Beispiel für eine Erfassung von Einzel-Baumdaten mit dem terrestrischen 3D-Laserscanner VZ-600i. Die Daten wurden in nur 24 Minuten aufgenommen. Quelle: RIEGL

Der terrestrische 3D Laserscanner RIEGL VZ-600i ermöglicht es beispielsweise, in 25 Minuten eine Fläche von etwa 4000 m² zu erfassen. Die aufgezeichnete Punktwolke wird anschließend mit dem LIS TreeAnalyzer-Software-Plugin in der RIEGL-Software analysiert. Anwender:innen erhalten dann sehr schnell, neben Brusthöhendurchmesser oder der Baumhöhe, jedes einzelnen Baumes auf dieser Fläche auch Daten zum Volumen des Waldes. „Die Objektivität und Präzision dieser Methode ermöglicht vollständig wiederholbare Messungen auf derselben Fläche“, sagt Riegl-Forstexperte Bernhard Groiss.

Flexible Möglichkeiten
Mit dem integrierten Plugin bietet RIEGL hier ein Komplettpaket speziell für forstwirtschaftliche Einsätze. Neben terrestrischen Systemen wie dem VZ-600i hat RIEGL aber auch LiDAR Systeme für die luftgestützte Datenerfassung im Angebot. Flugzeuge, ausgestattet mit RIEGL VQ-Serie Laserscanning-Systemen, werden für großflächige Waldinventuren eingesetzt. Sie ermöglichen die schnelle Erfassung von Daten über ausgedehnte Gebiete und liefern Messwerte für die Biomasseabschätzung, die Baumhöhen- und Oberflächenmodellierung.
Drohnen-basierte Systeme mit geringem Gewicht, wie die RIEGL VUX-Serie, eignen sich für die luftgestützte Datenerfassung mittelgroßer Gebiete und im schwer zugänglichen Gelände. NFB-Scanning (Nadir/Forward/ Backward Scanning) und eine hohe Scanrate ermöglichen die detailgenaue Erfassung vertikaler Strukturen. „Das ist ideal für die Waldinventur“, sagt Groiss.

Vorteile des Waveform-Processings für Forstanwendungen
Alle RIEGL-Sensoren zeichnen die vollständige Wellenform jedes Laserimpulses auf und analysieren sie (RIEGL Waveform-Processing). Dies ermöglicht die Extraktion mehrerer Echos und damit eine präzise Charakterisierung komplexer Waldstrukturen – von der Höhe und Dichte des Kronendachs bis hin zu Unterholzschichten und bodennahen Strukturen, die unter der Vegetation verborgen sind. Dadurch erhalten Forstfachleute ein dreidimensionales Verständnis des Ökosystems und nicht nur ein oberflächliches Modell wie bei einfacheren Aufnahme-Systemen.
Durch die Kombination von luftgestützten und terrestrischen Scanverfahren bietet RIEGL ein umfassendes Set unterschiedlicher Sensoren für die moderne Forstwirtschaft. Die daraus resultierenden multiskalaren Datensätze verbessern die Entscheidungsfindung, erhöhen die Genauigkeit der Bestandsaufnahmen und unterstützen innovative Forschung im Bereich der Walddynamik und der Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen.
www.riegl.com

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Vermessung am Hallstatt Skywalk: Auf der Aussichtsplattform kam der VZ-4000i-25 Long-Range 3D terrestrische Laserscanner zum Einsatz. Quelle: RIEGL

Was kann 3D-Laserscanning heutzutage leisten? RIEGL zeigt anhand einer besonderen LiDAR-Fallstudie wie man aussagekräftige Erkenntnisse zu kulturell geprägten Landschaften über unterschiedliche Umgebungen und Größenordnungen hinweg erzielen kann. Konkret geht es um die österreichische Region Hallstatt – einem UNESCO-Welterbe, das von der Organisation der Vereinten Nationen für Bildung, Wissenschaft und Kultur aufgrund seiner herausragenden kulturellen und natürlichen Bedeutung anerkannt ist. In dem 2025 gestarteten Projekt geht es unter anderem darum, mit der 3D Laserscanning Technologie von RIEGL neue Dimensionen aufzuzeigen.

Bei dem Projekt wurde insbesondere für Architektur und Denkmäler der VZ-600i sowohl im statischen als auch im kinematischen Modus eingesetzt, so dass das Team nahtlos zwischen stativbasierten Scan- und mobilen Kartierungsabläufen wechseln konnte, um verschiedene Gelände und Umgebungen effizient zu erfassen. Quelle: RIEGL

Das Projekt zeigt, in welch breitem Anwendungsbereich die LiDAR Technologie eingesetzt werden kann. Von steilen, schwer zugänglichen Tälern und sich zurückziehenden Gletschern bis hin zu alten Salzminen, archäologischen Stätten und sich verändernder Vegetation – die Region bietet unterschiedlichste Szenarien, die für Aufnahmen herangezogen werden können. Diese höchst unterschiedlichen Bedingungen und Voraussetzungen machen Hallstatt zu einem idealen Testfeld, um die Flexibilität und Präzision des RIEGL Sensorportfolios zu demonstrieren. RIEGL ist ein weltweit führender Anbieter von Laserscannern und Scanning-Systemen für den Vermessungsbereich und liefert modernste Waveform-LiDAR Lösungen für terrestrische, industrielle, mobile, luftgestützte und UAV-basierte Anwendungen. Seit 1978 fertigt RIEGL LiDAR Sensoren und Systeme für den kommerziellen Einsatz, die auf dem Pulslaufzeitverfahren basieren und bei unterschiedlichen Laser-Wellenlängen arbeiten.

