Die fortschreitende Entwicklung im Bereich des Vermessungswesens und der Instrumententechnik hat in den letzten Jahren eine neue Generation von Vermessungsgeräten hervorgebracht, die die bisherigen Messprinzipien und Technologien in Vermessung und Photogrammetrie ergänzen, wenn nicht sogar ablösen werden. Dazu zählen natürlich in
erster Linie die Terrestrischen Laserscanverfahren, die seit geraumer Zeit einen immer größeren Markt erobern. Aber auch das aus dem Maschinenbau und der Kraftfahrzeugtechnik bereits länger bekannte Prinzip der Messung mit strukturiertem Licht hat eine weite Verbreitung gefunden und ist in unterschiedlichsten Varianten und
Messverfahren auf dem Markt erhältlich. Für den Geodäten und Vermesser bieten sich hier nicht nur fortschrittliche und schnelle Aufnahmemethoden, sondern auch neue Anwendungsfelder, die sich neben der Ingenieurvermessung und Photogrammetrie auch auf die Architektur, die Baudenkmalpflege und Archäologie bis in die Medizin erstrecken.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Messverfahren des Terrestrischen Laserscanning und der Streifenprojektionstechnik an einem ausgewählten Objekt für Aufnahmen im Bereich der Bauaufnahme und Baudenkmalpflege eingesetzt. Das Romanische Schottenportal bietet dazu optimale Voraussetzungen bezüglich der Größe und der Komplexität der bildhauerischen Gestaltung. Durch die Aufnahmetechnik werden dabei der Aufnahmebereich und die
Genauigkeit festgelegte. Die erfassten Daten werden danach in einen Auswerteprozess überführt, in dem neben einer getrennten 3D-Modellierung auch eine Datenvereinigung der unterschiedlichen Ausgangsmessdaten vollzogen wird. Die dadurch erzeugten Modelle und
Ansichten sollen sich für die unterschiedlichsten Verfahren der Bauanalyse, der Visualisierung und Animation und der Stereolithographie nutzen lassen. In einem relativen, lokalen Vergleich der Datenmodellierungsqualität der Laserscanner- und Streifenlichtdaten kann auf einen Anwendungsbereich der beiden Systeme geschlussfolgert werden. Die unterschiedlichen Messprinzipien der verwendeten Messtechnik machen grundlegende
theoretische Betrachtungen notwendig, zumal im Ausbildungsprozess beide Messsysteme keine Erwähnung fanden. Die Betrachtungen reichen von der Definition des Anwendungsbereiches, über die instrumententechnischen Realisierungen und die verwendete
Software bis zum Modellierungsprozess.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Ziel der Arbeit
1.2 Aufbau der Arbeit
2. Terrestrisches Laserscanning
2.1 Einordnung und Anwendungen
2.2 Aspekte der Lasertechnologie
2.3 Reflektorlose Entfernungsmessung
2.3.1 Triangulationsverfahren
2.3.2 Phasenvergleichsverfahren
2.3.3 Impulslaufzeitmessung
2.3.4 Einflüsse auf die reflektorlose Entfernungsmessung
2.4 Systemkriterien Terrestrischer Laserscanner
2.5 Terrestrischer Laserscanner Riegl LMS-Z-360
2.5.1 Messsensor
2.5.2 Digitalkamera Nikon D100
2.6 Software RiSCAN PRO
2.6.1 Allgemeines
2.6.2 Koordinatensysteme und Transformation
2.6.3 Messung
2.6.4 Referenzierung
2.6.5 Datenfilterung und Segmentierung
2.6.6 Verarbeitung digitaler Bilder
3. Streifenprojektionsmethode
3.1 Oberflächenbestimmung in der Messtechnik
3.2 Messprinzip
3.2.1 Triangulationsverfahren
3.2.2 Gray-Code-Verfahren – Binär-kodiertes Licht
3.2.3 Phasenverschiebungsverfahren
3.2.4 Parameter und Aufnahmekonfiguration
3.3 QT Sculptor
3.3.1 Allgemeines
3.3.2 Gestell, Projektor und Kamera
3.3.3 Genauigkeit und Messbereich
3.3.4 Kalibrierung des Messbereichs
3.4 Verarbeitung der Tiefenbilder mit der Software QT Sculptor
3.4.1 Messung
3.4.2 Segmentierung und Registrierung
3.4.3 Objektmodellierung
3.4.4 Texturierung
4. Das Romanische Schottenportal und die Baudenkmalpflege
4.1 Baudenkmalpflege und Vermessung
4.2 Klosterkirche St. Jakob und Schottenportal
