3D scan of buildings using LIDAR

Punktwolken und 3D-Modelle: Eine neue Ära für Gebäuderestaurierungsprojekte

Gastautor Mark Senior vom Software-Anbieter PointFuse erklärt, wie Punktwolkendaten bei Gebäuderestaurierungsprojekten unterstützen können. Zur reibungslosen Zusammenarbeit zwischen den Gewerken ist die Reduzierung und Verarbeitung der Datenmengen aus den Punktwolken essentiell. Mark erläutert, wie sich dies einfach umsetzen lässt, um Gebäude detailgetreu restaurieren zu können.
Punktwolken und 3D-Modelle: Eine neue Ära für Gebäuderestaurierungsprojekte

Die Welt konnte nur entsetzt zusehen, als im April 2019 die Pariser Kathedrale Notre Dame brannte. Die ikonische Turmspitze ging ebenso verloren, wie ein Großteil des hölzernen Grundgerüsts der Kathedrale, gebaut aus etwa 51 Hektar Wald, der vor fast einem Jahrtausend abgeholzt wurde. Heute gibt es keine ausreichenden Bestände an Holz oder Bäume, die groß genug wären, um das Gerüst originalgetreu zu ersetzen. Doch es gibt nicht nur schlechte Nachrichten: Dank der Bemühungen eines engagierten Historikers, Andrew Tallon, gibt es eine Punktwolke – mehr als eine Milliarde Datenpunkte, die die Kathedrale so abbilden, wie sie im Jahr 2010, vor dem Feuer, aussah.

Motiviert durch seine lebenslange Leidenschaft für Notre Dame, machte sich Tallon daran, die Kathedrale in ihrer ganzen Schönheit zu erfassen. Mit Laserscannern, die auf Stativen positioniert waren, erfasste er jeden Aspekt des Gebäudes – entgegen der eigenen Sicherheitsbedenken, erklomm er für die Aufnahmen die hohen Simse des Gebäudes. Zusätzlich nahm er Panorama-Farbfotos auf und fügte sie der Punktwolke als RGB-Daten hinzu.

Inzwischen ist die Restaurierung von Notre Dame in vollem Gange – mit dem Versprechen, zeitgenössische und traditionelle Architektur zu kombinieren. Es wäre wunderbar, wenn das endgültige Design mehr als nur eine Anspielung auf das ursprüngliche Fachwerk von 1160 aufweisen wird. Sollte dies der Fall sein, ist es zum Teil dieser Punktwolke zu verdanken und, mehr als ein Jahrzehnt später, einer hochmodernen Punktwolken-Mapping-Software, die die Daten so interpretiert, dass sie für Architekten, Ingenieure und Restauratoren nutzbar sind.

Vorteile von Punktwolken

Mathematische Objekte können mit Formeln beschrieben werden; Architektenzeichnungen bieten eine bereinigte Ansicht, wie ein Gebäude aussehen könnte; Fotos können die Schönheit eines alten Gebäudes einfangen. Aber keine dieser Möglichkeiten kann alle Details und Nuancen eines Gebäudes erfassen, das im Laufe der Zeit verwittert und gealtert ist.

Punktwolken erfassen die x-, y- und z-Koordinaten jedes einzelnen Punktes in einem Objekt oder Gebäude. Das bedeutet nicht nur, dass jeder Ziegelstein erfasst und aufgezeichnet wird, sondern auch jede Delle, Beule und jedes Grübchen wird erwähnt. Kontextbezogene Informationen, wie z. B. RGB-Daten, helfen dabei, einen Bestand an Informationen aufzubauen, der zum Erstellen eines beeindruckend detaillierten 3D-Modells verwendet werden kann.

Früher wurde das Modell von spezialisierten CAD-Technikern von Hand gebaut. Heute kann dieser Prozess mit Hilfe von Spezialsoftware automatisiert werden, die aus der Punktwolke und allen während des Scans erfassten Kontextdaten eine realistische Kopie des Gebäudes virtuell erstellt.

Dieses GIF von Beit Ghazeleh, einer gefährdeten Kulturstätte in Aleppo, Syrien, wurde mit einer speziellen Punktwolken-CAD-Software aus einer Stichprobe einer Vermessung erstellt, die 1,2 Milliarden Datenpunkte erfasst hat.

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Bild aus einer hochpräzisen 3D-Laserscanner-Vermessung (1,2 Milliarden Datenpunkte) von Beit Ghazaleh – einer gefährdeten Kulturstätte in Aleppo, Syrien. Dies war eine gemeinschaftliche wissenschaftliche Arbeit zur Untersuchung, Sicherung und Notkonsolidierung von Überresten des Bauwerks.