Welterbe Hallstatt

„Die Welterbestätte Hallstatt ist ein atemberaubender Ort, der für seine lange Geschichte bekannt ist“, sagt Bernhard Groiss, RIEGL Senior Technical Expert LiDAR Applications. „In den letzten 8000 Jahren haben Menschen hier Salz abgebaut, sich den täglichen Herausforderungen des Lebens in einer rauen alpinen Umgebung gestellt und die Landschaft zu dem einzigartigen Kulturerbe gemacht, das sie heute ist. Die 3D-Aufnahme dieses Ortes mit den verschiedenen von RIEGL entwickelten LiDAR-Sensoren ist nicht nur eine große Ehre, sondern auch eine großartige Gelegenheit, die Fähigkeiten und Eigenschaften des vielfältigen Portfolios von RIEGL-Sensoren und ihre effizienten Vermessungsabläufe zu präsentieren“.

Um die ehrgeizigen Ziele des Projekts zu erreichen, setzte RIEGL eine Kombination aus luftgestützten und terrestrischen LiDAR-Systemen ein. Das RIEGL VQ-840-GE Airborne Bathymetric LiDAR System wurde eingesetzt, um hochauflösende bathymetrische Daten zu erfassen. Seine spezielle Lasertechnologie ermöglichte eine präzise Kartierung des Unterwassergeländes und im Flachwasserbereich,. Es lieferte wichtige Erkenntnisse über unter Wasser liegende archäologische Details und die hydrologische Dynamik.

Eingesetzte Systeme

An Land wurden die RIEGL terrestrischen Laserscanner VZ-4000i-25 und VZ-600i eingesetzt, um die komplexe Topographie und die kulturellen Sehenswürdigkeiten der Region zu dokumentieren. Der VZ-4000i-25 mit seiner großen Reichweite und hohen Genauigkeit war ideal, um aus der Distanz Details des weitläufigen bergigen Geländes und des Gletschers zu erfassen. Der VZ-600i hingegen bietet die Möglichkeit einer schnellen Datenerfassung bei hoher Detailauflösung, wodurch er sich perfekt für die Erfassung komplexer architektonischer und archäologischer Strukturen innerhalb des historischen Ortes und seiner Umgebung eignete.

Die Systeme von RIEGL wurden sowohl im statischen als auch im kinematischen Modus, sowohl am Boden als in der Luft eingesetzt, um hochauflösende Daten in einer Vielzahl von Vermessungsszenarien zu erfassen. Dieses Projekt zeigt nicht nur die Leistungsfähigkeit jedes einzelnen Sensors, sondern unterstreicht auch die Leistungsfähigkeit von RIEGLs kombinierten Verarbeitungsstrategien. Durch den Einsatz präziser Georeferenzierung ermöglichten die Arbeitsabläufe eine reibungslose Datenfusion und lieferten multiskalare Ergebnisse, die eine detaillierte Analyse und Visualisierung ermöglichten.

Der Zugriff auf zuverlässige Daten geschieht dabei zeitnah. Die Software-Tools von RIEGL unterstützen eine rationelle und leistungsstarke Verarbeitung und Analyse, die es den Anwendern ermöglicht, auch während des Feldeinsatzes verwertbare 3D-Erkenntnisse zu gewinnen. Diese Fähigkeit verbessert die Entscheidungsfindung und stellt sicher, dass die Daten für die Interpretation und Langzeitarchivierung sofort verfügbar sind.

INTERGEO 2025: Halle 12.0, Stand 0C051

www.riegl.com

www.welterbe-salzkammergut.at

www.hallstatt.ooe.gv.at

RIEGL Messflugzeug mit integriertem RIEGL VQ-840-GE System mit dem auch Teile des Seegrunds vermessen wurden (Bathymetrie). Quelle: RIEGL

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In einem Video-Beitrag Beitrag des Amts der Tiroler Landesregierung wird erklärt, wie die Öffentliche Hand auf das Ereignis reagierte. Eingeschaltet wurde auch das Amt für Geoinformation. Quelle: Amt der Tiroler Landesregierung

Die an der Universität Innsbruck im Einsatz stehenden 3D-Laserscanningverfahren zur Ermittlung von Veränderungen im Hochgebirge ermöglichten rasch nach dem spektakulären Bergsturz ein präzises Lagebild. Das Volumen des Abbruchmaterials wurde durch das Team in kürzester Zeit mit 1.000.000 Kubikmeter Material beziffert, darüber hinaus entstand ein 3D-Modell des Berges, der 19 Meter an seiner Gesamthöhe verlor. „Somit konnten wir rasch wesentliche und belastbare Informationen an die entsprechenden Behörden des Landes Tirol weitergeben“, sagt Martin Rutzinger, Leiter der Arbeitsgruppe Fernerkundung und Topographisches LiDAR am Institut für Geographie. Die Planung und Durchführung der Laserscanningkampagne wurde durch Magnus Bremer geleitet, den Systemaufbau und -umbau führten Stefanie Mössler und Andreas Cziferszky vom Institut für Geographie durch.

