Laser-SLAM-Based Mobile Mapping mit SW-Integration und Visualisierung

• Forschungsstelle: SWISSTOPO
• Projektnummer: NGDI 21-20

Schlüsselwörter (Deutsch)

Hand-held Laser-Scanner

Schlüsselwörter (Englisch)

Hand-held laser-scanner

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die technologische Entwicklung der Erfassung von Geodaten schreitet mit grossen Schritten voran und ist getrieben von neuen Sensoren und Messsystemen wie aktuell Laser. In letzter Zeit kam mit den professionellen hand-held/mobile 3D Laser Scanning-Systemen eine neue Generation von relativ günstiger Hardware auf den Markt.
Diese hand-held Laser-Scanner vereinfachen die Erfassung der bebauten Umwelt nochmals so stark, wie das GPS damals die Standortbestimmung, denn das Planen und Aufstellen von Stativen entfällt (kein Stop-and-Go mehr). Entscheidend dabei ist auch die neue, in die Hardware eingebaute sog. SLAM- zusammen mit der Punktwolken-Technologie. Damit kann die Kartierung der Umwelt erheblich beschleunigt und vereinfacht werden, so dass sogar (Halb-)Laien damit umgehen können.
Diese Produkte haben jedoch noch mind. zwei Mängel: Einerseits die fehlende Kombination mit Kamera (für "Structure from Motion" SfM) und andererseits die fehlende Software-Integration. Es fehlt
1. eine Visualisierung im Feld zur Kontrolle; es gibt
2. keine Fusion von Punktwolken mit SfM (gegen "Drift").
3. fehlt eine zentrale Datenverwaltung inkl. Löschen unerwünschter Objekte; und
4. existiert keine automatisierte Datenintegration, wenn mehrere Personen dasselbe Objekt erfassen. Und schliesslich gibt es
5. keine offenen (Open Source-) Plattformen zur Publikation und Visualisierung der Geodaten im Web.

Für diese fünf Aspekte sind Open Source-Projekte oder zumindest wissenschaftliche Literatur vorhanden. Gemäss aktuellem Kenntnisstand hat bisher niemand diese Komponenten kombiniert und lösungsorientiert zur Verfügung gestellt. Hier setzt dieses Projekt an. Eine integrierte Lösung der 3D-Datenerfassung und -Publikation könnte nicht nur schützenswerten archäologischen Stätten (Notgrabungen) zugutekommen, sondern auch anderen NGDI-Bereichen wie Kulturgüter. Das vorliegende Projekt ist eine angewandte Forschung & Entwicklung: Anhand eines konkreten Anwendungsfalls soll ein Prototyp bzw. ein Proof-of-Concept erstellt werden mit Aspekten der oben erwähnten Defizite.

Projektziele (Deutsch)

1. Hardware- und vor allem Software-technische Lösungsansätze zur einfachen Erfassung von Gebäuden (Aussenhüllen) und Kulturgütern mittels SLAM-based hand-held/mobile 3D Laser Scanning;
2. durch mehrere Personen (Datenintegration auf zentraler Plattform),
3. inkl. cloudbasierter Datenverwaltung und Publikation/Visualisierung der Daten auf einer Web-Plattform (Open Source);
4. am Beispiel von archäologischen Notgrabungen und Kulturgütern;
5. mit Individual-Software-Entwicklung dort wo es nötig ist (Prototyp; wenn immer möglich Open Source).

Abstract (Deutsch)

Das technische Papier untersucht den Einsatz von Laser-SLAM-basiertem Mobile Mapping zur Erfassung und Verarbeitung von 3D-Punktwolken sowie deren Integration in Softwarelösungen zur Visualisierung. Ausgangspunkt bildet der Vergleich traditioneller photogrammetrischer Verfahren („Structure from Motion“, SfM) mit modernen Handheld-Laserscannern, die auf LiDAR- und SLAM-Technologien basieren. Ziel der Studie ist es, Unterschiede hinsichtlich Messdauer, Verarbeitungszeit und Genauigkeit zu analysieren sowie mögliche Anwendungsfelder zu identifizieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass professionelle Handheldscanner wie der Leica BLK2GO und der GeoSLAM ZEB Revo-RT deutlich schnellere Mess- und Verarbeitungszeiten aufweisen als klassische SfM-Verfahren. Consumer-Geräte wie das iPad Pro bieten kostengünstige Alternativen, liefern jedoch geringere Genauigkeit und sind durch eingeschränkte Reichweite limitiert. Während SfM die höchste Punktdichte und Präzision erreicht, erfordern diese Verfahren erheblich mehr Zeit und sind stark von Lichtverhältnissen abhängig. Handheldscanner dagegen ermöglichen flexible Einsätze unabhängig von Lichtbedingungen sowie eine unmittelbare Qualitätskontrolle während der Messung.

