Bauaufnahme, Gebäudeerfassung und BIM�

Jörg Blankenbach

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 BIM – Building Information Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Übersicht über die Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1 Koordinatensystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.2 Elektronisches Handaufmaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Tachymetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.4 Photogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.5 Terrestrisches Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.6 Laserscanning in Kombination mit Photogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.7 Mobile Mapping Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Zusammenfassung

Das Aufmaß von Bauwerken ist ein zentraler Bestandteil für die Planung und Do-kumentation, und damit für das Bauen im Bestand. Die klassischen Ergebnissedes Aufmaßes sind zumeist digitale 2D-CAD-Zeichnungen für die Darstellungvon Grundrissen, Schnitten und Ansichten. Die Grundlage für die Bauaufnahmestellen dabei geodätische Vermessungsmethoden mit Verfahren, die auf der Er-fassung von Einzelpunkten beruhen (elektronisches Handaufmaß, Tachymetrie)

�Dieser Beitrag ist Teil des Handbuchs der Geodäsie, Band „Ingenieurgeodäsie“, herausgegebenvon Wilfried Schwarz, Weimar.

J. Blankenbach (�)Geodätisches Institut und Lehrstuhl Bauinformatik & Geoinformationssysteme, RWTH Aachen,Aachen, DeutschlandE-Mail: blankenbach@gia.rwth-aachen.de

© Springer Berlin Heidelberg 2015W. Freeden, R. Rummel (Hrsg.), Handbuch der Geodäsie,Springer Reference Naturwissenschaften, DOI 10.1007/978-3-662-46900-2_36-1

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sowie flächenhaft erfassende Verfahren (Photogrammetrie, Laserscanning) häu-fig in Kombination mit entsprechender Erfassungssoftware dar. Auch neuereEntwicklungen im Bereich der Erfassungssysteme (UAV, Multisensor- undMappingsysteme) basieren auf diesen grundlegenden Methoden. Im Kontextdes Building Information Modelings (BIM) und der 3D-Stadtmodellierungwerden jedoch neue Anforderungen an die Bauaufnahme gestellt, da nun digitaledreidimensionale Bauwerksmodelle mit volumenkörperorientierter Objektmo-dellierung inklusive deren Semantik und Beziehungen sowie beschreibenderEigenschaften gefordert werden. Dieser ganzheitliche Ansatz zur Modellierungbzw. Dokumentation von Bauwerken hat damit auch Auswirkungen auf denVermessungsworkflow sowie die Verarbeitung und Modellierung der Daten.

Schlüsselwörter:Bauaufnahme • Bauaufmaß • Bauvermessung • Bauwerksmodellierung •Building Information Modeling • CityGML

1 Einleitung

Das Ziel des Bauaufmaßes bzw. der Bauaufnahme ist die Erfassung des dreidimen-sionalen, geometrischen Zustands von Bauwerken und resultiert in – heutzutagenahezu ausschließlich – digitalen Zeichnungen, Plänen und Modellen. Das Ergebnisbesteht traditionell aus Grundrissen, Schnitten, Ansichten und gegebenenfalls De-tailzeichnungen, die den Baufachleuten wie Architekten, Bauingenieuren, Gebäu-detechnikern, Bauhistorikern usw. gewohnte Sichten auf den vorhandenen Bestandauch ohne eine Ortsbegehung ermöglichen. Die Bauwerksvermessung wird regel-mäßig ergänzt durch eine Baubeschreibung, mit der bauwerksrelevante Sachverhaltein Gestalt von alphanumerischen Informationen (Sachdaten) dokumentiert werden.Komplettiert wird die Bauaufnahme durch die Recherche von baugeschichtlichenAspekten, die hilfreich beispielsweise für die Interpretation von Befunden sind [38].

Das Aufmaß dokumentiert damit den Ist-Zustand von Bauwerken (as-built) so-wohl für die Planung und Bauausführung im Bestand als auch für die Betriebsphase,z. B. im Rahmen des Facility Managements. Mit der Etablierung der Methodedes Building Information Modelings (BIM) werden zukünftig jedoch ganz neueAnforderungen an die Bauaufnahme gestellt.

2 BIM – Building Information Modeling

Building Information Modeling (BIM) beschreibt eine computergestützte Methodeim Bauwesen und in der Architektur zur ganzheitlichen, digitalen Bauwerksmodel-lierung. Im Kern geht es dabei um den Aufbau einer zentralen Datenbasis, die allenam Bau beteiligten Akteuren und Fachdisziplinen über den gesamten Lebenszykluseines Bauwerks zur Verfügung steht und stets aktuell gehalten wird (vgl. [27]).

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Naturgemäß ist die Planung, Errichtung und der Betrieb eines Bauwerks einehochgradig interdisziplinäre Aufgabe verschiedenster Fachdisziplinen (u. a. Archi-tektur, Bauingenieurwesen, Vermessung, Gebäudetechnik,. . . ). Der erforderlicheInformationsaustausch und -abgleich zwischen den beteiligten Disziplinen ist je-doch in der Praxis insgesamt wenig aufeinander abgestimmt (z. B. fragmentierteDaten, uneinheitliche Modellierung, Medienbrüche, fehlende inhaltliche und zeitli-che Abstimmung), was zu Fehlern sowie Verzögerungen in der Bauausführung undschließlich zu höheren Kosten führt. Hieraus ergibt sich die Motivation einer einheit-lichen, integrierten und zentralen digitalen Bauwerks-Informations-Modellierung.So soll mit der BIM-Methode das zugrundeliegende Bauwerksmodell im Idealfallbereits während der Planung und Errichtung eines Bauwerks von allen beteiligtenGewerken gespeist und über den gesamten Lebenszyklus bis zum Um- und Rückbaugenutzt bzw. als Datenbasis weitergepflegt werden. Dadurch wird nicht nur dieGrundlage für eine stets hohe Aktualität, sondern ebenso für eine deutlich ver-besserte Transparenz aller Informationen gelegt, was wesentliche Voraussetzungenfür Planungs-, Betriebs- sowie Kostensicherheit und damit für eine effizienteBauausführung bzw. Bewirtschaftung sind.

Die Grundlage eines BIM stellt dabei ein digitales, dreidimensionales bau-teilbezogenes Bauwerksmodell dar. Die Bauteile als wesentliche Modellelementebesitzen neben einer Geometrie eine Semantik (z. B. Tür, Wand, Balken, Stützeetc.), beschreibende Eigenschaften (Sachattribute) und weisen Beziehungen (Re-lationen) untereinander auf. Die Beschreibung der Bauteilgeometrie erfolgt zumeistvolumenkörperorientiert und in parametrischer Darstellung (z. B. Bauteil „Wand“als Quader mit Breite, Länge, Höhe sowie Translationen zu den Achsen eineslokalen Bezugssystems) (Abb. 1) [12]. Bauteile sind dabei Exemplare (Instanzen)

Abb. 1 Bauteil „Wand“ mit Darstellung der Bauteileigenschaften in der BIM-Software

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vordefinierter Objekttypen, die anhand von Objekttypen-/Bauteilkatalogen in derBIM-Software verwaltet werden. Mit den Objekttypen verbunden sind zudem Re-geln und Richtlinien zur Platzierung (z. B. Mindestabstände, Mindestdimensionen,Schrittmaßregel bei Treppen), die auch nach einer Modellmodifikation geprüft bzw.von der BIM-Software automatisch angewendet werden.