Hundertausende Laserpulse pro Sekunde

„Hochalpine Gebiete sind zunehmend Prozessen ausgesetzt, die durch die Auswirkungen des Klimawandels verstärkt werden. Beispiele sind abschmelzender Permafrost, aber auch Starkregenereignisse, die zur Destabilisierung von Hängen und Bergflanken führen können. Daraus resultierende Veränderungen der Topographie, sowie Auswirkungen von Umweltprozessen generell, können mit 3D-Laserscanningverfahren detailliert erfasst und quantifiziert werden“, erklärt Martin Rutzinger. Dazu kommen sogenannte Laserscanner zum Einsatz, die auf bodengestützten Plattformen, auf Drohnen und Helikoptern montiert werden. Bei dem aktuellen Fall am Fluchthorn angewendeten Laserscanning vom Helikopter aus werden zwischen 200.000 und 800.000 Laserpulse pro Sekunde ausgesendet. Über die Laufzeit jedes einzelnen Laserpulses, hin zur Erdoberfläche und wieder zurück, wird die Entfernung zwischen Sensor und Oberfläche ermittelt. Die für den Menschen unsichtbaren und ungefährlichen Laserschüsse werden dabei von einem rotierenden Spiegel abgelenkt, womit ein Profil um den Scanner herum abgetastet wird. „Mit der Vorwärtsbewegung des Helikopters werden tausende dieser 3D-Profile aneinandergehängt und ein vollständiges 3-dimensionales Bild der Erdoberfläche erzeugt“, so Rutzinger.

Expertise in Innsbruck

Bei dem Bergsturz am 11. Juni 2023 am Fluchthorn, einem 3397 Meter hohen Gipfel der Silvretta-Gruppe an der Grenze zwischen Österreich und der Schweiz, brach rund eine Millionen Kubikmeter Gestein ab. Die Höhe des Berges reduzierte sich auf 3380 Meter. Abgänge von Gestein bezeichnet man ab einer Größe von einer Millionen Kubikmeter als Bergstürze, darunter als Felsstürze.
Quelle: Universität Innsbruck

Flächendeckendes Laserscanning gehört in vielen Bundesländern in Österreich zu einem Standardverfahren, um in regelmäßigen Abständen die gesamte Landesfläche hochgenau und dreidimensional zu vermessen. Treten größere Naturgefahrenereignisse auf, können diese mit Laserscanning zielgerichtet, schnell und effizient erfasst werden. Im Vergleich mit den bestehenden Daten können Veränderungen sehr genau quantifiziert und das Prozessgeschehen analysiert werden. Bereits seit fünf Jahren betreibt das Institut für Geographie eine Laserscanner-tragende Drohne. Durch die Verwendung eines Montagearms kann seit kurzem der Laserscanner als Multisensorplattform auch auf einem Hubschrauber montiert werden, um so noch größere und unzugänglichere Gebiete aufnehmen zu können. Die Planung, Durchführung und Vorprozessierung der 3D-Geodaten benötigt speziell ausgebildetes Personal. Die Arbeitsgruppe Fernerkundung und Topographisches LiDAR am Institut für Geographie befasst sich mit der automatisierten Auswertung von 3D Datensätzen und entwickelt automatisierte Verfahren zur Fusionierung mit weiteren Fernerkundungsdaten und Auswertungen von Zeitserien mit Fokus auf alpine Naturraumprozesse.

www.heli-austria.at

Laserdata.at

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Die Dokumentation kulturellen Erbes ist ein typisches Einsatzgebiet von 3D-Laserscannern. Sie erzeugen einen Digitalen Zwilling der gebauten Vergangenheit und ermöglichen so vielfältige neue Ansätze für Darstellung, wissenschaftliche Bearbeitung und langfristige Dokumentation von menschlichen Leistungen, die herausragend sind. Dieses Erbe findet sich selbst in der Antarktis wieder, etwa in Form der frühen Stationen und Unterkünfte, die im Zuge der erstmaligen systematischen, wissenschaftlich geprägten Land-Erkundung in den 1940er Jahren erbaut worden waren und die heute musealen Charakter haben.
Um den Erhalt im Sinne des kulturellen Erbes kümmert sich unter anderem der United Kingdom Antarctic Heritage Trust (UKAHT). Die Wohltätigkeitsorganisation hat das British Antarctic Survey (BAS), ein Institut des Natural Environment Research Council (UKRI-NERC), beauftragt, diese Stationen in 3D zu dokumentieren. Das Mapping and Geographic Information Center (MAGIC) der BAS hat die Erfassung einer detaillierten 3D-Aufzeichnung der Standorte durchgeführt.

Gesamte Punktwolke des Wordie House. Die Haupthütte wurde nach Sir James Wordie, einem Mitglied von Shackletons Imperial Trans-Antarctic Expedition benannt. Im Mai 1954 zog der Betrieb der Station und des Wissenschaftsprogramms in ein neues Gebäude auf der benachbarten Insel Galindez. Quelle: Zoller & Fröhlich GmbH

Stützpunkte aus den 1940er Jahren
Die Gebäude oder „Hütten“, die üblicherweise als antarktisches Gebäude bezeichnet werden, können intern komplex sein, häufig mit beengten Gängen und Räumen. Eine Kombination aus terrestrischem Laserscanning und Photogrammetrie wurde verwendet, um die 3D-Modelle zu erstellen. Ziel des Projekts ist es, detaillierte Messungen, Planungen und Vorbereitungen sowie die Vorfertigung von Ersatzmaterialien für Erhaltungsarbeiten in Großbritannien zu ermöglichen. Dies soll den Zeitaufwand vor Ort verkürzen und letztendlich fundiertere Entscheidungen für die langfristige Erhaltung der Standorte ermöglichen.
Das Vermessungsteam besuchte in der Antarktis-Saison 2019/2020 drei Standorte: Port Lockroy (Basis A), Baujahr 1944, Wordie House (Basis F) 1947 und Damoy Hut 1975. Die Standorte, die im Antarktisvertrag als historische Stätten und Denkmäler (HSM) geschützt sind, wurden ursprünglich von der Falkland Islands Dependencies Survey (dem Vorläufer von BAS) in den 1940er und 50er Jahren eingerichtet und fungierten als Vorposten, von der aus Wissenschaft und Erforschung auf dem Kontinent betrieben wurden. Während ihrer Betriebszeit waren sie das ganze Jahr über von einer Gruppe von Wissenschafts- und Hilfspersonal besetzt. Das UKAHT führt ein mehrjähriges Schutzprogramm durch, um die Stützpunkte vor weiterem Zerfall zu bewahren.