Die Untersuchung umfasst zudem praktische Messkampagnen an verschiedenen Objekten sowie die Analyse zusätzlicher Qualitätskriterien wie Punktdichte und Datenkonsistenz. Ergänzend werden Open-Source-Werkzeuge wie CloudCompare, QGIS und WebODM für die Verarbeitung und Visualisierung von Punktwolken vorgestellt. Eine eigens entwickelte Webapplikation („Point Cloud Browser“) ermöglicht die effiziente Verwaltung, Darstellung und Weitergabe der erhobenen Daten.

Insgesamt zeigt die Studie, dass Handheldscanner eine zeiteffiziente und flexible Alternative zu photogrammetrischen Verfahren darstellen, jedoch hinsichtlich der Genauigkeit oft unterlegen sind. Eine kombinierte Nutzung beider Ansätze wird als sinnvoll erachtet, um die Stärken beider Technologien zu vereinen. Zukunftsperspektiven liegen insbesondere in integrierten Softwarelösungen, die Verarbeitung, Analyse und Datenaustausch von Punktwolken in einer einheitlichen Plattform ermöglichen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Umsetzung von Laser-SLAM-basiertem Mobile Mapping erfolgt durch den Einsatz moderner Handheldscanner, welche LiDAR- und SLAM-Technologien kombinieren, um dreidimensionale Punktwolken effizient zu erfassen. In der Praxis werden sowohl professionelle Geräte wie der Leica BLK2GO oder GeoSLAM ZEB Revo-RT als auch kostengünstigere Consumer-Lösungen wie das iPad Pro mit entsprechenden Apps eingesetzt. Die Datenerfassung erfolgt mobil und kontinuierlich, wodurch im Vergleich zu klassischen photogrammetrischen Verfahren („Stop-and-Go“) eine deutlich schnellere und flexiblere Aufnahme möglich ist.

Nach der Erfassung werden die Punktwolken mit geeigneten Softwaretools weiterverarbeitet, georeferenziert und analysiert. Open-Source-Programme wie CloudCompare, QGIS oder WebODM ermöglichen dabei die Bearbeitung, Visualisierung und Auswertung der Daten. Ergänzend können webbasierte Anwendungen wie der Point Cloud Browser verwendet werden, um die Daten zu speichern, zu teilen und interaktiv darzustellen. Durch solche integrierten Workflows wird eine effiziente Verarbeitung und Nutzung der 3D-Daten gewährleistet.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologien sind vielfältig und reichen über die Archäologie hinaus. In der Archäologie ermöglichen schnelle und präzise 3D-Erfassungen die Dokumentation von Fundstellen, wobei insbesondere Zeitdruck und die Einmaligkeit von Ausgrabungen eine wichtige Rolle spielen. Im Denkmalschutz dienen die Punktwolken zur detaillierten Erfassung und Analyse von Bauwerken und Kulturgütern sowie als Grundlage für Restaurierungen oder Rekonstruktionen.

Darüber hinaus finden Mobile-Mapping-Verfahren Anwendung in der Energieversorgung, etwa bei der Planung von Photovoltaikanlagen, wo präzise 3D-Modelle zur Berechnung von Verschattungen und Energieerträgen genutzt werden. In der Städteplanung können diese Daten eingesetzt werden, um bauliche Strukturen und deren Einfluss auf die Umgebung frühzeitig zu analysieren und fundierte Planungsentscheidungen zu treffen.

Insgesamt zeigt sich, dass Laser-SLAM-basiertes Mobile Mapping eine effiziente und vielseitige Methode zur Erfassung und Nutzung von 3D-Geodaten darstellt. Besonders in Kombination mit photogrammetrischen Verfahren können Genauigkeit und Vollständigkeit der Ergebnisse weiter verbessert werden, was den praktischen Nutzen dieser Technologien zusätzlich erhöht.