Hürden und Herausforderungen

Punktwolken können also das kleinste Detail eines historischen Gebäudes speichern, sodass es irgendwann in der Zukunft originalgetreu reproduziert werden kann – es ist wie das Erfassen und Bewahren seiner DNA. Aber mit diesem Detail kommt auch ihr größter Nachteil: Die Dateien sind riesig, was es unglaublich schwierig macht, sie zu speichern, zu teilen und zu verarbeiten.

Es erfordert außerdem ein hohes Maß an Kompetenz, um zu bestimmen, was die Punkte tatsächlich repräsentieren und um sie miteinander in Verbindung zu stellen – und selbst dann können menschliche Fehler zu Ungenauigkeiten führen. Zudem ist es bei derartigen Projekten von Vorteil, wenn Experten aus verschiedenen Disziplinen an denselben Daten arbeiten können, daher ist es wichtig, dass sie nahtlos über Teams und Softwarepakete hinweg verwendet werden können. Mit Cloud-Lösungen können Benutzer auf eine einzige Kopie der Datei zugreifen und sicher sein, dass sie mit der neuesten Version arbeiten. Zugriffsprotokolle stellen sicher, dass immer nur ein Benutzer Änderungen speichern kann.

Diese Probleme sind bei jedem großen Bauprojekt üblich, aber die Restaurierung bringt eine zusätzliche Herausforderung mit sich: Wie kann man den Ist-Zustand des Gebäudes erfassen, bevor die Katastrophe eintrat, und nicht nur den aktuellen Zustand? Natürlich können wir nicht in die Vergangenheit reisen, um dieses „Wie-war“-Bild zu erhalten, aber wir können dem Archivar die Arbeit erleichtern: Eine einfach zu bedienende Software verwandelt die Erfassung der Gebäudedaten von einem großen und aufwändigen Projekt zu einer unkomplizierten Tätigkeit, die regelmäßig durchgeführt werde kann.

Das Netz: Jeder Punkt steht in Beziehung

Jeder Punkt im Universum hat eine relative Position zu jedem anderen Punkt, und wir können diese Beziehung in Form von Vektoren beschreiben. Indem wir diese Punktwolken in ein „Netz“, ein „Mesh“ aus miteinander verbundenen Punkten umwandeln, können wir redundante Daten entfernen und die Dateigröße reduzieren – je größer das Dreieck zwischen drei Punkten, desto kleiner die Datei. Der Schlüssel dazu ist, dass wir nur doppelte Daten eliminieren – und das, was wir manchmal als Rauschen bezeichnen (Personen und Elemente, die im endgültigen Modell nicht benötigt werden) – aber keines der Details, die das endgültige 3D-Modell so leistungsstark machen.

Würde das Netz manuell erstellt werden, wäre es natürlich immer noch anfällig für menschliche Fehler, aber es gibt inzwischen leistungsstarke Punktwolken-Softwareanwendungen, die diese Aufgabe schnell und genau erledigen können, so dass kein erfahrener CAD-Techniker mehr benötigt wird und die Dateigrößen von Gigabytes auf Megabytes reduziert werden.

Ein dreistufiger Prozess zur Restauration

Der Prozess endet nicht mit dem Netzmodell. Das Netz selbst ist ein Mittel zum Zweck – eine Möglichkeit, die Punktwolke in einer viel kleineren, aber ebenso detaillierten Datei abzubilden, die von mehreren Personen in verschiedenen BIM-Systemen verwendet werden kann.

Eine alltägliche Gebäudetransformation würde mit einer Punktwolke beginnen, um den Ist-Zustand zu erfassen, aus dem Architekten das endgültige Design überlagern würden.

Wenn es um den Erhalt und die Restaurierung unseres architektonischen Erbes geht, gibt es jedoch einen wichtigen zusätzlichen präventiven Schritt, nämlich die Erfassung des Ist-Zustandes durch regelmäßige Punktwolken-Backups und deren sichere Speicherung unabhängig von Bauprojekten. LiDAR-Sensoren oder andere tragbare Scanner ermöglichen es Anwendern, Scans zu erstellen. Größere und komplexere Scans werden jedoch in der Regel immer noch von Drittanbietern durchgeführt, die sogar Drohnentechnologie einsetzen können, um detaillierte Scans von hohen Gebäuden zu erhalten.

Mesh-Software fungiert nicht nur als Brücke zwischen den datenlastigen Punktwolken und der endgültigen Konstruktionssoftware, sondern kann auch ein nützliches Archivierungswerkzeug für den Ernstfall sein.

Über den Autor

Mark Senior ist Business Director von PointFuse, eines führenden AEC-Software-Anbieters. Er ist seit der Gründung von PointFuse mit an Bord und hat die Entwicklung von der Spitzentechnologie zu der erfolgreichen kommerziellen Lösung, die sie heute ist, mitgestaltet.

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