Neben den physischen bzw. konstruktiven Eigenschaften eines Bauwerks werdenjedoch auch die technischen, funktionalen und kaufmännischen Aspekte mit BIMabgebildet mit dem Ziel der Integration aller maßgeblichen Vorgänge (Prozesse)rund ums Bauwerk. Im BIM enthalten sind daher ebenso Kosten, Zeit- und Termin-pläne, Dokumentationsinformationen etc. BIM erlaubt dadurch die Durchführungvon planungsrelevanten Analysen (z. B. statische oder energetische Analysen,Beleuchtungs- und Fluchtwegsimulationen) in einer frühen Projektphase und damitverbunden Kollisionsprüfungen an den Gewerkeschnittstellen. Änderungen amModell können von anderen Gewerken nicht nur sofort erkannt, sondern auch direktz. B. mit Kostenberechnungen verknüpft werden.

Durch die Definition von Sichten wird den verschiedenen Akteuren jeweilsihre fachspezifische Sichtweise in Form von Fachmodellen ermöglicht (z. B. Ar-chitekturmodell, Tragwerksmodell, TGA-Modell), die je nach Leistungsphase inverschiedenen Fertigstellungsgraden vorliegen [15]. Die Fachmodelle können inder Praxis von den Beteiligten getrennt erstellt und in definierten Abständen in einGesamtmodell integriert werden.

Aus BIM heraus lassen sich verschiedenste Ausgaben und Nachweise, wieGrund- und Aufrisspläne sowie Schnitte, Listen oder Verzeichnisse erzeugen undDritten zur Verfügung stellen. Für den interoperablen Datenaustausch wird derzeitan einem herstellerübergreifenden BIM-Austauschformat, den Industry FoundationClasses (IFC) [11], gearbeitet, das als offener, internationaler Standard (ISO 16739)etabliert werden soll. Die für BIM erforderliche Software wird mittlerweile vonverschiedenen Herstellern (u. a. Autodesk, Bentley, Nemetschek, Graphisoft) mitentsprechenden Produkten vertrieben.

Während BIM in einigen Ländern (z. B. Finnland, USA) bereits weit verbreitetund bei öffentlichen Bauvorhaben sogar verpflichtend ist, ist die Methode inDeutschland bislang wenig etabliert. Aufgrund von (erheblichen) Termin- undKostenüberschreitungen bei Großprojekten in der jüngeren Vergangenheit ist BIMjedoch mittlerweile auch in Deutschland in den Fokus des Interesses gerückt undbis in höchste politische Ebenen vorgedrungen [3, 8, 41]. Auch in der HOAI 2013[21] ist BIM erstmalig explizit namentlich als „Besondere Leistung“ der Vorplanung(Leistungsphase 2) im Leistungsbild „Gebäude und Innenräume“ genannt.

Neben BIM haben sich dreidimensionale Bauwerksmodelle ebenso im Bereichdes Geoinformationswesens etabliert. Mit CityGML [28] existiert dabei ein XML-basierter Beschreibungs- und Schnittstellenstandard für die Repräsentation sowieden Austausch von 3D-Stadt- und Landschaftsmodellen. CityGML basiert – ähnlichzu IFC aus dem BIM-Bereich – auf einem semantischen Datenmodell, d. h. eswerden neben der Geometrie auch die Topologie sowie beschreibende Eigenschaf-ten der Objekte modelliert. CityGML unterscheidet dabei fünf Detailierungsgrade(Level of Detail, LoD), angefangen beim Geländemodell (LoD 0) über einfache

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Klötzchenmodelle (LoD 1), detaillierte Modelle mit korrekter Dachform (LoD 2)und ausdifferenzierte Architekturmodelle (LoD 3) bis hin zu Innenraummodellen(LoD 4). Die Anwendung von CityGML ist vielfältig und erstreckt sich von derreinen Visualisierung (z. B. für touristische Zwecke) über 3D-GIS-Analysen für dieräumliche Planung (z. B. Sichtbarkeitsanalysen) bis hin zu komplexen Simulationen(z. B. Überflutungssimulation) [6].

Wesentliche Unterschiede zwischen BIM-Modellen und CityGML bestehenneben der Anwendung einerseits im Aufbau und der Inhaltstiefe – BIM-Modelleweisen von Hause aus eine deutlich höheren inhaltliche Detailierung auf – sowieandererseits in der Geometriebeschreibung. CityGML verwendet ausschließlichRandflächenbegrenzungsmodelle (Boundary Representation, B-Rep), bei denen dieGeometrie durch die begrenzenden Flächen der Objekte und diese durch derenStützpunkte in Form von Koordinaten beschrieben werden.

Während die Modelle niedriger Detailierungsgrade (LoD 0 bis 2) mit Datenaus Befliegungen und Katastergrundrissen mit einem hohem Automatisierungsgradabgeleitet werden können, kommen für die Erstellung von Modellen der höhererDetailierungsgrade (LoD 3 und 4) Erfassungsverfahren wie sie im Folgendenbeschrieben werden zum Einsatz.

3 Übersicht über die Verfahren

Die Grundlage für das Bauwerksaufmaß stellen geodätische Vermessungsmethodenhäufig in Kombination mit entsprechender Erfassungssoftware dar. Auch in Bezugauf BIM- und CityGML-Modelle (LoD 3 und 4) wird bei der Bauaufnahme nichtmit grundsätzlich anderen Verfahren als im Falle eines klassischen Bauaufmaßesgearbeitet, da die Geometriebestimmung eine wesentliche Grundlage von digitalenBauwerksmodellen darstellt. Allerdings erfordert BIM bzw. die Verwendung vonCityGML einen ganzheitlichen Ansatz bei der Dokumentation von Bauwerken,was Auswirkungen auf den Vermessungsworkflow sowie die Verarbeitung undModellierung der Daten hat. Für die Verarbeitung und Nutzbarmachung für BIMbzw. CityGML muss der Ist-Bestand auf der Grundlage eines einheitlichen Da-tenmodells abgebildet werden, das sowohl geometrische als auch semantischeEigenschaften berücksichtigt. Besaßen die geometrischen Elemente Punkte, Linien,Flächen und Volumina bislang aus vermessungstechnischer Sicht die zentrale undordnungsschaffende Bedeutung im Erfassungsprozess, so treten an deren Stellenun Objekte mit einer Vielzahl an Attributen, von denen die Geometrie nur eineEigenschaft von vielen ist. Die Objektbildung als Basis der Bauwerksmodellierungsteht jetzt im Zentrum einer objektorientierten Arbeitsweise mit redundanzfreierDatenspeicherung und konsistenter Datenhaltung im Fortführungsfall. Für dieVermessungsarbeiten hat dies zur Folge, dass die einzelnen Verfahren viel stärker alsbisher in den Erfassungsprozess integriert sind. Klassische Produkte wie Grundris-se, Schnitte, Ansichten und Bauteillisten werden in diesem Zusammenhang erst ineinem Folgeschritt als sekundäre Ergebnisse aus den Bauwerksmodellen abgeleitet.

