Punktwolken2018-05-30T15:18:37+00:00

Punktwolken: Was ist das und wofür werden sie eingesetzt?

Es gibt immer mehr Fachgebiete, in denen ein Laserscanner gute Dienste leisten kann. Die von ihm erzeugten Punktwolken, alternativ auch Point Clouds genannt, machen es möglich, binnen kurzer Zeit sehr komplexe Strukturen abzubilden. Ein solches Punktwolke 3D Modell kann deshalb zur Überwachung von städtebaulichen Maßnahmen ebenso eingesetzt werden, wie bei der Herstellung von Ersatzteilen beim Reverse Engineering sowie bei der laufenden Prüfung des Zustands einzelner Bauteile.
Die daraus resultierenden Vorteile sollten auch Sie sich nicht entgehen lassen. Die Laservermessung und die lasergestützte Materialprüfung liefern Ihnen deutlich bessere und schnellere Ergebnisse, als sie derzeit mit allen anderen Mess- und Prüfverfahren erreicht werden können.

Wie entsteht eine 3D-Punktwolke und wie wird sie verarbeitet?

Beim Punktwolke Laserscanning wird für jeden abgetasteten Materialbereich ein Point (Punkt) gesetzt. Diese Punkte werden mit einem XYZ-Koordinatensystem in ein virtuelles Modell integriert. Für die dreidimensionale Darstellung dient ein CAD System, welches wiederum das Octree-Verfahren zur Gliederung der in einer erzeugten Punktwolke enthaltenen Punkte und zur Einordnung in einem Tensorfeld verwendet. Dieser Vorgang wird als Segmentierung bezeichnet. Vereinfacht ausgedrückt heißt das, der Laser erfasst Bereiche, in denen Materie vorhanden ist. Die CAD-Technologie dient dazu, die Punktwolken zu verarbeiten und in ein CAD-Modell umzuwandeln.
Für die Umwandlung wird ein spezieller Algorithmus verwendet, der zur Gattung der Out-of-Core-Algorithmen gehört. Nur damit kann das Processing (also die Verarbeitung der Daten) beim Punktwolke Laserscanning garantiert werden. Vor allem bei der Erfassung ganzer Städte oder geologischer Bereiche sind die Datenmengen oft so hoch, dass selbst der Hauptspeicher der Superrechner dafür nicht ausreichen würde. Der Out-of-Core-Algorithmus ist dafür zuständig, die zu berücksichtigenden Daten auf verschiedene Speichermedien zu verteilen.
Auch für die Darstellung der Punktwolke 3D ist ein Algorithmus erforderlich. Hier stehen für die CAD Programme verschiedene Varianten zur Auswahl. Wer Punktwolken bearbeiten möchte, sodass daraus ein Oberflächenmodell entsteht, greift oft zu Marching Cubes, der auf die Darstellung von Isoflächen (abschließende Flächen) spezialisiert ist. Um Punktwolken bearbeiten zu können, stehen verschiedene Algorithmen zur Verfügung, die in der Point Library Cloud der Open PerceptionFoundation zusammengefasst wurden.

Wofür kann der Punktwolken Scanner in der Praxis eingesetzt werden?

Eine sehr große Rolle spielt die Punktwolke CAD bei der Qualitätssicherung sowie den Prüfungen des Materialzustands im Rahmen der laufenden Sicherheitschecks. Punktwolken Scanner kommen beispielsweise bei Schienenfahrzeugen für die regelmäßige Prüfung der Achsen zum Einsatz. Eine Sichtprüfung würde hier nicht ausreichen, da selbst kleinste Materialbrüche vor allem bei den Hochgeschwindigkeitszügen mit Neigetechnik katastrophale Folgen haben können. Ein weiteres Einsatzgebiet der mit einem Laserscanner erzeugten Punktewolke CAD ist die Überprüfung des Zustands von Brückenpfeilern sowie von Staudämmen.
Die Erhebung von geografischen Informationen (in der Fachsprache Spatial Data genannt) erfolgt heute ebenso mit dem Punktwolke Laserscanning. Sie werden für die verschiedensten Zwecke benötigt. Die Punktwolke 3D kann beispielsweise anzeigen, wo größere Felsabbrüche durch Rissbildung in der Folge von Erdbeben oder der natürlichen Verwitterung drohen. Die frühzeitige Kenntnis solcher Gefahrenzonen mit einer 3D Punktwolke ermöglicht rechtzeitige Evakuierungen. Außerdem werden Spatial Data zur Vorbereitung von Ausgrabungen erhoben und können Hinweise auf bevorstehende Vulkanausbrüche liefern, indem die Veränderungen der Vulkanflanken und Vulkanschlote mit der Punktwolke CAD in regelmäßigen Abständen erfasst und miteinander verglichen werden.
Insgesamt ist das Punktwolken Modell aus dem Gefahren- und Risikomanagement nicht mehr wegzudenken. Die geografischen Informationen dienen beispielsweise zur Berechnung möglicher Überflutungsgebiete bei Sturmfluten und durch Starkregen und Tauwetter bedingten Hochwasserwellen. Die beim Processing aus der 3D Punktwolke abgeleitete Oberflächenstruktur ist ein nützlicher Helfer bei der Planung von Deichen und anderen Hochwasserschutzanlagen. Beim Bau von Straßen wird die Struktur angrenzender Berghänge mit dem Punktwolke Laserscanning untersucht. Damit kann herausgefunden werden, an welchen Stellen besondere Sicherungsmaßnahmen gegen das Abrutschen kompletter Hänge und gegen Steinschlag getroffen werden müssen.