Scanausrüstung in wasserdichtem Gepäck

Als Scanner wurde der Z+F IMAGER 5016 der Zoller & Fröhlich GmbH eingesetzt. Ausgewählt wurde er aufgrund der Kombination aus kurzer Mindestreichweite (0,3 m) und niedriger Mindestbetriebstemperatur (-10 ° C). Mit dem Z+F IMAGER 5016 wurden alle historischen Gebäude (innen und außen) und die unmittelbare Umgebung vollständig erfasst. Einen breiteren Kontext lieferten einige ergänzende terrestrische Photogrammetrie und Luftaufnahmen, die zu Beginn der Saison durchgeführt worden waren.

3D-Laserscanning mit dem Z+F IMAGER 5016unter schwierigsten Bedingungen in der Antarktis. Aufgenommen wurden die Hütten der ersten systematischen Explorationen aus den 1940er Jahren, die heute unter Denkmalschutz stehen. Quelle: Zoller & Fröhlich GmbH

An der Außenseite der Gebäude wurden Registrierungstargets verwendet, dies war jedoch für die Innenräume aufgrund der Sprödigkeit einiger Oberflächen nicht möglich. Stattdessen wurde das Plane-to-Plane Registrierungsmodul in Z+F LaserControl verwendet, um die Innenscans auszurichten, bevor sie mit dem breiteren externen Modell verknüpft wurden. Um diese Registrierung zu verfeinern und die begrenzte Überlappung zwischen Scans zu überwinden, die durch die engen Räume verursacht wird, wurde der Abstand zwischen den Scanpositionen verringert. Die Erstregistrierung erfolgte zum Zeitpunkt der Erfassung in Z+F Laser-Control Scout, um die Ergebnisse zu bestätigen, bevor fortgefahren wurde. Die Möglichkeit, eine Überprüfung der Ergebnisse vor Ort vorzunehmen, war von entscheidender Bedeutung, da zwischen den Besuchen der Teams an einigen entlegeneren Standorten mehrere Jahre liegen können.
Der Datenerfassungsteil des Projekts stellte das Team auch vor einige einzigartige Herausforderungen. Der Zugang zu zwei der drei Standorte war nur mit kleinen Booten möglich, wobei der Scanner täglich in einem wasserdichten Packsack transportiert wurde (zusätzlich zum Transportkoffer). Es gab auch eine Reihe von Transfers auf See zwischen kleinen Booten und Schiffen, bei denen äußerste Vorsicht geboten war. Der Z+F IMAGER 5016 erwies sich als handlich und überstand die Strapazen der Feldforschung in der Antarktis sehr gut. Das Projekt war sehr erfolgreich, da alle drei Standorte im Laufe der Saison erfasst wurden. Die verfügbare Arbeitszeit wurde aufgrund des schlechten Wetters in Port Lockroy verkürzt, trotzdem wurden während der Feldarbeit fast 350 Scans gemacht. Die signifikante Effizienzsteigerung während der Datenerfassung war für das Projekt vor dem Hintergrund der widrigen Umgebungsbedingungen und der komplexen Logistik von erheblichem Wert.

Transport von High-Tech. Da man nur wenige Passpunkte für die genaue Abbildung benötigte, konnte die Arbeit „im Feld“ zeitlich stark reduziert werden. Quelle: Zoller & Fröhlich GmbH

Punktwolken
Trotz weniger Targets war die Registrierung der Innenscans mittels Plane-to-Plane erfolgreich. Darüber hinaus überwand der Z+F IMAGER 5016 sowohl die dunklen Oberflächen der Außenverkleidung der Gebäude und konnte auch die hochglänzenden Innenflächen genau dokumentieren, was gerade bei der Photogrammetrie ein schwieriges Unterfangen darstellt. Der Z+F IMAGER 5016 kam nach Angaben von Zoller & Fröhlich nur bei stark schrägen Winkeln zu diesen Oberflächen an seine Grenzen, doch dies konnte durch die Dichte der in den Gebäuden durchgeführten Scans leicht überwunden werden.

3D-Punktwolke aus dem Wordie House. Die normale Belegung in den Anfangsjahren betrug vier bis fünf Personen. Dosen mit Kaffee und anderen Gütern, Schallplatten, Werkzeuge, Farbdosen, Teller, Töpfe, Pfannen, Bücher, Schreibmaschinen, Funkgeräte und andere Gegenständen sind noch in der Hütte zu finden, was sie zu einer faszinierenden Zeitkapsel des Lebens in einer der ersten wissenschaftlichen Stationen der Antarktis macht. Quelle: Zoller & Fröhlich GmbH

Die daraus resultierenden Modelle werden nun an das UKAHT-Erhaltungsteam übergeben, um eine effizientere Analyse und Verwaltung der Standorte aus Sicht des Kulturerbes zu ermöglichen. Sie werden auch verwendet, um der Öffentlichkeit einen besseren Zugang zu den Websites zu ermöglichen, sodass Menschen, die sonst nie die Möglichkeit haben, die Antarktis zu besuchen, diese virtuell erkunden und erleben können.
www.bas.ac.uk
www.ukaht.org
www.zofre.de

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Die Aufnahmerate der Kameras wurde optimiert und die Datenmenge im Vergleich zur Z+F MapCam um fast die Hälfte reduziert. Damit verkürzen sich zum einen die Übertragungszeiten, die bei größeren Datenmengen entstehen. Zum anderen wird Speicherplatz gespart.