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Häufig existieren aus der Zeit der Planung und Errichtung eines BauwerkesPläne und Zeichnungen. Grundsätzlich können diese als erste Quelle für dieGeometrieerfassung dienen, indem beispielsweise Maße daraus abgegriffen wer-den, die dann in die Erstellung eines digitalen CAD-Bestandsplans einfließen.Besonders effektiv kann der Digitalisierungsvorgang erfolgen, wenn die Planvorlagezuvor gescannt und danach als Rastergrafik für eine Onscreen-Digitalisierungeingebunden wird, da während der Vektorisierung der bestehende Plan ständig imBlickfeld des Bearbeiters ist. Grundsätzlich sollte sich aber jeder, der bestehendeBestandszeichnungen für die Bauwerkserfassung heranzieht, darüber im Klarensein, dass die tatsächliche Situation erheblich abweichen kann. Nicht selten wurdeschon bei der Errichtung von den Planvorgaben abgewichen oder es können nichtdokumentierte Veränderungen am Bauwerk stattgefunden haben.

Aus diesem Grund gibt es zur vermessungstechnischen Geometrieerfassungoft keine Alternative. Die Entwicklung von leistungsfähigen Messinstrumenten inVerbindung mit direkt oder drahtlos angebundenen Computern (PC, Laptop, Tablet)und der methodenspezifischen Software hat dazu geführt, dass in der aktuellenPraxis folgende Verfahren bei der Bauwerksvermessung eingesetzt werden:

– Elektronisches Handaufmaß– Tachymetrie– Photogrammetrie– Laserscanning

Im weiteren Verlauf dieses Kapitels werden die o.g. Verfahren näher erläutert.Dabei wird insbesondere der Bezug zu BIM hergestellt, da BIM im Bauwe-sen und damit für das Bauwerksaufmaß eine zunehmend wichtigere Bedeutungerlangt. Grundsätzlich kommen für die Datenfassung zur Erstellung von CityGML-Modellen höherer Detaillierungsgrade (LoD 3 und 4) dieselben Verfahren zumEinsatz [31], zumal CityGML durch Schematransformation aus BIM-Modellenabgeleitet werden können.

Allen im Folgenden beschrieben Verfahren gemein ist die Tatsache, dass sie einReferenzsystem benötigen, das den (übergeordnet) Bezugsrahmen für die geome-trische Dokumentation der Bauwerksbestandteile bereitstellt. Auf die wichtigstenKriterien hierbei wird daher zunächst eingegangen.

3.1 Koordinatensystem

Die Geometrie von Bauwerken kann universell und konsistent durch mathemati-sche Koordinaten beschrieben werden. Eine Bauwerksvermessung beginnt dahermit der Definition eines geeigneten Koordinatensystems, das den Bezugsrahmen(Referenzsystem) für alle Vermessungs- und Dokumentationsvorgänge darstellt[39]. In den meisten Fällen wird ein lokales Koordinatensystem definiert, dessenAusrichtung sich vorzugsweise an den Hauptachsen des Bauwerks orientiert. Liegendie Koordinatenachsen parallel bzw. orthogonal beispielsweise zur dominierenden

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Abb. 2 Beispiel Festpunktnetz für das Aufmaß eines Gebäudes

Flurachse des Bauwerks, erleichtert dies später viele konstruktive Zeichenvorgänge.Neben den Lagekoordinaten (X, Y) wird die Höhe H als dritte Koordinate (Z-Wert)verwendet, um die Bauwerkserfassung und -dokumentation vollständig dreidimen-sional durchführen zu können. Die Benutzung von geodätischen Landeskoordinaten(Gauß-Krüger oder UTM) als Referenzsystem war bislang in der Praxis wenigergebräuchlich wegen der im Allgemeinen willkürlichen Ausrichtung in Relationzum Gebäude. Auch die parametrische Geometriemodellierung in BIM sprichtfür die Verwendung eines lokalen Systems in Bezug zum Baukörper für dieVermessung und Primärmodellierung. Durch die Designation von BIM als zentraleund durchgängige Bauwerksdatenbank sollte der Bezug zu einem übergeordneten(amtlichen) Planungskoordinatensystem jedoch gegeben sein (Abb. 2). Durch di-rektes Anschließen der Aufnahme an Referenzpunkte im übergeordneten Systemoder durch Einführung identischer Punkte in beiden Koordinatensystemen (überge-ordnetes System, lokales System) und anschließende Koordinatentransformation istder Anschluss an ein übergeordnetes System möglich [40]. Der Bezug zu einemamtlichen System ist insbesondere dann sinnvoll, wenn weitere Informationenaus anderen Datenbeständen, wie z. B. Liegenschaftsdaten des Amtlichen Lie-genschaftskatasterinformationssystems (ALKIS) oder Daten aus Leitungskatasterergänzt werden. Bei der Verwendung eines Landessystems als übergeordnetesSystem, wie bspw. UTM (Universal Transverse Mercator) für Deutschland, sind

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ggf. Projektionsverzerrungen zu berücksichtigen. Je nach Lage des Messgebieteskönnen diese eine nicht zu vernachlässigende Größenordnungen annehmen. Fürweitere Informationen zu amtlichen Landeskoordinatensystemen, Strecken- undHöhenreduktion etc. sei an dieser Stelle auf die Fachliteratur, z. B. [40], verwiesen.

Die Realisierung des Koordinatensystems vor Ort erfolgt durch die Vermarkungvon Festpunkten (FP), die entweder vorab oder simultan mit der fortschreitendenBauerfassung eingemessen und im räumlichen Bezugssystem koordiniert werden.Die FP dienen sowohl als Standorte für die Vermessungsinstrumente als auch alsAnschlusspunkte (AP) bzw. Passpunkte (PP) für Stationierungs- und Orientierungs-vorgänge. Ihre Positionen sind so auszuwählen, dass damit das Aufmaß problemlosgelingt und zugleich die Dauerhaftigkeit nach Möglichkeit gewährleistet ist. DieFest- und Anschlusspunkte werden sowohl außerhalb des Gebäudes, also meistensim umgebenden Gelände, als auch innen auf Böden, Wänden und ggf. Deckenplatziert. Für die Verdichtung des Festpunktnetzes im Innenraum sind die Laibungender Mauerwerksöffnungen (Türen, Fenster) günstige Standorte, da sie von zweiSeiten gut beobachtbar sind.

