Auswertung von 3D-Laserscans in den Bereichen der Archäologie und Denkmalpflege mit LupoScan

Von Olaf Prümm, Mustapha Doghaili, Michael Pospiš

1. Zusammenfassung

Die Bestandsdokumentation mittels 3D-Laserscanning in den Bereichen Archäologie und Denkmalpflege hat in den letzten Jahren einen immer höheren Stellenwert eingenommen. Die aktuellen 3D-Laserscanner erfüllen die Anforderungen bezüglich Schnelligkeit, Genauigkeit und Vollständigkeit. Obwohl der Anschaffungspreis der Laserscanner in den letzten Jahren erheblich gesunken ist und auch Computer mit 64-Bit Systemen die Möglichkeiten hinsichtlich der Darstellung und Auswertung von Laserscandaten erweitert haben, stellt sich gerade in den Budget limitierten Bereichen der Denkmalpflege und Archäologie die Frage der Wirtschaftlichkeit.

Mit der von Lupos3D entwickelten Software LupoScan, die häufig Anwendung in den Bereichen der Archäologie und Denkmalpflege findet, stellen wir eine Lösung zur effizienten Extraktion der benötigten Informationen vor.

2. Einleitung

Die Firma Lupos3D wurde im Jahr 2005 als Dienstleistungsunternehmen für 3D-Bestandsaufnahmen mit Schwerpunkt in den Bereichen Architektur, Archäologie und Denkmalpflege gegründet. Die Softwareprodukte, die zu dieser Zeit auf dem Markt zur Auswertung angeboten wurden, waren hauptsächlich für Anwendungen im Industriebereich konzipiert. Ferner erfolgte die Auswertung weitestgehend in den 3D Punktwolken, welches zur Folge hatte, dass neben den hohen Anschaffungskosten für die Software, teure Computer zur Bewältigung der großen Datenmengen angeschafft werden mussten.

Die zunächst aus Eigenbedarf entwickelte Software LupoScan nutzte im Gegensatz zu den meisten anderen Programmen konsequent den Vorteil der Darstellung von Punktwolken in 2D-Ansichten. Dadurch war es möglich, sehr große Datenmengen auch auf einfachen Rechnern zu verarbeiten. Seit 2007 wird LupoScan vertrieben und kommt mittlerweile weltweit in unterschiedlichen Anwendungsgebieten zum Einsatz.

3. Datenverarbeitung

Bei einer Bestandsaufnahme mit dem 3D-Laserscanner fallen nicht selten Datenmengen von 50 GB oder mehr an. Neben den Laserscans verarbeitet LupoScan auch Fotos, bzw. Messbilder, die unabhängig vom Standpunkt des Laserscans aufgenommen werden können und tachymetrische Passpunktmessungen. Folgende Anforderungen wurden an die Auswertesoftware LupoScan gesetzt.

• leichte Bedienbarkeit
• sinnvolle Reduzierung der Daten
• übersichtliche Darstellung der Daten
• Bereitstellen von Austauschformaten, bzw. Schnittstellen zu anderen Programmen
• Schnittstellen zu verschiedenen 3D Laserscannern

Im weiteren Verlauf werden die Funktionen von LupoScan vorgestellt, die in den Bereichen der Archäologie und Denkmalpflege am häufigsten angewendet werden.

3.1 Import

Die Datenformate der meisten Laserscannerhersteller können von LupoScan direkt in ein eigenes strukturiertes Datenformat importiert werden. Andere Daten lassen sich über allgemeine offene Austauschformate, wie PTS, PTX oder PTG importieren. Dabei ist es vorteilhaft wenn die Punktwolke noch einem Standpunkt zuzuordnen ist. Besteht die Punktwolke aus mehreren zueinander orientierten Standpunkten ist es nicht sinnvoll eine 2D Panorama Ansicht zu generieren und die Auswertung wird erschwert. Falls die Laserscans bereits orientiert sind, wird die Orientierung der Scans automatisch von LupoScan übernommen. Des weiteren gibt es die Möglichkeit die Scandaten während des Importes von unerwünschten Messungen zu filtern.