4.2.1 Historie
4.2.2 Das Schottenportal
5. Messung
5.1 Projektbetrachtung
5.2 Terrestrischer Laserscanner LMS Z-360
5.3 Digitalkamera Nikon D 100
5.4 Streifenprojektionssystem QT Sculptor
5.4.1 Aufnahmeparameter und Kalibrierung des Messbereichs
5.4.2 Aufnahme von Tiefenbildern
5.5 Bewertung des Messprozesses
5.5.1 Bemerkungen zum Messprozess
5.5.2 Wichtige Aufnahmebedingungen
6. Auswertung
6.1 Vorbetrachtung
6.2 Verarbeitungskonzept
6.3 Software
6.3.1 Konvertierung
6.3.2 Polyworks
6.4 Verarbeitung der Laserscanner-Daten mit RiSCAN PRO
6.4.1 Datenauswahl
6.4.2 Referenzierung der Einzelaufnahmen
6.4.3 Datenfilterung und Visualisierung
6.4.4 Konvertierung in Tiefenbilder
6.5 Modellierung mit QT Sculptor
6.5.1 Vorbetrachtungen
6.5.2 Segmentierung und Registrierung
6.5.3 Oberflächenmodellierung und Optimierung des Dreiecksnetzes
6.5.4 Ergebnisse
6.6 Datenfusion aus Laserscanner- und Streifenlichtdaten
6.6.1 Segmentierung und Registrierung
6.6.2 Oberflächenmodellierung und Optimierung des Netzes
6.6.3 Ergebnisse
6.7 PolyWorks/Modeler und PolyWorks/Inspector
6.7.1 Netzbearbeitung und Datenreduktion
6.7.2 Vergleich zwischen Laserscanner- und Streifenlichtmodell
6.8 Texturierung von Oberflächenmodellen mit QT Sculptor
6.9 Visualisierung und Anwendungen
7. Zusammenfassung
7.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
7.2 Zusammenfassung des Verfahrens
8. Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht den Einsatz von terrestrischem Laserscanning und der Streifenprojektionstechnik zur 3D-Erfassung komplexer historischer Bauwerke, wobei das Romanische Schottenportal in Regensburg als Fallbeispiel dient. Ziel ist die vergleichende Analyse der Messmethoden sowie die Entwicklung eines kombinierten Workflows zur Datenvereinigung und Modellierung für die Baudenkmalpflege.
- Vergleichende Untersuchung des terrestrischen Laserscannings und der Streifenprojektionsmethode.
- Prozessierung von 3D-Daten zur Erstellung hochpräziser Oberflächenmodelle.
- Datenfusion unterschiedlicher Messsysteme zur Optimierung der geometrischen Genauigkeit.
- Anwendung der Ergebnisse in der Baudenkmalpflege und Bauanalyse.
Auszug aus dem Buch
3.2.1 Triangulationsverfahren
Die Vermessung mit strukturiertem Licht erfolgt automatisch und berührungslos nach dem Triangulationsprinzip (Abbildung 3-1). Das Triangulationsverfahren orientiert sich am Sehen mit zwei oder mehreren Augen, wobei die Augen durch Kameras oder durch eine Kombination von Projektor und Kamera ersetzt werden. Im zweiten Fall bilden ein Projektor, eine digitale Videokamera und der Objektpunkt ein Dreieck, bei dem die Projektionsrichtungen von Kamera und Projektor unter einem festen Winkel, dem Triangulationswinkel, am Objekt auftreffen. Der spezielle (topometrische) Aufbau aus einer kalibrierten Videokamera zur Aufzeichnung schneller Bildfolgen und einem kalibrierbaren Projektor, der eine zweite Kamera ersetzt und eine schnelle Lichtmusterfolge erlaubt, ist in der industriellen Vermessung gebräuchlich. Allerdings treten bei Objekten mit größeren Oberflächenvariationen leicht Verdeckungen und Abschattungen auf, so dass eine höhere Anzahl von Messungen notwendig wird. Einige Messsysteme arbeiten mit mehreren Kameras (stereometrischer Aufbau), sollen aber hier nicht weiter betrachtet werden.
Ziel solcher Messmethoden ist, eine dreidimensionale Darstellung eines texturlosen oder texturarmen Objektes und seiner Oberfläche durch flächenhafte Beleuchtung mit einem Projektor und Aufzeichnung des beleuchteten Objektes durch einen CCD-Flächensensor zu erhalten.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung definiert das Ziel der Arbeit, nämlich die Evaluierung von terrestrischem Laserscanning und Streifenprojektion als moderne Messmethoden für die Baudenkmalpflege am Beispiel des Schottenportals.