Punktwolke mit Farbdaten von einem Kreisverkehr und einer Straßenkreuzung mit Verkehrsschildern und Ampeln

Die integrierten Kameras des P9020C ermöglichen eine schnelle Installation. Lediglich ein USB 3 Kabel ist für die Übertragung und Steuerung der Systemkomponenten erforderlich. Weniger Kabel bedeuten auch eine geringere Fehleranfälligkeit und im Umkehrschluss mehr Sicherheit bei der Erfassung der Daten. Die Bauweise des P9020C entspricht der des P9020. Damit können die Scanner in nur wenigen Minuten ausgetauscht werden.

Im Gegensatz zu externen Kameras kann bei den fest verbauten Kameras des P9020C auf eine Kalibrierung verzichtet werden. Die Kameras und der Scanner sind, so der Hersteller, perfekt aufeinander abgestimmt und bei Lieferung direkt einsatzbereit. Auch die Synchronisation der Komponenten erfolgt bei Installation vollautomatisch. Bild und Vermessungspunkte passen so exakt zusammen.

Weitere Eigenschaften des P9020C sind die Schutzklasse IP66, ein kompaktes Design zur Vermeidung von GPS-Störungen, eine verbesserte Auslöselogik (serielle Schnittstelle nicht mehr nötig) und die die Multi-Scanning-Kompatibilität.

Punktwolke mit Farbdaten von einer Hausfassade in der Innenstadt der Stadt Wangen im Allgäu

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Bild: Digitales Geländemodell (DGM) der Westküste der Insel Sylt von +20 Metern bis hinunter zu -10 Metern Wassertiefe. Foto: Arctia-Meritaito

Starke Strömungen, häufige Seestürme, hohe Wellen – Bewohner und Besucher der deutschen Nordsee-Insel Sylt werden das kennen. Zur Folge haben diese Naturspektakel, dass die Insel immer wieder neu geformt wird – trotz anhaltender Versuche, die Erosion entlang der Sandstrände zu verringern. Um effektive Methoden zum Erhalt der Küsten zu finden, hat der Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz Schleswig-Holstein (LKN.SH) mit verschiedenen Technologien experimentiert. Nach mehreren Tests wurde entschieden, den Küstenbereich nicht mit traditionellen Methoden von Vermessungsschiffen durchzuführen, sondern mit Laseraufnahmen aus Flugzeugen zu arbeiten – der sogenannten „Airborne Bathymetry”. Denn: Die Vermessung mit Schiffen ist einerseits zeitaufwendig. Andererseits stellt ein Unterwasserriff bei Sylt eine Gefahr für Schiffe und Ausrüstung dar.

Im Jahr 2020 beauftragte das LKN.SH schließlich das finnische Unternehmen Arctia-Meritaito mit der Vermessung von Sylt mit dem luftgestützten bathymetrischen LiDAR-Scanner Chiroptera 4X von Leica Geosystems. Im Ergebnis entstanden Punktwolken mit Klassifizierungen und Orthofotos. Die Höhengenauigkeit dabei musste besser als 20 Zentimeter und die Lagegenauigkeit besser als 50 Zentimeter sein.

Neue Wege

Zwar untersucht auch Arctia-Meritaito geringere Tiefen traditionell mit einem schiffsgestützten Einstrahl-Echolot, das von einem Vermessungsschiff gesteuert wird. Die daraus resultierenden Tiefenprofile in definierten Intervallabständen hatten jedoch erhebliche Datenlücken. Fächerecholote lösen dieses Problem, sind aber in flachen Gewässern nur bedingt effizient. Um diese Probleme zu überwinden, sich den veränderten Anforderungen in der Branche anzupassen und technologisch auf dem neusten Stand zu bleiben, setzt das finnische Unternehmen bei der Vermessung von Sylt auf den luftgestützten Laserscanner von Leica Geosystems. „Der Leica Chiroptera 4X lieferte die vielversprechendsten Ergebnisse“, betont Mikka Ojala, Leiter der luftgestützten LiDAR-Bathymetrie bei Arctia-Meritaito. „Mit luftgestütztem LiDAR erhalten wir eine vollständige Abdeckung in flachen Gewässern mit einer Eindringtiefe

Zur Küstenvermessung auf Sylt kam der Leica Chiroptera 4X zum Einsatz. Foto: Leica Geosystems AG

von bis zu 25 Metern – natürlich abhängig von den Bedingungen – und minimieren gleichzeitig das Risiko, Sensoren zu verlieren. Und wir können Land und Meeresboden in einer einzigen Vermessung erfassen.“

Dennoch bringt auch die luftgestützte Bathymetrie in diesem Zusammenhang einige Hürden mit sich, die übersprungen werden wollen. So ist es entscheidend, den gesamten Projektbereich so schnell wie möglich abzudecken, da sich Wetter- und Wasserbedingungen schnell ändern können. „Das Timing ist entscheidend für die Erfassung sauberer bathymetrischer Datensätze aus der Luft, die schnell verarbeitet werden können“, erklärt Ojala, der ausführt: „Das Material des Meeresbodens aus feinem Sand ist immer in Bewegung. Überlappende Daten des sich ständig veränderten Meeresbodens stimmen in der Folge nicht überein, wenn sie im Abstand von Tagen erfasst werden.“ Zudem dauere die Verarbeitung länger, je größer der zeitliche Abstand zwischen den Messungen ist.