Abbildung 2 zeigt das schematische Beispiel eines Festpunktnetzes für dieBauaufnahme eines Gebäudes. Begonnen wird mit den Außenpunkten, die dasObjekt ringförmig umschließen. Hiervon ausgehend werden weitere Festpunktein das Gebäude übertragen, die die Basis für weitere Verdichtungen bilden. Beimehreren Stockwerken ist das Prinzip analog für jede Etage anzuwenden. Diegeodätische Festpunktbestimmung erfolgt anhand von klassischen Einzelpunktver-fahren wie etwa durch Polygonierung oder Schnittverfahren (z. B. Bogenschlag,Vorwärtsschnitt).

Den größten Aufwand verlangt die Messung von Strecken- und Richtungsnetzenmit anschließender Ausgleichung; allerdings liefert diese auch die genauestenKoordinaten, wobei Messfehler mit größtmöglicher Wahrscheinlichkeit aufgedecktwerden können. Der beste Instrumentenstandort für das Aufmaß der maßgebendenBauwerkspunkte stellt sich oftmals erst während der laufenden Vermessungsar-beiten heraus. Bei diesen Punkten unterbleibt in der Regel die Vermarkung unddie Standortbestimmung geschieht durch Freie Stationierung. Für weitere Detailszu den vorstehend genannten Punktbestimmungsverfahren sei auf die geodätischeFachliteratur verwiesen [40].

3.2 Elektronisches Handaufmaß

Das elektronische Handaufmaß beruht auf der Kombination von elektrooptischenDistanzmessungen, mobilen Computern und spezieller Software. Es unterscheidetsich instrumentell und verfahrenstechnisch von dem früher üblichen klassischenHandaufmaß, das gekennzeichnet war durch die Verwendung von Maßband/2-m-Holz-Stab (Zollstock), Lot, Rechtwinkelprisma und Fluchtstäbe sowie Orthogonal-und Einbindeverfahren als vorherrschende vermessungstechnische Methode.Das moderne Handaufmaß verwendet bei der Streckenmessung gewöhnlichHandlasermessgeräte, die mit einem elektrooptischen Distanzmesser (Abschn. 3.3)

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Abb. 3 Elektronisches Handaufmaß: Messung von raumbestimmenden Strecken (Länge, Breiteund Diagonale)

ausgestattet sind. Die anzumessenden Punkte werden dabei mit einem sichtbarenLaserstrahl angesprochen. Die Messwerte werden direkt über eine Schnittstelle anden mitgeführten mobilen Computer (Tablet, Laptop) per Kabel oder Bluetoothübertragen und in der Aufmaßsoftware weiterverarbeitet. Die Aufmaßsoftwarekann ein eigenständiges Programm oder eine Zusatzapplikation in einemCAD-System sein. Bei Letzterem stehen dem Operateur die umfangreichen CAD-Funktionalitäten für die graphische Dokumentation der Vermessungsergebnissezur Verfügung, die zur Effektivitätssteigerung durch viele, auf das Bauaufmaßabgestimmte, Spezialfunktionen erweitert sind. Eine Übersicht zu Aufmaßsoftwa-reprodukten für die hier genannten Verfahren findet sich u. a. in [14].

Gemessen werden ausschließlich – zumeist horizontale, vertikale und dia-gonale – Strecken, weshalb diese Methode auch ohne vermessungstechnischeSpezialkenntnisse angewendet werden kann. Methodisch gesehen wird beim elek-tronischen Handaufmaß das Bauwerk zunächst gedanklich in die vorhandenenRaumeinheiten als Basiselemente zerlegt, deren geometrische Dimensionen unab-hängig voneinander erfasst werden. Jeder Raum wird also im ersten Schritt alseigenständige Zelle für sich vermessen. Für die Gesamtdimensionierung eines recht-eckigen Standardraumes im Grundriss genügen somit in den meisten Fällen dreihorizontale Strecken für Länge, Breite und Diagonale, wobei letztere im Regelfallder Kontrolle auf Rechtwinkligkeit dient (Abb. 3). Hierauf aufbauend werden dieMauerwerksöffnungen, also vor allem Fenster und Türen, sowie Aussparungen,Durchbrüche und Vorsprünge durch weitere Streckenmessungen, ggf. auch durchMaßketten, bestimmt und über die Aufmaßsoftware in der Zeichnung festgehalten.Soll ein dreidimensionales Aufmaß stattfinden, wird durch entsprechende Strecken-messungen in der Vertikalen die dritte Dimension analog erfasst.

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Die unmittelbare Verbindung zum Referenzsystem findet im Gegensatz zuden anderen Aufmaßverfahren (Tachymetrie, Photogrammetrie und Laserscanning)beim Handaufmaß nicht statt. Deshalb müssen die zunächst unabhängig bestimmtenRaumeinheiten, die in sich gesehen vollständig geometrisch definiert sind, zu einemGanzen aggregiert werden, so dass schließlich das Gebäude in seiner geometrischenAusprägung vollständig repräsentiert ist. Dies geschieht regelmäßig anhand dergemeinsamen Wandöffnungen (Fenster und Türen) und den gemessenen Wand-bzw. Laibungstiefen, über die die einzelnen Raumeinheiten lagerichtig zusammen-gefügt werden. Für diesen Vorgang stellt die Software entsprechende Funktionen zurVerfügung, die einen hierarchischen Aufbau in Räume, Raumgruppen, Geschosseund Gesamtbauwerk unterstützen. Durch das Aggregieren von einzelnen Raum-einheiten stößt das Verfahren bei Bauwerken mit stark verwinkelten bzw. nichtrechtwinkligen Strukturen oder ungleichmäßigen Wandstärken (z. B. historischeGebäude) bisweilen an seine Grenzen.

Neuere Aufmaßsysteme gehen einen etwas anderen Weg; sie untergliedernden zuvor beschriebenen Workflow in die beiden Schritte Grobstrukturierung undFeindimensionierung. Bei der Grobstrukturierung werden die Räume im Prinzipskizzenhaft anhand von geschätzten Maßen erfasst, aus denen sich die Raumein-heiten und Gebäudestruktur geometrisch nur grob ergeben. Begleitet wird dieserSchritt durch die Definition von Restriktionen wie beispielsweise Parallelitätenund Rechtwinkligkeiten, so dass implizit der strukturelle Gebäudeaufbau mit allenBeziehungen bereits vorgegeben ist. Im zweiten Schritt findet dann die Feindimen-sionierung statt, indem die Streckenmessungen eingeführt werden und die bisher nurgrob skizzierten Raumeinheiten nach und nach ihre exakten Dimensionen erhalten.Die Grobskizze verwandelt sich im Ergebnis also schrittweise zu der finalen,geometrisch exakten Gebäudezeichnung.