3.2 Filter

Die Laserscandaten sind aufgrund unterschiedlicher Ursachen mit Fehlern behaftet. Diverse effektive Filter ermöglichen zum Beispiel das automatische Aussortieren von fehlerhaften Messungen an Objektkanten, von atmosphärischem Rauschen und von Messungen mit schleifendem Auftreffwinkel. Aufgrund der sehr individuell anpassbaren Einstellungsmöglichkeiten der Filterparameter, sollte die Filterung grundsätzlich erst mit LupoScan durchgeführt werden.

3.3 Orientierung

Wenn die Laserscans bereits mit einer anderen Software orientiert wurden sind, so wird diese direkt beim Import der Scans eingelesen. Ansonsten können einzelne Laserscans schnell und einfach über Pass- und Verknüpfungspunkte referenziert werden. Zudem kann das Markenzentrum mit Hilfe des Korrelationsverfahrens automatisch hoch genau bestimmt werden. Eine zusätzliche Zeitersparnis ergibt sich durch die automatische Zuordnung von Passpunkten nach der Bestimmung von drei Punkten.

3.4 Interaktiv

Sobald die Laserscans orientiert und von Fehl- oder unerwünschten Messungen bereinigt sind, kann mit der Auswertung begonnen werden. Die einfachste Form der Auswertung ist das interaktive Messen von einfachen CAD-Objekten, wie Höhenpunkte, Linien, Polylinien, Dreiecken und Vierecken.

Die Messungen erfolgen dabei punktuell in den übersichtlichen Intensitäts-, Spot- oder Normalenbildern der Laserscans, Orthophotos oder wahlweise in der 3D Punktwolke. Alle Objekte können direkt in eine geöffnete AutoCAD-, Bricscad- oder Rhino- Zeichnung eingefügt werden. Bei der punktuellen Auswertung werden nur ein Teil der Informationen aus den Laserscans genutzt. Der Vorteil besteht im Wesentlichen darin, dass die einmal gescannten Objekte einen Zustand konservieren und gegenüber der tachymetrischen Messung vor Ort eine zeitlich unabhängige Auswertung möglich wird. Dies ist insbesondere bei Grabungen in der Archäologie von Vorteil.

3.5 Schnitte

Bei der verformungsgerechten Auswertung empfiehlt es sich aus den Punktwolken Schnitte zu generieren. Es können äquidistante Schnitte bezüglich von Ebenen oder vertikal zu Polylinien (Achsen) berechnet werden. Die extrahierten Schnitte können u.a. im DXF-Format gespeichert werden und lassen sich leicht in CAD-Programmen weiterverarbeiten. Außerdem lassen sich die erzeugten Schnitte auch in die 2D-Ansichten einblenden.

3.6 Orthophotos

Aus den Laserscans lassen sich Orthophotos bezüglich beliebiger Ebenen berechnen. Das Ergebnis wird in einem eigenen Datenformat abgelegt, welches weiterhin die 3D Informationen der Daten enthält. Ein dreidimensionales interaktives Auswerten ist auch hier möglich.

Neben der Darstellung der Bilddaten (Farbe, Laserintensitäten) lassen sich auch Spot- oder Normalen-Bilder berechnen. Diese bieten dem Anwender zusätzliche Analysemöglichkeiten, insbesondere der Oberflächenstruktur.

Die Orthophotos können als Bilddateien, mit entsprechenden Koordinaten, zum Einfügen in verschiedenste CAD- oder Schadenskartierungsprogramme, exportiert werden. Teilweise werden Sie auch ausgedruckt und dienen als analoge Kartierungsvorlage vor Ort.