Aus diesem Grund entschied sich Arctia-Meritaito für den Einsatz des Leica Chiroptera 4X. Der Scanner erfasst gleichzeitig bis zu 140.000 Punkte pro Sekunde im bathymetrischen Kanal und sogar bis zu 500.000 pps im topographischen Kanal. In zwei Tagen, innerhalb von insgesamt fünf Flugstunden, erfasste Arctia-Meritaito so rund 70 Quadratkilometer.

Ein Punkt, zwei Datensätze

Dabei erfasst das elliptische Scanmuster des Chiroptera 4X sowohl eine Vorwärts- als auch eine Rückwärtsansicht und liefert so zwei Datensätze desselben Punktes. Das reduziert einerseits das Rauschen aufgrund von Wellen, andererseits erhöht es die Tiefenwirkung. Unter idealen Bedingungen kann der Chiroptera 4X bis zu 30 Meter tief eindringen. Darüber hinaus erfasst die Schrägansicht des Laserstrahls Daten von vertikalen Objekten. Im Sylt-Projekt konnte Arctia-Meritaito so trotz Trübung und Wellen alle Projektanforderungen erfüllen.

Das Prozessierungs-Setup von Arctia-Meritaito für die Nachbearbeitung der aufgenommenen Daten basierte auf den Empfehlungen von Leica Geosystems: Neben der Punktwolkenverarbeitungssoftware Terrasolid und der hydrographischen Softwaresuite QPS wurde Leica LiDAR Survey Studio (LSS) verwendet, um alle Wellenform- und Positionsdaten zu verarbeiten und die Vierband-Kameradaten des Chiroptera 4X einzubeziehen. Arctia-Meritaito lieferte die Ergebnisse etwa acht Wochen nach der Datenerfassung. (jr)

www.arctia.fi

www.leica-geosystems.com

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Vergleich manueller Flug mit programmiertem Nadirflug (DGM-Abweichungsanalyse). Foto: Viscan

Im Zuge der Digitalisierung im Baugewerbe wird eine realistische und detailgetreue Darstellung des Straßenzustandes zunehmend wichtiger, um für alle Projektbeteiligten aussagekräftiges Datenmaterial zur Entscheidungsfindung zur Verfügung zu stellen. Die Drohne gilt als kostengünstiges Werkzeug, um grundlegende Daten für die Beweisdokumentation, den Planungsprozess, die CAD-Bearbeitung bis hin zur Bauabrechnung zu liefern.

Abweichungen der Genauigkeit an Passpunkten zwischen dem Flug ohne RTK und einem manuellen Flug mit RTK. Grafik: STRABAG

Wie von den beteiligten Unternehmen erwartet, erreichte der geplante Nadirflug ohne RTK im einfachen Gebiet Höhengenauigkeiten von ca. zwei bis vier Zentimetern, fiel aber nach Angaben von Viscan im bewaldeten und ansteigenden Gebiet durch inhomogene Flughöhen und Fokussierungsprobleme der Kamera deutlich ab und erreichte im Mittel eine Genauigkeit von nur sieben Zentimetern. Dagegen erreichte der Flug von Viscan mit drei manu- ell geflogenen Linien und RTK auch in den schwierigen Waldgebieten ein absolutes Mittel von 1,2 Zentimetern mit nur 6 anstatt 32 verwendeten Passpunkten. Im mittelschwierigen Gebiet am Bauanfang konnten, so Nolle, sogar Genauigkeiten von im Mittel acht Millimetern erreicht werden.

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Der historische Schlosskeller des alten Berliner Stadtschlosses: 2009 legten Archäologen den Fund in Berlins Mitte frei. Jetzt sollen Besucher das alte Gemäuer über einen Steg bestaunen können. Foto: arc-greenlab GmbH; pixelio (Rainer Sturm)

Vor zehn Jahren hat das Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) die ARC-GREENLAB GmbH mit der Vermessung des neuen Humboldt Forums in Berlins Mitte beauftragt. Zu diesem Zeitpunkt war der Abriss des Palasts der Republik bereits abgeschlossen – zwischen Ale- xanderplatz und Brandenburger Tor befand sich eine Wiese. Archäologen legten hier die Überreste des historischen Schlosskellers des alten Berliner Stadtschlosses frei. Mittlerweile sind die Bauarbeiten am Humboldt Forum fast beendet. Rohbau, Fassaden und Kuppel sind fertig und auch der historische Schlosskeller ist in den Bau integriert worden.

Für den Bau des Besucherstegs gilt es, mögliche Kollisionen mit den Mauern des historischen Schlosskellers vorab zu überprüfen. Foto: arc-greenlab GmbH

Wo eine Kollision erkannt wird, werden die Bestandsmauern dann im Detail digital erfasst und Vorsprünge, Einzelsteine oder Sockel der Ziegelsteinmauern in der weiteren Planung berücksichtigt. Die Bearbeitung wird dabei durch die Software Leica TruView unterstützt. In ihr können Panoramabilder der Punktwolken standpunktbezogen betrachtet und einfache Messungen durchgeführt werden. „Als Ergebnis wird ein Lage- und Höhenplan zusammen mit der TruView-Dokumentation an die Planer übergeben“, erklärt Seidel.

