registrieren zu lassen. Eine Registrierung nur über koordinatenmäßig bestimmte Targets ist nicht erforderlich. Sie dienen zur Georeferenzierung, für welche theoretisch nur drei koordinatenmäßig bestimmte Targets notwendig sind. Den Rest der Targets bilden identische Punkte in einem Scan-Paar. Die Vorteile einer Registrierung über Targets liegen vor allem in der deutlich höher erzielbaren Genauigkeit. Ein wesentliches Qualitätsmaß für eine Vermessung sind die Restklaffen (Restfehler), diese werden nur bei einer Registrierung mit Targets ausgegeben. Bei einer Messung im Freien sollte auf Targets nicht verzichtet werden, da natürliche Ebenen in zwei Scans oftmals nicht in dem Maße existieren, wie in geschlossenen Räumen.
Damit die Punktwolke georeferenziert werden kann, muss eine txt.Datei angelegt werden, in der sich die ausgeglichenen 3D-Koordinaten der tachymetrisch bestimmten Targets mit Punktnummern befinden.
Sind alle Targets bestimmt, kann nochmals eine "Cloud to Cloud Registrierung"
durchgeführt und die Punktwolke gefiltert werden. Hierbei wird ersichtlich, ob ein Fehler bei der Erfassung der Targets unterlaufen ist. An dieser Stelle besteht die Auswahlmöglichkeit, wie und in welchen Scans gefiltert werden soll. Um ein Ausdünnen der Punktwolke beim Filtern zu verhindern, wird die "Filterfunktion Thin“ nicht ausgewählt. Grundlegend hilft das Filtern dabei, Punkte zu entfernen, welche sich beispielsweise zu weit entfernt befinden oder keinen weiteren Punkt innerhalb einer definierten Bandbreite haben. Die endgültige Registrierung der Blockausgleichung erfolgt mit der Software Scantra.
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5.4.3.2 Ablauf der Registrierung mit Scantra
Scantra ist ein Produkt der Technet GmbH. Mit der Software lassen sich die erzeugten Punktwolken auf Grundlage von identischen Ebenen und Punkten (Targets) über eine Registrierung und anschließende Blockausgleichung geometrisch hoch genau zueinander orientieren. Ziel der Registrierung ist es, alle Scandaten in einem gemeinsamen lokalen oder globalen Koordinatensystem zu führen (siehe Tabelle 8).
Für die Registrierung der Scandaten der Wohnanalage wurde eine Registrierung über identische Ebenen und Punkte verwendet. Bei der Registrierung über identische Ebenen werden "[...] zunächst [...] in allen Scans Ebenen gesucht [...]"47. Dieser Vorgang wird auch "Ebenen-Detektion" genannt. Hierbei werden die Millionen Punkte auf mehrere hundert Ebenen reduziert. Im nächsten Schritt, dem "Ebenen-Matching", ist der sogenannte "Plan to Plan Algorithmus" zur geometrischen Verknüpfung der Scandaten zu Grunde gelegt worden (siehe Abbildung 27).
47Gielsdorf 2013, S. 40
1. Übernahme der Scan-Daten (Punktkoordinaten), 2. Automatische Suche von Ebenen in den Scans, 3. Definition benachbarter Scans (Scan-Paare),
4. Verknüpfung identischer Ebenen zwischen zwei Scans durch
• Automatisches Matching
• Manuelle Zuordnung als Option,
5. Blockausgleichung aller Scans in ein gemeinsames Zielsystem, wahlweise
• die lokale Referenz eines Scans,
• ein übergeordnetes Koordinatensystem geodätisch gemessener Punkte,
6. Übergabe von zuverlässig und genau passenden
Registrierungsparametern
Tabelle 8: Verfahrensablauf von Scantra (aus Technet GmbH)
Abbildung 27: Schrittweise Reduktion der zu verarbeitenden Parameter (Luhmann & Müller 2013, S. 41)
Der Algorithmus macht sich zu Nutze, dass sich in den benachbarten Scans hunderte gleicher Ebenen befinden, die miteinander "gemacht" werden und letztendlich die endgültige zusammenhängende Punktwolke ergeben. Hierbei wird das Prinzip verfolgt, dass sich"[...] zwei räumliche Ecken eindeutig ineinander schieben lassen. Daraus lässt sich ableiten, dass die Kombination von jeweils drei paarweise nicht parallelen Ebenen in zwei Scans deren gegenseitige Orientierung ermöglicht“48 (siehe Abbildung 28). Das
"[...] Ergebnis des "Ebenen-Matching" sind Transformationsparameter für die lokale Registrierung der Scan-Paare"49.
48Technet GmbH 2017 49Gielsdorf 2013, S. 41
40 Mio. Punkte 80 Mio. Parameter
1000 Ebenen 4000 Parameter
1 Transformation 7 Parameter
Ebenen-Detektion Ebenen-Maching
Abbildung 28: Das Scantra Prinzip ( aus Technet GmbH)
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Nach der Berechnung der Transformationsparameter erfolgt die Blockausgleichung des gesamten Scan-Projektes. Hier werden die Targets als identische Punkte mit in den Prozess einbezogen. Die somit lokalen oder globalen Transformationen der einzelnen Scandaten werden über das gesamte Projekt ausgeglichen.
