Digitales Aufmaß – Teil 2

3D-Laserscanner

Nachdem wir in der Ausgabe vom Oktober Tachymetrische Systeme vorgestellt haben, geht es im zweiten Teil um 3D-Laserscanner. Wir berichten über Lösungen und worauf Metallbauer bei der Anschaffung achten sollten.

Die 3D-Laserscanner haben das geometrische Aufmaß revolutioniert. Sollen insbesondere stark strukturierte Objekte wie Stahl- oder Holzkonstruktionen, gebäudetechnische Anlagen oder frei geformte Objekte erfasst oder verformungsgerechte Aufmaße erstellt werden, ist diese Messtechnik unschlagbar. Sie erfasst komplexe Objekte fotografisch und in Form von „Punktwolken“, die aus mehreren Millionen 3D-Messpunkten bestehen. Diese können anschließend am PC in einer gewünschten Detailtiefe ausgewertet werden.

3D-Laserscanner erfassen alles

Je komplexer die Geometrie, je stärker gegliedert das zu messende Objekt ist, desto aufwendiger ist eine Einzelpunkt-Erfassung, beispielsweise mithilfe tachymetrischer Systeme (metallbau 10/2023: Digitales Aufmaß, Teil 1: Tachymetrische Systeme) und desto effizienter ist das 3D-Laserscanning, auch terrestrisches Laserscanning (TLS) genannt. Bei diesem Verfahren erfasst ein vertikal rotierender Laserscanner, der sich auch horizontal um die eigene Achse dreht, die Umgebung automatisch.

Während einer 360-Grad-Umdrehung werden alle vom Gerätestandpunkt aus sichtbaren Objekte über ihre räumlichen Koordinatenwerte in Form von mehrere Millionen umfassenden 3D-Messpunkten geometrisch erfasst. Eine integrierte Digitalkamera liefert zusätzlich Bildinformationen, aus denen 360-Grad-Fotopanoramen generiert werden können. Der gesamte Messvorgang läuft in wenigen Minuten ab, sodass der Baustellenbetrieb kaum beeinträchtigt wird.

3D-Laserscanner werden nicht nur zur Bestandserfassung, sondern zunehmend auch planungsbegleitend eingesetzt – um etwa den Soll- und Ist-Zustand auf Baustellen zu prüfen, Maße und Ausführungsqualitäten zu kontrollieren oder die bauliche Ausführung im Rahmen von „As-Built-Dokumentationen“ zu dokumentieren. Dabei werden beispielsweise gemessene Istdaten eines Rohbaus mit den Solldaten im Plan oder BIM-Modell verglichen. Es gibt auch mobile 3D-Laserscanner, die ihre Umgebung erfassen können, während sie in Bewegung sind. Dazu gehören handgehaltene, auf Tragegestellen, Fahrzeugen oder unter Drohnen montierte Systeme von Faro, GeoSLAM, Leica Geosystems, Trimble etc. Aufgrund ihrer geringeren Genauigkeiten verglichen mit obigen Systemen eignen sie sich allerdings eher für die grobe Erfassung, etwa von Standard-Grundrissen für die Gebäudebewirtschaftung.

Welche Geräteeigenschaften sind wichtig?