In Abhängigkeit von der Software wird die Gebäudezeichnung im ein-fachsten Fall als Drahtmodell erstellt, also im Wesentlichen anhand vonCAD-Basiselementen wie Linien und Bögen. Für die 3D-Bauwerksmodellierungexistieren Systeme, in denen direkt oder indirekt Flächen- oder Volumenmodelleerzeugt werden, wobei gegebenenfalls mit parametrischer Dimensionierunggearbeitet wird. Korrekturen in der Geometrie können dann sehr einfach durchAnpassung der Parameter umgesetzt werden. Einige Aufmaßsysteme besitzendarüber hinaus Funktionalitäten, die direkt oder indirekt auf BIM ausgerichtet sind(z. B. On-Site Survey,1 SiteMaster BIM,2) wie die objektorientierte Bauteilbildungoder eine Schnittstelle für die gleichzeitige Erfassung von nicht-geometrischenDaten, indem zum Beispiel Dialoge für die Eingabe der Sachinformationenbereitgestellt werden. Das Handaufmaß ist für diesen Arbeitsschritt prädestiniert,weil der Bearbeiter vor Ort und mit größtmöglicher Nähe zum Objekt agiert.

Der größte Nachteil des Handaufmaßes besteht in der verhältnismäßiggeringen Genauigkeit der aufgemessenen Punkte in Bezug zum örtlichen oder

1http://www.maxmess-software.de [Recherche: 03/16]2http://www.graebert-isurvey.com/ [Recherche: 03/16]

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übergeordneten Referenzsystem. Jede Raumeinheit besitzt zwar für sichgesehen eine völlig ausreichende relative Genauigkeit, aber aufgrund der obenbeschriebenen Aggregation von Raumeinheiten, also ohne explizite Einbindungeines übergeordneten Referenzsystems, addieren sich Unsicherheiten sowohl in derMessung wie auch den Modellannahmen (z. B. nicht einheitliche Wandstärken)auf. So zeigen Punkte zwischen Anfang und Ende des Bauwerks oftmalsAbweichungen im Dezimeterbereich. Aus diesem Grund sollte das Handaufmaß inder Bauvermessung nur als Ergänzungsverfahren eingesetzt werden.

3.3 Tachymetrie

Die Tachymetrie besitzt in der Bauwerksvermessung eine große Bedeutung. Stan-dardmäßig werden hierbei moderne Tachymeterinstrumente mit elektrooptischerDistanzmessung eingesetzt. Die Distanzmessung beruht entweder auf dem Im-pulslaufzeitverfahren, dem Phasenvergleichsverfahren oder einem kombiniertenImpulslaufzeit- und Phasenmessverfahren [25]. Die Messung erfolgt entweder zuReflektorprismen, die auf die anzumessenden Punkte direkt oder exzentrisch auf-gehalten werden, oder die Gebäudepunkte werden reflektorlos angemessen. Hierbeikann ähnlich wie beim Handlaserdistanzmesser mit einem sichtbaren Laserstrahlgearbeitet werden. Die Einführung der reflektorlosen Messung bedeutete in derBauvermessung eine deutliche Vereinfachung, beschleunigt den Messvorgang underübrigt die zweite Person am Prisma. Obwohl die reflektorlose Distanzmessungseit einigen Jahren zum technologischen Standard zählt, muss in der Praxis beachtetwerden, dass die Reichweite und Genauigkeit der Messung von den metrologischenBedingungen und insbesondere der Beschaffenheit der reflektierenden Oberfläche(Struktur, Rauigkeit, Farbe, Ausrichtung/Auftreffwinkel) abhängen. BesonderesAugenmerk muss ferner bei der Messung von Ecken und Kanten auf das re-flektierte Signal gelegt werden, denn Teilreflektionen können die Distanzmessungverfälschen [25].

Primäre Messelemente bei der Tachymetrie sind Horizontalrichtung (Hz), Zenit-bzw. Vertikalwinkel (V) und Schrägstrecke (s), also 3D-Polarkoordinaten, mitdenen Punkte dreidimensional bestimmt sind. Die Umrechnung der primärenMesswerte in äquivalente Größen wie Horizontalstrecke (e), Höhendifferenz (dH)oder lokale kartesische Koordinaten kann bereits im Instrument erfolgen. DieMessdaten werden meist auf eine Speicherkarte geschrieben bzw. online überKabel oder Bluetooth an einen Mobilcomputer mit entsprechender Aufmaßsoftwareübertragen (z. B. TachyCad,3 Vitas.4) Aufmaßsoftware für die Tachymetrie besitztgrundsätzlich ähnliche Funktionalitäten wie jene für das Handaufmaß (Abschn. 3.2),ist jedoch (zusätzlich) mit Schnittstellen zu Tachymeterinstrumenten ausgestattet(Abb. 4). Moderne Tachymeter verfügen darüber hinaus intern über eine Vielzahl an

3http://faro-3d-software.de/ [Recherche: 03/16]4http://www.vitruvius.de/ [Recherche: 03/16]

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Abb. 4 Bestandsaufnahme mit dem Tachymeter und der Zusatzsoftware VITAS (Bildquelle:Vitruvius GmbH)

Programmen, die typische vermessungstechnische Berechnungsvorgänge (Bogen-schlag, Freie Stationierung, Zentrierungen usw.) ermöglichen.

Als Instrumentenstandorte während der Erfassungsarbeiten werden entwederdie zuvor eingerichteten Festpunkte oder die Methode der „Freien Stationierung“benutzt. Die frei gewählten Standorte werden dabei vor Ort so ausgesucht, dassdie Aufnahme der Gebäudepunkte flexibel und effektiv durchgeführt werden kann.In der Regel wird das Tachymeter mit einem Instrumentenstativ direkt auf demBoden, ggf. unter Verwendung von Stativsternen, aufgestellt. Bei stark verform-baren Fußböden und hohen Ansprüchen an die Genauigkeit können auch spezielleKlemmstative für Stützen, Träger oder Türlaibungen zum Einsatz kommen.

Damit der freie Standort, der nicht notwendigerweise vermarkt wird, koordina-tenmäßig berechnet werden kann, müssen Anschlussmessungen zu mindestens zweibekannten Festpunkten erfolgen. Anschluss- und Erfassungsmessungen werdenzumeist kombiniert durchgeführt. Hierbei findet kontinuierlich die Verdichtung desFestpunktfeldes anhand von weiteren Punkten auf dem Boden oder den Wändenstatt, die temporär mit Reflexmarken signalisiert werden. In den meisten Fällen wirdpro Raum eine Instrumentenaufstellung benötigt.