"Das Ergebnis sind hochgenaue Transformationsparameter für jeden einzelnen Scan in einem gemeinsamen Koordinatensystem“50. Die erreichten Genauigkeiten werden grafisch dargestellt und in einem Protokoll ausgegeben. Bei der grafischen Darstellung wird die Zuverlässigkeit der Registrierungen über die Farbe und Dicke der Beziehungspfeile in den Scandaten dargestellt. Wie bei einer Fehlerellipse, die bei guter Punktqualität klein und gleichmäßig und bei schlechter Punktqualität groß ist, sind die Beziehungslinien bei guter Qualität dünn und bei schlechter Qualität dick. "Die Füllung der jetzt lagerichtigen Stationen durch Ampelfarben stellt die Genauigkeit der Scans dar"51 (siehe Abbildung 29).
50 Luhmann & Müller 2013, S. 43 51 Gielsdorf 2013, S. 43
Abbildung 29: Endgültig registrierte Punktwolke in Z+F LaserControll (links) und in Scantra (rechts)
Wenn die einzelnen Scans nach der Registrierung und Ausgleichung dennoch nicht zusammenpassen, muss dies manuell behoben werden. Hierfür werden in zwei durch eine Beziehung verbundenen Scans mindestens drei gleiche Ebenen ausgewählt und manuell miteinander verknüpft. Die Ebenen müssen so ausgewählt werden, dass sie als räumliche Ecken verwendet werden können (siehe Abbildung 27).
Im Protokoll der Blockausgleichung „GlobalBlockAdjustment.out“ werden die Standardabweichungen des gesamten Scans (sigma_0), der Translations- und Rotationsparameter (sigma_fi und sigma_t), der Standpunkte, der 3D-Koordinate der Targets mit deren Genauigkeiten (sigma p), sowie die Verbesserungen der Trasformationsparameter (Vt) angegeben. Eine genaue Darstellung und Erläuterung des Protokolls wird im Kapitel 4.3.2 beschrieben.
5.4.3.3 Erstellen des Vermessungsrisses mit Scalypso und Civil-3D
Nach der endgültigen Registrierung müssen die Daten mit der Software
"ScalypsoConvertor" und "ScalypsoModeler" weiterverarbeitet werden. Mit dem
"ScalypsoConvertor" werden die registrierten Punkwolken vom Benutzerformat (bei Zoller+Fröhlich Scannern ist dies das "zfs.-Format") in das "syo.-Format" konvertiert. Im
"ScalypsoModeler" werden die Punkwolken als 360°-Schwarz-Weiß- oder Farbbild dargestellt. In dem erzeugten Bild werden die Intensitäten der reflektierenden Strahlen als helle oder dunkle Pixel abgebildet. Für die Auswertung wird in diesen Bildern gemessen und gezeichnet (siehe Abbildung 30).
Abbildung 30: Scantra Ebenen-Matching
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Der "ScalypsoModeler" dient als Schnittstelle zwischen den ausgewerteten Scandaten und einem beliebigen CAD-System. Dieser berechnet aus den ausgewählten Punktwolken geometrische Elemente und überträgt sie in Echtzeit in das CAD-Zielsystem. Für die Zeichnung des Grundrisses wurde mit dem CAD-System "Civil-3D"
von "AutoDesk" gearbeitet.
Die georeferenzierten Scandaten stellen wegen der Größe der amtlichen Koordinaten ein Problem für den "Scalypso-Modeler" dar. Um Koordinaten direkt aus der Punkwolke abgreifen zu können, sollten sie auf drei Stellen vor dem Komma gekürzt werden.
Andernfalls werden die Punkte nur auf Metergenauigkeit ausgegeben.
Aus den bereits erwähnten Methoden in Kapitel 4.3.1 wird für die Auswertung das Verfahren der indirekten Punktbestimmung eingesetzt. Für die Erstellung des Grundrisses werden in der Software "Scalypso-Modeler" mindestens zwei Punkte auf einer Gebäudewand bestimmt und diese als Linie an "Civil-3D" übergeben. Die Linie stellt die Gebäudewand dar. Am besten eignet sich der ungefähre Anfangs- und Endpunkt der Wände. Einen Eckpunkt erhält man, indem zwei Linien im CAD-System geschnitten und verbunden werden (siehe Abbildung 31). Bei der Übergabe der Daten an "Civil-3D" ist darauf zu achten, die z-Koordinate auf "null" zu setzen. Andernfalls wird in einem dreidimensionalen Raum gezeichnet, worin das Erreichen einer Überschneidung zweier Linien nahezu unmöglich ist.
Wenn das gesamte Gebäude als Grundriss gezeichnet ist, müssen alle Eckpunkte mit der Option "Punkte erstellen" markiert werden. Nun liegt die fertige Zeichnung in einem lokalen System, bestehend aus den drei Vor- und Nachkommastellen.
Abbildung 31: Übergabe geometrischer Elemente an "Civil-3D" (links: Civil-3D; rechts: "ScalypsoModeler")
Die Zeichnung muss anschließend in "Civil-3D" verschoben werden, um amtliche Koordinaten der Eckpunkte zu erhalten. Über die Funktion "Punkte exportieren" wird eine Koordinatenliste der Punkte als txt.-Datei ausgegeben. Desweiteren wird ein unmaßstäblicher Vermessungsriss sowie eine Punktübersicht angefertigt. Die Längen der Wände können entweder aus dem Vermessungsriss oder der Streckenberechnung mit der Koordinatenliste entnommen werden.