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Datenerfassung per Drohne: Von der hohen Aufnahmequalität profitieren dann u.a. die späteren GIS-Analysen. Foto: Microdrones

Die Theorie ist so alt wie das GIS selbst: Qualitativ hochwertige, aktuelle Luftbilder zu nutzen, war schon immer der Wunsch von Anwendern. Doch dieser blieb bis vor wenigen Jahren nur schwer zu erfüllen. Luftbild-Befliegungen per Flugzeug wurden nur im Abstand einiger Jahre gemacht und die Auflösung unterhalb von 10 Zentimetern blieb zunächst selten. Ab den späten Nullerjahren kam dann mit den Drohnen eine Technologie auf, die diese Lücke zu schließen begann. Nun war es möglich, aktuelle Orthofotos kleinerer Gebiete und photogrammetrisch erzeugte 3D-Bilder von Infrastrukturobjekten zu erzeugen. Die neue Quelle für Vermessungsdaten sprudelte schnell ergiebig, doch in gleichem Maße kam die Herausforderung auf den Plan, die erfassten Daten möglichst produktiv im GIS zu nutzen.

Nun haben zwei technologisch führende Unternehmen auf diesem Gebiet eine Zusammenarbeit bekannt gegeben. Der Hersteller von Vermessungsdrohnen Microdrones und der weltweite GIS-Anbieter Esri veranstalten erstmals gemeinsam Webinare. Darin wollen beide Unternehmen die Synergien zeigen, die in der engen Integration von GIS und UAV liegen.

Vor allem geht es um produktive Workflows von der Datenerfassung bis zur Endnutzung. Weitere Zusammenarbeit bei Softwareentwicklung oder Vertrieb sind zunächst nicht geplant. Genauso wenig basiert die Zusammenarbeit auf Exklusivität, sondern auf dem Charme der inhaltlichen Zusammenarbeit auf einem Gebiet, auf dem noch immer Pionierarbeit zu leisten ist. „Wir sind von der Leistungsfähigkeit der Microdrones-Lösungen begeistert und wissen, wie sehr unsere Kunden hochgenaue Daten schätzen und fordern“, sagt Christoph Kany, Account Manager bei Esri Deutschland. Nach den ersten Webinaren am 18. Juni sowie Mitte Juli sollen weitere gemeinsame Projekte entwickelt werden. „Damit adressieren wir alle möglichen GIS-Zielgruppen. Derzeit ist das Interesse in den Bereichen Forst, Agrar, Umwelt, Innere Sicherheit, Versicherungswirtschaft und in der Bauindustrie besonders hoch“, so Kany. Drohnen seien heute schon bei vielen Kunden elementarer Bestandteil im Asset Management und deren Bedeutung werde weiter stark steigen, so der diplomierte Geograph. Aus Sicht von Microdrones geht es darum, die Datenaufarbeitung ihrer Vermessungslösungen weiter in Richtung der Endanwender hin zu optimieren.

Produktive Schnittstelle

Microdrones hat sich strategisch bereits vor einigen Jahren so aufgestellt, drohnenbasierte Vermessungsanwendungen zu entwickeln und versteht sich demnach als reiner Lösungsanbieter. Den Fokus auf GIS-Märkte verfolgt das Unternehmen weltweit. Mit der Kooperation will Microdrones nun den GIS-Anwendergruppen die Vorteile näherbringen, die in der engen Kopplung von UAV-Lösungen und dem GIS liegen.

Umgekehrt hat auch Esri als GIS-Anbieter die UAV-Entwicklungen als wichtigen Datenlieferanten seit Langem im Fokus. Mit Drone2Map hat das Unternehmen im Jahr 2016 ein Produkt in den Markt eingeführt, das speziell auf die Verarbeitung von Drohnendaten zielt. Die Anwendung ist Bestandteil der Esri Geospatial Cloud und hat die Aufgabe, die Daten in verschiedenste Anwendungen, Apps und Portale im Zuge teilautomatisierter Workflows zu integrieren. Drone2Map enthält die Bildverarbeitungs-Engine von Pix4D, mit der Bilder von Drohnen analysiert und 2D- und 3D-Karten konvertiert werden können. Der besondere Ansatz der Esri-Plattform ist es, dass Daten-Workflows multidimensional gedacht werden. Konkret geht es darum, dass die erfassten Primärdaten, im Fall von Drohnen sind dies meist Bilder oder auch Laserscandaten, für möglichst viele Endanwendungen maßgeschneidert aufgearbeitet werden.

Spezialtool

Drone2Map bietet als Expertentool verschiedenste Werkzeuge für die Bearbeitung. Das beginnt bei schnellen Analysen für die Vorabprüfung der Drohnendaten und geht über spezielle Mapping-Anwendungen für 2D-Daten, die Erstellung von 3D-Produkten bis hin zu spezialisierten Inspektionswerkzeugen, bei denen die erfassten Objekte aus den verschiedensten Perspektiven visualisiert werden können. Für alle vier Teilbereiche gibt es Templates in Drone2Map. Ebenso wird die Definition von Ground Control Points (gcp) unterstützt, mit denen Anwender Einfluss auf die Genauigkeit der Punktwolken nehmen können.

Analyse von Drohnendaten: Die 3D-Punktwolke einer Straßenbrücke ist Zentrum der Infrastrukturplanung. Eine Analyse in ArcGIS Pro untersucht, inwiefern davon Radwege (die per Webdienst eingeladen werden) betroffen sind. Foto: Esri

Für spezielle Analysen werden die Daten an ArcGIS Pro übergeben, dem GIS-Expertenwerkzeug von Esri. Als Beispiel für die erweiterte Analysefunktionen führt Christoph Kany den Bau einer Straßenbrücke an. Der Kunde kann beispielsweise einfach feststellen, ob davon auch umliegende, öffentliche Radwege betroffen sind. „Dazu lädt der Nutzer aus dem umfangreichen Dienste- und Datenangebot von ArcGIS Online zur Beantwortung seiner räumlichen Fragestellungen die jeweiligen Daten in seine Karte“, so Kany. Er kann dabei einfach auswählen, wie die Radwege visualisiert werden sollen und stellt dann unmittelbar fest, ob sich dies mit der Brückenkonstruktion überschneidet.