Bei der Geräteauswahl sollte man auf den Messbereich und die Genauigkeit achten. Für Raumaufmaße genügt in der Regel ein Messbereich zwischen 0,5 und 50 Meter, im Außenbereich sind größere Messbereiche (und Genauigkeiten) sinnvoll, die man aber nur bei höherpreisigen Geräten findet. Bei den Genauigkeitsangaben spielen die Distanzgenauigkeit, die Winkelgenauigkeit und die 3D-Punktgenauigkeit eine wichtige Rolle. Die Distanzgenauigkeit liegt bei Einsteigergeräten zwischen ± 2 und ± 6 Millimeter, aber auch mehr. Auch bei der Winkelgenauigkeit, die sich aus der Horizontalwinkel- und Vertikalwinkel-Genauigkeit zusammensetzt, gilt: Je niedriger dieser Wert ist, desto präziser misst das Gerät. Die 3D-Punktgenauigkeit gibt schließlich an, wie genau ein Punkt im Raum durch X-, Y- und Z-Messkoordinaten erfasst werden kann. Diese Werte und andere, geräteabhängige Parameter entscheiden über die effektive Messpräzision. Von den Herstellern werden Gerätegenauigkeiten aber nicht immer transparent und vergleichbar angegeben, zumal es keine Standards gibt. Bei größeren Objekten spielt auch die Messgeschwindigkeit eine Rolle, also die maximale Anzahl an Messpunkten, die pro Sekunde erfasst werden können, sowie die mittlere Scandauer. Diese beiden Werte bestimmen darüber, wie schnell Aufmaße erledigt werden können. Da 3D-Laserscanner viel Strom verbrauchen, sollte man auf die Akkulaufzeit, respektive Wechselakkus und kurze Ladezeiten achten. Beim Kaufpreis ist wichtig, welche Hard- und Software, welche Funktionen sowie welche Zusatzausstattung enthalten sind und welche (in der Regel jährlichen) Wartungs- oder Kalibrierungskosten anfallen.

Vom Messobjekt zur Punktwolke

Beim Scannen müssen mehrere Punkte beachtet werden: Die Standpunkte sollten so gewählt werden, dass mit möglichst wenigen Messungen möglichst viele Objektdetails erfasst werden und dabei wenige Mess-Schatten entstehen. Ferner müssen Grundeinstellungen vorgenommen werden, beispielsweise die Scanauflösung oder die Fotoqualität (SW/Farbe, Bildauflösung). Im Objektraum verteilte Zielmarken, Referenzkugeln oder markante, von mehreren Standpunkten erkennbare Objektpunkte, ermöglichen eine passgenaue Zusammenführung und Ausrichtung der von den einzelnen Standpunkten erstellten Scans zu einer Gesamt-Punktwolke. Dieser Vorgang wird als Registrierung oder Stationierung bezeichnet. Der eigentliche Messvorgang wird mit Hilfe einer scannerspezifischen Software oder App gesteuert und kann – abhängig vom Scannertyp, der Messpunktdichte sowie vom Messobjekt – zwischen wenigen Sekunden und einigen Minuten dauern. Ist die Erfassung vollständig, werden die Messdaten in den Standard- oder Herstellerformaten XYZ, E57, FLS, PTX etc. in eine spezielle Punktwolken-Bearbeitungssoftware importiert und weiterbearbeitet.

Von der Punktwolke zum CAD-Plan

3D-Laserscanner haben gegenüber tachymetrischen Messverfahren zwar einen Zeitvorteil bei der Erfassung, der sich allerdings bei der anschließenden Auswertung relativiert. Punktwolken-Daten müssen nämlich, bevor sie mit CAD-Programmen verarbeitet werden können, zunächst in vektorielle Daten umge-  wandelt werden. Dazu müssen die Messdaten in ein spezielles, in der Regel separat zu erwerbendes Auswertungsprogramm, wie zum Beispiel PointCab, ReCap oder Scalypso eingelesen werden. Anschließend werden die einzelnen Punktwolken über Referenzpunkte passgenau zu einem Gesamt-Scan zusammengeführt und ausgerichtet, gegebenenfalls ausgeschnitten und gefiltert, um nicht relevante Messdaten wie Vegetation, Fahrzeuge oder andere umgebende Objekte zu entfernen. Erst danach werden die Messdaten manuell oder halbautomatisch in CAD-Elemente oder BIM-Bauteile umgewandelt. Für eine Schnellauswertung lassen sich aber auch Grundrisse, Schnitte oder Schnittansichten generieren, indem man durch die Punktwolke eine Schnittebene legt und auf dieser Grundlage die CAD-Zeichnung oder ‑Konstruktion aufbaut. Einige CAD-Programme verfügen inzwischen auch über Punktwolken-Bearbeitungsfunktionen, was den Workflow von Punktwolken- zu CAD-Daten etwas vereinfacht.