Methodisch gesehen können bei der Tachymetrie drei Vorgehensweisen unter-schieden werden [14]:

a. Erfassung der 3D-Strukturkanten

Hierbei werden in den Räumen alle geometriebestimmenden Ecken und Kantender Räume direkt angezielt und gemessen. In der angeschlossenen Aufmaßsoftware

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entstehen durch Verbindung der Messpunkte die entsprechenden dreidimensiona-len Linien und Bögen, die die Gebäudestruktur repräsentieren. Das Ergebnis istein 3D-CAD-Drahtmodell des aufzumessenden Bauwerks. Die zweidimensionalenStandardbauzeichnungen wie Grundrisse, Schnitte und Ansichten müssen ausdiesen Drahtmodellzeichnungen in einem weiteren Verarbeitungsschritt abgeleitetwerden.

b. Direkterfassung von Schnitten

Wenn im Vorhinein Klarheit über die Anzahl und Lage von Grundrissen undSchnitten herrscht, bietet sich die Direkterfassung in Schnittebenen an. Es werdenhierzu alle Punkte angemessen, die geometriebestimmend für den Grundriss oderVertikalschnitt sind. In der Aufmaßsoftware findet dabei fortwährend die Projektionder 3D-Punkte in die vordefinierte Schnittebene statt. Häufig wiederkehrendeElemente wie zum Beispiel Fenster und Türen in Grundrissen können mit entspre-chenden Spezialfunktionen der (CAD-)Software sehr effektiv erfasst werden [14].Das Ergebnis ist unmittelbar eine 2D-Zeichnung.

c. 3D-Modellierung

Für BIM oder die Erstellung von 3D-Stadtmodellen ist das dritte Verfahren ambedeutendsten. Ähnlich wie bei (a) werden die geometriebestimmenden Punktedes Bauwerks gemessen. Aus den Punktkoordinaten leitet man dann die dreidi-mensionalen Flächen- und Volumenelemente ab, die am Ende das Gebäudemodelldarstellen. Wenn Begrenzungskanten oder -ecken nicht direkt angezielt werden kön-nen, werden indirekte Messungen auf den Wand- und Deckenflächen durchgeführtund diese zum Schnitt gebracht. Im Hinblick auf BIM kann während der Geo-metrieerfassung gleichzeitig die Objektbildung und zusätzliche Anreicherung mitSachinformationen erfolgen. Die Erfassungssoftware muss dann über entsprechendeDialogschnittstellen verfügen.

In der Praxis wird das tachymetrische Verfahren häufig mit dem Handaufmaßkombiniert, insbesondere wenn etwa aufgrund von Parallelitäts- oder Rechtwin-kelbedingungen – wie bei Aussparungen oder Vorsprüngen – einfache, lineareStreckenmaße ausreichen.

3.4 Photogrammetrie

Die Photogrammetrie, also die Vermessung anhand von photographischen Bildern,ist in der Bauaufnahme gewöhnlich nur im Außenbereich sinnvoll einsetzbar, zumBeispiel bei der Erfassung der äußeren Gebäudehülle. Für die Innenräume istdas Verfahren in der Regel zu aufwendig, weil die Anzahl der zu bestimmendengeometrischen Größen in keinem akzeptablen Verhältnis zum Aufwand steht. EineAusnahme besteht ggf. bei großen Bauwerken wie Kirchen oder Konzerthäusern mitentsprechend großvolumigen Innenräumen oder denkmalpflegerischen Objekten

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mit einer entsprechend hohen Detaildichte. Bei der Photogrammetrie ist der Zeit-aufwand vor Ort eher gering, die eigentliche Vermessungstätigkeit wird ins Büroverlagert.

In den meisten Anwendungen findet eine Kamerakalibrierung statt, insbesonderewenn die Genauigkeit gesteigert werden soll. Hierbei werden die Parameter derinneren Orientierung bestimmt, die sich zusammensetzen aus der Kamerakonstanteund den Bildhauptpunktkoordinaten (Lage des Projektionszentrums) sowie derVerzeichnung und der Sensorgeometrie (Affinität, Scherung) als die Bildfehlerbeschreibenden Größen. Verfahrensmäßig werden vorzugsweise die Testfeld- oderdie Simultankalibrierung durchgeführt; letztere nutzt die Aufnahmen gleichzeitigfür die eigentliche Objektvermessung. In beiden Fällen wird ein – in der Regelsignalisiertes und nach Möglichkeit räumliches – Punktfeld rundum systematischaufgenommen, das im Idealfall durch mehrere Maßstäbe mit bekannten Streckenergänzt wird. Die Bestimmung der Kameraparameter findet dann im Rahmeneiner Bündelausgleichung statt [23]. Erfolgt die Objektvermessung anhand vonsignalisierten Punkten und in Verbindung mit detaillierten Kalibrieransätzen, sindrelative Genauigkeiten von 1:100.000 und besser erzielbar [7, 23]. Das heißt, beieiner Raumgröße von z. B. 10 � 10 � 10 m können die Koordinaten der Punkte miteiner Präzision im Submillimeterbereich bestimmt werden.

Bei den photogrammetrischen Verfahren können grundsätzlich folgende Ver-fahren unterschieden werden: Einbildphotogrammetrie, Mehrbildphotogrammetrieund Stereophotogrammetrie. In jüngerer Zeit hat sich neben diesen noch die UAV-Photogrammetrie etabliert.

3.4.1 EinbildphotogrammetrieBei der Einbildphotogrammetrie findet eine Auswertung anhand jeweils eines,heutzutage ausnahmslos digitalen Bildes statt. Die ursprüngliche Aufnahme, die wiealle Fotografien nach den Gesetzen der Zentralprojektion entsteht, weist projektiveVerzerrungen auf; als Folge hiervon sind in der Natur parallele Objektkanten imBild mehr oder weniger stark konvergent. Für die Auswertung wird das digitaleBild projektiv entzerrt, d. h. es findet eine Bildumrechnung statt; die Parallelität derObjektkanten ist dann z. B. wiederhergestellt. Dies geschieht zumeist anhand vonmindestens vier Passpunkten pro Bild, die zuvor geodätisch zu bestimmen sind.Die eigentliche Auswertetätigkeit findet im entzerrten Bild statt, wobei sich dieOnscreen-Digitalisierung bewährt hat. Die entzerrte Aufnahme befindet sich hierbeiim Hintergrund und der Operateur zeichnet alle relevanten Konturen ab. Wenn diephotogrammetrische Auswertesoftware in ein CAD-System – wie beispielsweisebeim digitalen Auswertesystem PHIDIAS5 (Abb. 6), das als Zusatzapplikation in dieCAD-Software MicroStation integriert ist [4] – werden die Auswerte- und Zeichen-arbeiten durch die systemeigenen CAD-Funktionalitäten (Kopieren, Spiegeln usw.)unterstützt. Die Überlagerung der Zeichnung mit der Aufnahme (Superimposition)erleichtert die Überprüfung der graphischen Auswertung auf Vollständigkeit undRichtigkeit.

5http://phocad.de/ [Recherche: 03/16]

Bauaufnahme, Gebäudeerfassung und BIM 15

Mit der Einbildauswertung können grundsätzlich nur 2D-Objekte wie zum Bei-spiel ebene Hausfassaden vermessen werden, weil die photographische Abbildungprinzipbedingt in die (zweidimensionale) Ebene des Kamerasensors stattfindet.Hierdurch geht eine Dimension verloren und die Einbildphotogrammetrie musssich daher auf plane Objekte beschränken. Ausnahme: Wenn es sich bei derObjektfläche um abwickelbare Regelflächen (Zylinder, Kegelstümpfe) wie etwa einTurmbauwerk handelt, gelingt auch hier eine Auswertung auf der Grundlage vonnur einem Bild, sofern die Orientierungsdaten der Aufnahme vorliegen. Für nähereErläuterungen hierzu sei auf die Fachliteratur verwiesen (z. B. [5]).