Das Reverse Engineering profitiert ebenfalls von der Punktwolke CAD

Der Name dieses Verfahrens ist treffend gewählt, denn dabei werden Laserstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen auf die zu vermessenden Objekte gerichtet. Durch die Distanz verändern sich diese Phasen. Genau diese Veränderungen werden beim Phasenvergleichsmessverfahren erfasst und analysiert. Aus diesen Phasenveränderungen wird anschließend die jeweilige Distanz errechnet.
 
Diese spezielle Form der Laserscanning Funktionsweise hat jedoch einen Nachteil, denn sie kann nur für die Vermessung von Distanzen von bis zu 50 Metern eingesetzt werden. Sie eignet sich deshalb beispielsweise für die Bauteilevermessung beim Reverse Engineering oder die Vermessung kleinerer Bauwerke. Der große Vorteil beim Phasenvergleichsmessverfahren ist die enorme Arbeitsgeschwindigkeit. Hier können je nach Modell des Laserscanners zwischen 100.000 und 500.000 Messpunkte in die Punktewolke übertragen werden. Das heißt, damit können auch Objekte mit sehr filigranen Strukturen binnen kurzer Zeit präzise vermessen werden.
 
Fazit: Das Phasenvergleichsmessverfahren kommt beim Laserscanning kleiner Objekte zum Einsatz. Es arbeitet deutlich schneller als das Impulsmessverfahren, das vor allem bei Vermessungen von Teilen der Erdoberfläche angewendet wird. Ein hohes Maß an Präzision garantieren beide Varianten der Laserscanning Funktionsweise.

Die Punktwolken Scanner sind eine Technik mit großem Zukunftspotential

In Zukunft werden alle Technologien gefragt sein, mit denen die Ressourcen der Erde geschont werden können. Auch Technologien, bei denen eine Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen erzielt wird, kommt eine steigende Bedeutung zu. Allein schon das wird dazu führen, dass das Punktwolke Laserscanning schon in den nächsten Jahren weitere Bereiche erobern wird. Hinzu kommt, dass damit sehr präzise Messungen und die Erfassung von kleinsten strukturellen Mängeln möglich sind. Das hilft dabei, Risiken zu vermeiden, die durch Strukturschwächen an Bauteilen entstehen. Hinzu kommen folgende weitere Vorteile:
•            Materialprüfungen sind berührungslos möglich.
•            Für Tiefentests sind keine Bohrungen oder Schnitte notwendig.
•            Laserscanning eignet sich auch für großflächige Messungen.
•            Aus dem Punktwolken Modell können Vorlagen für 3D-Drucker entwickelt werden.
•            Eine Punktwolke CAD hilft bei der Wiederverwertung von Kunststoffen.
•            Die Punktwolke 3D ist ein Hilfsmittel der Reconstruction von Objekten.
•            Punktwolken Scanner ermöglichen den Nachbau nicht mehr verfügbarer Bauteile.
Möchten Sie einen der genannten Vorteile für sich nutzen, nehmen Sie am besten sofort Kontakt mit uns auf. Wir unterbreiten Ihnen gern ein individuelles Angebot, egal ob Sie mit dem Punktwolke Laserscanning Ihre Bauwerke prüfen oder geografische Informationen haben möchten.
Die Animationen zeigen den LSA Scan des Kölner Doms.
Sie sehen die reine Punktwolke in Autodesk ReCap.