2. Terrestrisches Laserscanning: In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen, Funktionsweisen sowie die spezifische Hardware (Riegl LMS-Z-360) und Software (RiSCAN PRO) für das Laserscanning erläutert.
3. Streifenprojektionsmethode: Hier erfolgt die Einführung in die Technologie des strukturierten Lichts, das Messprinzip, die Kalibrierung und die Verarbeitung von Tiefenbildern mittels der Software QT Sculptor.
4. Das Romanische Schottenportal und die Baudenkmalpflege: Dieses Kapitel verknüpft die theoretischen technischen Ansätze mit den praktischen Anforderungen der Baudenkmalpflege und gibt einen historischen Kontext zur Klosterkirche St. Jakob.
5. Messung: Hier werden die praktische Durchführung der Vermessungskampagne, die Projektplanung sowie die Vor-Ort-Erfahrungen und Aufnahmebedingungen detailliert dargestellt.
6. Auswertung: Dieses umfangreiche Kapitel behandelt den gesamten Prozess der Datenverarbeitung, von der Datenselektion über die Modellierung bis zur Datenfusion und dem abschließenden Qualitätsvergleich der Modelle.
7. Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer Bewertung der erzielten Ergebnisse und einer Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der eingesetzten Messsysteme für denkmalpflegerische Anwendungen.
8. Ausblick: Der Ausblick diskutiert das Zukunftspotenzial der beschriebenen 3D-Messtechnologien für verschiedene Anwendungsgebiete und die wachsende Nachfrage nach vollständigen 3D-Visualisierungen.
Schlüsselwörter
Terrestrisches Laserscanning, Streifenprojektion, Baudenkmalpflege, 3D-Modellierung, Triangulationsverfahren, Datenaustausch, Punktewolke, Oberflächenrekonstruktion, Messgenauigkeit, Schottenportal Regensburg, QT Sculptor, RiSCAN PRO, Polyworks, Vermessungswesen, CAD.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit dem praktischen Einsatz von terrestrischem Laserscanning und der Streifenprojektionsmethode zur 3D-Erfassung komplexer Bauwerke, exemplifiziert an dem Romanischen Schottenportal in Regensburg.
Welche zentralen Themenfelder stehen im Mittelpunkt?
Zentrale Themen sind die instrumententechnischen Realisierungen, die jeweilige Datenverarbeitungs- und Modellierungs-Methodik sowie die Anwendung dieser Technologien in der Baudenkmalpflege.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die vergleichende Analyse der beiden Messverfahren bezüglich ihrer Anwendbarkeit und Modellierungsqualität, um daraus Schlüsse für deren Einsatz in der Bauaufnahme zu ziehen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden mathematische Verfahren wie die Triangulation (physisch und theoretisch), verschiedene Transformations- und Ausgleichungsrechnungen sowie Algorithmen wie das Gray-Code-Verfahren und der ICP-Algorithmus zur Registrierung von Datensätzen eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen, die spezifische Vermessungskampagne am Schottenportal sowie den komplexen Auswerteprozess, inklusive der Datenfusion und Modelloptimierung mit verschiedenen Software-Lösungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wesentlichen Begriffe sind Terrestrisches Laserscanning, Streifenprojektion, 3D-Modellierung, Baudenkmalpflege, Punktewolken-Registrierung und Oberflächenrekonstruktion.
Warum spielt die Datenfusion in dieser Arbeit eine Rolle?
Die Datenfusion ist entscheidend, um die großräumige, aber grob aufgelöste Erfassung durch den Laserscanner mit der hochaufgelösten, aber kleinräumigen Erfassung der Streifenprojektion zu einem vollständigen, hochpräzisen Modell zu vereinen.
Welches Fazit zieht der Autor zur Stabilität des Systems für Außenaufnahmen?
Der Autor stellt fest, dass während der Laserscanner robust für den Außeneinsatz geeignet ist, das Streifenprojektionssystem (QT Sculptor) aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen und Umgebungslicht in der aktuellen Konstruktion noch erhebliches Verbesserungspotenzial für Außeneinsätze aufweist.
- Quote paper
- Lars Langheinrich (Author), 2004, Terrestrisches Laserscanning und Streifenprojektionsmethode am Beispiel des Romanischen Schottenportals Regensburg, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/109162