3.4.2 MehrbildphotogrammetrieFür die Mehrbildphotogrammetrie wird das Objekt freihändig von verschiedenenStandorten aus anhand einer Vielzahl an Bildern aufgenommen, die sich 30 %bis 90 % überlappen; es entsteht ein Bildverband (Abb. 5). Jeder zu messendeObjektpunkt sollte in mindestens zwei Aufnahmen abgebildet sein, denn diesist die Grundlage für die dreidimensionale Punktbestimmung. Als Voraussetzungfür die Mehrbildauswertung ist zuvor die Bildorientierung durchzuführen. Hierbeiwird die Aufnahmesituation mathematisch rekonstruiert, d. h. die Positionen undRotationen der Kamera bzw. Bilder zum Zeitpunkt der Aufnahme (Orientie-rungsdaten) werden bestimmt. Die Orientierungsberechnung erfolgt in der Regeldurch Bündelausgleichung, wobei die Kameradaten (Kamerakonstante, Hauptkoor-dinaten, Verzeichnungsparameter) gewöhnlich simultan mitbestimmt werden. Die

Abb. 5 Bildverband für dieMehrbildauswertung

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Abb. 6 Photogrammetrisches Auswertesystem PHIDIAS (Bildquelle: PHOCAD GmbH)

Einbindung in das lokale Koordinatensystem der Bauvermessung bzw. in dasübergeordnete Referenzsystem geschieht über Passpunkte, die geodätisch bestimmtwerden. Für weitere Erläuterungen zu Bildorientierung und Kamerakalibrierung seiauf die Fachliteratur verwiesen [23].

Die Auswertung der Aufnahmen beruht auf dem Vorwärtsschnittprinzip. Derzu bestimmende Punkt wird in zwei oder mehr Bildern monoskopisch gemessen,d. h. nacheinander in den Bildern lokalisiert und seine jeweiligen Bildkoordinatenbestimmt. In Verbindung mit den Orientierungsdaten können daraus die korre-spondierenden Raumstrahlen rekonstruiert und zum Schnitt gebracht werden. DasErgebnis sind die 3D-Koordinaten der Objektpunkte, aus denen anschließend zumBeispiel die Linien gebildet werden können, die entsprechende Objektkonturen re-präsentieren. Die Auswerteergebnisse werden im Allgemeinen als dreidimensionaleCAD-Zeichnung festgehalten.

Das Auswertesystem PHIDIAS stellt alle für die Mehrbildauswertung benötigtenProzeduren zur Verfügung (Abb. 6). Das Auswerteergebnis ist im Regelfall eine3D-Drahtmodellzeichnung, die am Bildschirm mit den orientierten Aufnahmenim Hintergrund perspektivisch kongruent überlagert wird. Hierdurch ist die vi-suelle Kontrolle während der Auswertung ständig gegeben. Ähnlich wie bei derEinbildauswertung erfolgt eine Art Onscreen-Digitalisierung, nur dass jetzt drei-dimensional gemessen wird. Alternativ kann statt Drahtmodell sofort auch die3D-Modellierung mit Flächen- und Volumenelementen stattfinden. Wenn darüber

Bauaufnahme, Gebäudeerfassung und BIM 17

hinaus unter MicroStation eine BIM-Applikation installiert ist (z. B. AECOsimBuilding Designer,6) besteht in PHIDIAS die Möglichkeit, die photogrammetrischeGeometrieerfassung mit der Aufbereitung für BIM-Anwendungen zu kombinieren.

3.4.3 StereophotogrammetrieDie Stereophotogrammetrie spielt in der Bauwerksvermessung nur eine untergeord-nete Rolle, weil die Anforderungen an Personal und Ausrüstung relativ hoch sind.Das Verfahren macht sich die menschliche Fähigkeit zunutze, Szenen räumlich, alsostereoskopisch, betrachten zu können. In Verbindung mit einer ebenso räumlichenMessmarke können so auch konturlose Objekte photogrammetrisch vermessenwerden, z. B. die gewölbte Kuppeldecke einer Kirche.

Für die Stereoauswertung werden je zwei Aufnahmen in sog. Normalfallanord-nung erstellt. Normalfall bedeutet, dass die beiden Aufnahmerichtungen parallelund gleichzeitig senkrecht (normal) zur Basis sind. Dies kann mit einer Kameranacheinander oder mit zwei Kameras simultan geschehen. Die Basis ist der Abstandzwischen den beiden Aufnahmestandorten. Sie ist so zu wählen, dass die Überlap-pung der Bildbereiche etwa 50 % bis 60 % beträgt. Die Normalfallbedingung mussin der Praxis zumindest genähert eingehalten werden.

Für die Auswertung müssen die Aufnahmen des Stereobildpaares den Augendes Operateurs getrennt zugeführt werden, damit die gleiche Situation wie beimnatürlichen Sehen vorliegt. Die Bildtrennung kann optisch erfolgen mit Stereo-skopen oder – bei digitalen Aufnahmen heute meist üblich – mit Shutter-Brillennach dem Wechselblendenprinzip [23]. Hierbei werden die Bilder mit etwa 100 Hzabwechselnd auf dem Bildschirm angezeigt. Im gleichen Takt werden das linke unddas rechte Brillenglas wechselweise durchlässig geschaltet. Durch die Abstimmungauf den Bildwechsel kommt die Bildtrennung zustande und der Betrachter nimmtdie dargestellte Szene bei genügend hoher Wechselfrequenz räumlich wahr.

Für die Stereoauswertung steht dem Operateur eine räumliche Messmarke zurVerfügung, die er beliebig im Stereoraum bewegen und platzieren kann. Dieser3D-Cursor wird zum Beispiel unter visueller Kontrolle des Betrachters auf dieObjektoberfläche gesetzt, womit implizit die dreidimensionalen Koordinaten des solokalisierten Punktes erfasst sind. Dieser Vorgang kann kontinuierlich fortgesetztwerden, so dass die Oberflächen entlang dreidimensionalen Kurven, ähnlich wieHöhenlinien, abgefahren werden.

Die Stereophotogrammetrie besitzt den Vorteil, dass damit auch Objekte ohnediskrete Konturen dreidimensional vermessen werden können, z. B. bildhauerischentstandene Skulpturen. In der Luftbildauswertung werden heute spezielle digi-tale Stereoauswertestationen eingesetzt, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind.Grundsätzlich können diese hochentwickelten, aber auch kostspieligen Gerätefür die Bauwerksvermessung eingesetzt werden, was aber selten stattfindet. DiePhotogrammetrieapplikation PHIDIAS (Abb. 6) unterstützt ebenfalls die Stereoaus-wertung, wobei die Bildtrennung mit einer Shutter-Brille erfolgt.