3.7 Abwicklungen

Gerade in der Denkmalpflege trifft man häufig auf Objekte, wie Rundtürme oder Tonnengewölbe, die sich nicht maßstäblich anhand eines Orthophotos in einer Ebenen abbilden lassen. Daher bietet LupoScan zusätzlich die Funktion Oberflächen von Kegeln, Zylindern und selbst elliptischen Zylindern in die Ebene abzuwickeln und somit maßstäblich in Plänen darzustellen.

Die Abwicklungen können dann, analog der Orthophotos, als Bilddateien in unterschiedlichen Programmen als Grundlage für weitere Auswertungen benutzt werden.

3.8 Vermaschungen

Dreiecks- oder Vierecksvermaschungen lassen sich einfach und schnell aus den Laserscans, Orthophotos und Abwicklungen erstellen. Die Dreiecksvermaschungen können im STL- oder wahlweise mit Farbe im VRML-Format exportiert werden.

3.9 Einrechnen von Farbinformationen aus externen Fotos

Viele 3D-Laserscanner bieten mittlerweile die Option Farbinformationen mittels integrierter Kameras aufzunehmen. Leider entsprechen die so aufgenommenen Panoramen oftmals nicht den Anforderungen der Denkmalpflege. Zum Einen ist die Auflösung begrenzt und zum Anderen sind die gegebenen Belichtungssituationen häufig problematisch, so dass es sich empfiehlt, die Objekte unabhängig vom Standpunkt des Laserscanners mit hochwertigen Kameras aufzunehmen.

Diese zusätzlichen Aufnahmen können mit LupoScan sowohl in Laserscans als auch in Orthophotos oder Abwicklungen eingerechnet werden, nachdem die Fotos anhand von identischen Punkten orientiert wurden. Dadurch wird es möglich die Auflösung, die in den Laserscans aufgrund der Laserspotgröße auf ca. 3 mm am Objekt begrenzt ist, zu erhöhen. Die so erzeugten Bildpläne erlauben eine Auswertung bis hin zum Maßstab 1:10.

3.10 Deformationsanalyse

Aufgrund der hohen Punktdichte, die mit dem Verfahren des Laserscannings erzielt wird, ist es möglich, Deformationen von Oberflächen einfach und in kurzer Zeit zu bestimmen. So können einerseits Verformungen bezüglich einer Sollform (Ebene, Zylinder) bestimmt werden. Zum Anderen lassen sich auch zeitlich bedingte Verformungen eines Objekts aus Messungen in verschiedenen Epochen bestimmen.

LupoScan bietet die Möglichkeit die Daten, die in Form von Orthophotos oder Abwicklungen vorliegen sollten, punktgenau zu vergleichen.

4. Fazit

Die einfache Bedienbarkeit von LupoScan ermöglicht selbst Neueinsteigern schnelle Erfolge bei der Auswertung von Laserscandaten. LupoScan bietet Anwendern aus den Bereichen der Archäologie und Denkmalpflege weitgehende Werkzeuge zur schnellen Extraktion aussagekräftiger Informationen. Die Möglichkeit unterschiedliche Laserscannerformate einzulesen kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Aufnahme zunächst aus wirtschaftlichen Gründen als Dienstleistung eingekauft wird oder Leihgeräte eingesetzt werden.

Die Direktschnittstellen zu den CAD-Programmen AutoCAD, Bricscad und Rhino sowie die gängigen Exportformate erlauben eine leichte Integration der Auswertung von Scandaten in bereits existierende Arbeitsabläufe. LupoScan wird in drei verschiedenen Versionen angeboten. Preislich sehr attraktiv ist dabei die einfachste Version LupoScan Light. In Kombination mit den kostengünstigen CAD-Programmen Rhino oder Bricscad eröffnen sich dadurch bereits vielseitige Auswertemöglichkeiten.

Text u. Abbildungen: © 2013 Olaf Prümm, Mustapha Doghaili, Michael Pospiš