Eine weitere Analysemöglichkeit ist die Berechnung des Erdaushubs, der durch die Analyse der 3D-Punktwolken berechnet wird. Dies kann der GIS-Planer an die entsprechenden Kostenstellen weitergeben oder an das bauausführende Unternehmen. Je genauer hierbei die erfassten Daten, desto zuverlässiger die Ergebnisse und effizienter die Arbeitsprozesse. „Auch für uns als Lösungsanbieter ist es beeindruckend zu sehen, in wie vielen GIS-Anwendungsfällen sich konkrete Vorteile für die gesamte Organisation ergeben“, so Mirjam Bäumer, Marketing Manager Europe bei Microdrones.

Ausblick KI

Einer der aktuellen Bereiche bei der Entwicklung von GIS-Technologie ist für Esri die Nutzung von Künstlicher Intelligenz und Machine Learning. Auch dazu gibt es bereits zahlreiche Use Cases zur Nutzung drohnenbasierter Daten. Mit GeoAI gibt es bereits ein Schlagwort, unter dem Esri seit geraumer Zeit Nutzer und darunter zahlreiche Entwicklungen subsummiert. Für das Unternehmen geht es unter anderem darum, KI-Systeme für GIS-Analysen zu nutzen und die Ergebnisse in die Workflows zu integrieren. Zur Anwendung kommt dieses Verfahren etwa bei der Fortführung und Aktualisierung von 3D-Stadtmodellen, bei denen die Drohnendaten mit KI analysiert und Änderungen im Bestand erkannt werden. Zudem soll KI die Klassifizierung einzelner Messpunkte zu Objekten oder Gebäuden unterstützen und stärker automatisieren. Besonders wirksam ist KI bei der Mustererkennung. „So können bei Großveranstaltungen auf Basis der Drohnendaten beispielsweise die Anzahl der anwesenden Menschen automatisch geschätzt werden, Risse in der Oberfläche einer Start- und Landebahn detektiert oder einzelne Bäume im Kronendach identifiziert werden“, beschreibt Kany. (sg)

www.microdrones.de

www.esri.de

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Der freie Architekt Prof. Dr.-Ing. Johannes Cramer ist emeritierter Professor für Bau- und Stadtbaugeschichte an der TU Berlin. Mit dem Buch „Architektur im Bestand“ hat er 2007 eines der gültigen Standardwerke für das Thema verfasst. Foto: Johannes Cramer

Im Umfeld des Brandes von Notre Dame wird viel von der 3D-Punktwolke des Gebäudes gesprochen, die vor einigen Jahren erfasst wurde. Welche Aussagekraft haben die 3D-Punktwolken überhaupt für die bauhistorische Dokumentation?

Lars Sörensen ist Zimmermann, Dipl.-Ing. Architektur und Beratender Ingenieur mit dem Schwerpunkt Bauen im Bestand. Seit 2005 ist er als Gründer und Geschäftsführer für die Scan3D GmbH tätig. Foto: Scan3D

Wie ist die Situation generell in der Denkmalpflege: Sind Baudenkmäler genügend messtechnisch erfasst?

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Durch Schnitte durch die 3D-Modellierung werden 2D-CAD abgeleitet, die nach wie vor unverzichtbar sind. Foto: Scan3D

Seit fast 20 Jahren werden 3D-Laserscanner eingesetzt, um historische Bauwerke und Denkmäler dreidimensional zu vermessen. Zuvor wurde die Bestandsvermessung mit Handaufmaß und Tachymetern erledigt, was zwar zu sehr genauen, aber keinem vollständigen und digitalen Aufmaß führte. Seitdem hat sich eine rasante Entwicklung vollzogen. In der Praxis des denkmalgerechten Bestandsaufmaßes und der Bauaufnahme sind die Verfahren des 3D-Scanning und der digitalen Photogrammetrie bekannt. Digitale Messverfahren können die Grundlage für eine qualifizierte Untersuchung des Bauwerks oder Objekts bilden. Sie ergänzen oder ersetzen die klassischen Aufmaßverfahren, kommen bei statischen Analysen historischer Tragwerke, bei Deformationsanalysen verformter Gebäude oder auch einfach bei der Visualisierung einer Maßnahme zum Einsatz.

Detailaufnahmen an Bauschmuck oder Skulpturen erfordern höchste Genauigkeit im Bereich bis zu einem Millimeter und werden meist mit Nahbereichsscannern durchgeführt. Foto: Scan3D

Für den Zielmaßstab M1:100 ist das Tachymeteraufmaß nach wie vor das wirtschaftlichste Verfahren. Zur Erfassung der äußeren Gebäudehülle sind hier photogrammetrische Verfahren ausreichend. Für die Farbaufnahme reichen in der Qualitätsstufe 1 die in die 3D-Scanner integrierten Farbsensoren aus. Um Objekte im Maßstab M1:50 zu modellieren, gilt das terrestrische Laserscanning inzwischen als das wirtschaftlichere Verfahren für die Bestandsaufnahme im Vergleich zur bildbasierten Analyse mittels Structure from Motion (SfM). „Egal ob per Drohne oder terrestrischer Aufnahme, mit SfM kann man oft keine zuverlässigen Genauigkeiten erreichen, zudem hängen sie stark von der Aufnahmekonfiguration ab“, so Sörensen.

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