Aus den extrem großen Dateien mit bis zu 10 Millionen Punktwerten und mehr müssen wesentliche von unwesentlichen Informationen getrennt und in eine für CAD-Programme verwertbare, aus Linien, Flächen, Quadern, Zylindern und anderen geometrischen Grundkörpern oder aus BIM-Objekten bestehende Vektordaten überführt werden. Diese in der Regel manuelle 3D-Modellierung erfordert am meisten Zeit und wird entweder mit gerätespezifischer oder allgemeiner Software durchgeführt (siehe auch Info-Kasten). Es gibt auch Plugins, wie zum Beispiel Leica CloudWorx oder PointCab Origins. Damit können CAD-Anwender Punktwolken direkt in ihrem bevorzugten CAD-System (z.B. Archicad, AutoCAD, BricsCAD oder Revit) komfortabel bearbeiten und dabei sowohl auf CAD-Funktionen zugreifen, als auch auf die speziellen Punktwolken-Funktionen des Plugin. Dazu gehören beispielsweise senkrechte oder waagrechte Schnitte (Grundrisse), Flächen- oder Ebenheitsmessungen. Bei der manuellen Auswertung werden einem bestimmten Bauteil (z.B. Wand, Stütze, Decke, Tür, Fenster etc.) zuordenbare Punktwolken durch das entsprechende CAD-Bauteil überlagert. 3D-Messpunkte aus der Punktwolke und daraus generierte Ebenen, Kanten, Ecken oder Achsen werden dabei als Konstruktionshilfe genutzt. Anschließend können die CAD-Daten über Standardschnittstellen wie DXF, DWG oder IFC exportiert und in metallbauspezifische CAD-Programme importiert werden.

Kaufen, mieten oder beauftragen?

Diese Frage stellt sich, mehr noch als bei tachymetrischen Systemen, denn die Kosten für TLS-Einsteigersysteme liegen zwischen 22.000 und 30.000 Euro, aber auch deutlich höher. Hinzu kommen Kalibrierungs- und Wartungskosten (zwischen 300 und 5.000 Euro, je nach Anbieter, Gerät und Leistung) sowie Kosten für die Punktwolken-Bearbeitungssoftware (ab ca. 3.300 Euro bzw. ab 55 Euro/Monat). Nicht zuletzt braucht es Know-how, also geschultes Personal für die Punktwolken-Auswertung.
Werden nur ab und zu 3D-Aufmaße gebraucht, ist eine Gerätemiete oder ein Aufmaß-Dienstleister meist sinnvoller, denn nur bei einer mehrmaligen monatlichen Nutzung amortisiert sich die Investition in der Regel. Die Mietkosten für 3D-Laserscanner betragen, abhängig vom Gerät und der Mietdauer, ca. 200 bis 500 Euro/Tag, zuzüglich Versand- und ggf. Versicherungskosten. Dienstleister verfügen über die Gerätebedienung hinaus auch über das Know-how und die Softwarewerkzeuge, um die gewünschten Ergebnisse wie etwa 2D-Grundrisse, Ansichten und Schnitte oder ein 3D CAD- oder BIM-Modell liefern zu können.

Hersteller und Dienstleister*

3D-Laserscanner: www.artec3d.com, www.deltasphere.com, www.geo-fennel-ecoline.de, www.geomax-positioning.com, www.geoslam.com, www.prodim.eu, www.riegl.com, www.surphaser.com, www.teledyneoptech.com, www.zf-laser.com, www.zofre.de

Punktwolken-Bearbeitungssoftware: www.autodesk.de, www.faro.com, www.leica-geosystems.com, www.lupos3d.de, www.pointcab-software.com, www.pointfuse.com, www.riegl.com, www.scalypso.com, www.scanner2go.de, www.topcon.de, www.trimble.com, www.zf-laser.com

 

Aufmaß-Dienstleister: www.3d-aufmasse.de, www.3dlasca.de, www.3dscan-solutions.de, www.ez35.de, www.laser-scanning-architecture.com, www.scanner2go.de, www.wekoplan.de

* Ohne Anspruch auf Vollständigkeit

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