Quelle: LSBG
Smartphone-LiDAR zur Datenerfassung im Rahmen von modellbasierter Bauwerksdokumentation
Der LSBG möchte zukünftig bei allen Projekten den BIM-Mindestanwendungsfall - die Erstellung eines As-Built-Modells - beauftragen. Für die Erstellung von As-Built-Modellen bei Straßenbaumaßnahmen stellt sich die Herausforderung, wie die Geometrie von Bauteilen erfasst werden kann, die bei Projektende zur Schlussvermessung nicht mehr sichtbar sind. Es ist also erforderlich auch baubegleitend Bestandsdaten zu erfassen.
Im konkreten Projekt, einer innerstädtischen Straßenbaumaßnahme, handelt es sich um die Instandsetzung und Umgestaltung der Straße inkl. Leitungen in offener Bauweise, wobei die jeweiligen Baugruben immer nur für eine kurze Dauer geöffnet sind. Das Einmessen erfolgt - abhängig vom Leitungsträger- oft noch analog und mit verbesserungswürdiger Dokumentation. In dieser Qualität sind somit die Informationen, die wir über Leitungen erhalten: mit niedriger Genauigkeit und geringer Verlässlichkeit.
Um zukünftig die Planung von Baumaßnahmen zu vereinfachen, den Bauablauf präziser gestalten zu können und später Kosten zu sparen, sollte der Blick in offene Baugruben genutzt und in geeigneter Weise festgehalten werden. Zielführend wäre eine Methode, mit der die Bauleitung oder die Bauüberwachung den Bestand im Tagesgeschäft ohne großen Zeitaufwand aufnehmen kann. Dazu werden Endgeräte, geeignete Apps und Prozesse benötigt, die den Bauablauf nicht verzögern, sondern für alle Beteiligte einen Benefit ergeben.
Hierzu eignen sich Smartphones mit integriertem 3D-Laserscanner. Seit 2020 besitzen die Apple iPhone Pro und iPad Pro Modelle (und auch nur diese) einen solchen LiDAR-Sensor (Light Detection and Ranging). Abbildung 1 zeigt beispielhaft den LiDAR-Sensor des iPhone 14 Pros. Dadurch können mit dem iPhone oder iPad 3D-Daten erfasst und daraus in Echtzeit Punktwolken sowie texturierte 3D-Meshes erstellt werden.
Zum Scannen wird eine App (z.B. 3D Scanner App, Polycam, Pix4DCatch u.v.m.) benötigt, die u.a. auf den LiDAR-Sensor und die Kamera zugreift. Die Apps unterscheiden sich u.a. im Funktionsumfang, ob diese vollständig kostenfrei zur Verfügung steht, sowie in der Datenspeicherung (lokal oder in der Cloud). Eine kostenfreie App mit hohem Funktionsumfang, die regelmäßige Updates erfährt, ist die 3D Scanner App von Laan Labs.
Der Scan läuft ähnlich wie das Aufnehmen eines Videos ab. Es gibt ein visuelles Feedback darüber, welche Bereiche bereits gescannt wurden und welche noch nicht erfasst wurden. Mit dem iPhone oder iPad in der Hand kann man einfach entlang einer Baugrube gehen und den gewünschten Bereich scannen (vgl. Abbildung 2).
Nach Fertigstellung des Scans lässt sich dieses weiterverarbeiten und in verschiedenen Dateiformaten exportieren. In Abbildung 3 ist ein mit der 3D Scanner App aufgenommenes 3D-Mesh dargestellt, das aus der Verarbeitung einer Punktwolke innerhalb der App resultiert.
Es können Punkte mit einer Entfernung von bis zu 5 m mit einer relativen Genauigkeit im einstelligen Zentimeterbereich erfasst werden. Weiterhin kann die Datenerfassung in ausgewählten Apps georeferenziert erfolgen. Dazu wird auf das integrierte GPS-Modul im iPhone oder iPad zurückgegriffen. Dieses GPS-Modul weist bei optimalen Bedingungen eine Positionsgenauigkeit im einstelligen Meterbereich auf. Alternativ kann die Standortgenauigkeit des iPhones oder iPads mit einem RTK-Modul (Real Time Kinematic) auf eine Positionsgenauigkeit im niedrigen einstelligen Zentimeterbereich verbessert werden. Ein solches RTK-Modul kostet allerdings ca. 5.000 – 6.000 €. Zusätzlich kommen Lizenzgebühren für Softwareanwendungen oder Cloud-Dienste hinzu.
Dadurch lassen sich Leitungen und andere Bauteile lagerichtig erfassen. Die aus der Erfassung resultierenden Punktwolken sowie 3D-Meshes können anschließend zu einem BIM-Modell bestehend aus einzelnen Objekten weiterverarbeitet und mit semantischen Informationen verknüpft werden. Es stellt sich allerdings die Frage, ob dieser Schritt zwingend erforderlich ist, oder ob bspw. eine Verknüpfung eines Meshes mit semantischen Informationen in einigen Anwendungsfällen ausreichend ist („Besser als nichts“).
Bei einer künftigen Baumaßnahme können diese Informationen herangezogen werden und mit allen an der Planung und Baudurchführung Beteiligten geteilt werden, sodass diese nicht, wie es heute üblich ist, vor der Frage stehen, wie es im Untergrund wirklich aussieht, und unerwünschte Überraschungen ausbleiben.
Ob und in welchem Umfang diese Aufgaben von der Bauleitung oder der Bauüberwachung übernommen werden können, prüfen wir aktuell. Generell ist die Datenaufnahme genauso einfach wie Bilder oder Videos aufzunehmen, jedoch bieten die Punktwolken und 3D-Meshes Vorteile, die über die eines Fotos oder Videos hinausgehen, darunter die Durchführung von Aufmaßen und eine 3D-Ansicht.
Projekt
Modellbasierte Bauwerksdokumentation
Art der Maßnahme
Forschung und Entwicklung
Vorhabenträger
Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer (LSBG)
Ansprechpartner
Erik Petersen
E-Mail: erik.petersen@lsbg.hamburg.de