6http://www.bentley.com [Recherche: 03/16]

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3.4.4 UAV-PhotogrammetrieDie Entwicklungen der letzten Jahre in der computergestützten Bilddatenverar-beitung ermöglichen es, auf der Basis einer großen Anzahl stark überlappenderBildaufnahmen mit Verfahren zur dichten Bildzuordnung (Dense Image Matching)automatisiert Punktwolken abzuleiten (Abb. 7). Angewendet wird dieses Verfahrenu. a. für die Geodatenerfassung mit unbemannten Luftfahrzeugen (Unmanned AerialVehicles, UAV), die mit Kameras ausgestattet Bildaufnahmen aus der Luft fürdie Erstellung von Oberflächenmodellen und Orthophotos liefern. Die Luftbild-photogrammetrie, bis dahin größtenteils auf bemannte Luftfahrzeuge gestützt,erlaubt es, durch Kombination der Verfahren mit unbemannten Luftfahrzeugeneine neue Flexibilität, Wirtschaftlichkeit und Genauigkeit zu erreichen. ZahlreicheEvaluierungen zum UAV-Einsatz wurden bereits durchgeführt [1, 18, 26]. Unbe-mannte Luftfahrzeuge können in senkrecht startende Drehflügler und horizontalstartende Flächenflugzeuge, jeweils in unterschiedlichen Gewichtsklassen, unter-schieden werden. Bei den Rotorflüglern sind vor allem die Multikoptersysteme(Abb. 8) hervorzuheben, die sich durch eine sehr hohe Flexibilität und Stabilität beirelativ simplen Betriebskonzepten und schneller Einsatzbereitschaft auszeichnen.Horizontal startende Flächenflugzeuge bieten grundsätzlich eine hohe Reichweiteund geringe Windanfälligkeit. Weitere Bauformen von UAV stellen Kleinluftschiffe(Zeppeline) sowie die Gleitschirm-Fluggeräte (Kites) dar. Diese haben durchwegeine hohe Tragfähigkeit bei großer Reichweite.

Abb. 7 Bildbasierte Punktwolke aus UAV-Aufnahmen durch Dense Image Matching

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Abb. 8 Hexakopter mitKamera (Bildquelle:Geodätisches Institut, RWTHAachen)

Die Herausforderung zum konsequenten Einsatz von unbemannten Luftfahr-zeugen stellen neben rechtlichen Fragen und der Einbindung in die Luftfahrt vorallem die Integration in bestehende Prozesse zur Datenverarbeitung dar. Für dieOrientierung der UAV-Bildverbände – zumeist in Verbindung mit einer simul-tanen Kamerakalibrierung – haben zuletzt Algorithmen und Verfahren aus demBereich der Computer Vision unter dem Begriff Structure from Motion (SfM)große Bedeutung erlangt [29, 36, 37]. Die Kernaufgabe der photogrammetrischenBildorientierung, wie auch der 3D-Punktbestimmung, besteht in der Lösung desZuordnungsproblems (Image Matching). Die im Allgemeinfall ungeordneten UAV-Bilder mit zum Teil konvergenten Aufnahmerichtungen stellen hierbei eine beson-dere Herausforderung dar, die die SfM-Algorithmen zuverlässiger bewältigen alsdie herkömmlichen Verfahren, die vorzugsweise auf der klassischen merkmals- undflächenbasierten Korrespondenzanalyse beruhen (z. B. Kreuzkorrelation, Kleinste-Quadrate-Zuordnung, [23]). Unter der Vielzahl an Matching-Algorithmen undderen Varianten sind beispielsweise SIFT- (Scale Invariant Feature Transform)[22], SGM- (Semi-Global-Matching) [20] oder SURF-Operator (Speeded Up Ro-bust Features) [1] zu nennen. In den dichten Bildverbänden existieren für dieVerknüpfungspunkte vielfach Korrespondenzen in mehreren Bildpaaren, was manzusätzlich durch Multi-View-Stereo Matching (MVS) ausnutzt [34]. Als Ergebnisseder gekoppelten Mehrbildkorrespondenzanalyse und -orientierung erhält man nebenden Daten für die inneren und äußeren Orientierungen auch eine erste, allerdingsnoch dünne Punktwolke, die sich implizit aus den Verknüpfungspunkten ergibt.

Die Verdichtung der Punktwolke geschieht in einem weiteren Schritt durchDense Image Matching, wobei die Orientierungsdaten in den Prozess als bekannteGrößen eingehen. Da die Grundaufgabe identisch ist, werden hierbei die zuvor

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erwähnten Verfahren gleichermaßen verwendet. Das heißt, sowohl die merkmals-und flächenbasierten Methoden wie auch die SfM-Algorithmen kommen zumEinsatz. Die 3D-Koordinaten der Objektpunkte ergeben sich dann durch redundan-tes Vorwärtseinschneiden (Triangulationsprinzip). Die Objektoberfläche, also zumBeispiel die äußere Hülle eines Gebäudes und dessen umliegende Topographie, wirdim Ergebnis durch eine hochdichte Punktwolke repräsentiert.

Die dichten Punktwolken beschreiben die Geometrie mit hoher Auflösung, diewegen der bei UAV-Aufnahmen häufig großen Bildmaßstäbe oft nur wenige Zen-timeter beträgt. Die Auflösung reicht aus, um beispielsweise die Gebäudehülle zurGenerierung von 3D-Stadtmodellen im Detailierungsgrad LoD 2 (bzw. LoD 3) zumodellieren. Für die Fassadenrekonstruktion aus terrestrischen LiDAR-Daten (TLS)sind in der Vergangenheit verschiedene Verfahren entwickelt worden [2, 9, 17],die auf UAV-Punktwolken prinzipiell übertragbar sind [24], wobei die Methodenvon der höheren Punktdichte profitieren. Die Extraktion von Strukturelementenwie Kanten, Ecken und Flächen bleibt der überwiegend manuellen Auswertungvorbehalten, zumal wenn es gleichzeitig mit der semantischen Modellierung vonBIM-Objekten kombiniert wird.

Aufgrund der Analogie zum Airborne Laserscanning (ALS) werden aus denUAV-Punktwolken überwiegend die gleichen Folgeprodukte wie beim ALS erzeugt.Der erste Schritt ist gewöhnlich die Generierung von Digitalen Oberflächenmo-dellen (DOM), zumeist DOM der Erdoberfläche. Durch Dreiecksvermaschung der3D-Punkte zu einem TIN (Triangulated Irregular Network) entsteht hierbei einelückenlose Polyederfläche. Die Digitalen Oberflächenmodelle sind Ausgangsbasisfür weitere Darstellungen. Neben Schummerungsansichten können die DOM textu-riert (Textur-Mapping) oder aus den Originalaufnahmen maßstäbliche Orthophotosberechnet werden.

Die mit UAV-Photogrammetrie erzielbaren Genauigkeiten hängen – wie von derklassischen Photogrammetrie her bekannt – von einer Vielzahl an Faktoren wieBildmaßstab, Auflösung, Aufnahmekonstellation, Kameratechnik, Kalibrieransatzetc. ab. In der Literatur sind eine Reihe von Untersuchungen dokumentiert, diedas Genauigkeitspotenzial von UAV-Projekten bewerten [10, 13, 16, 19, 26, 32]. Dadeterministische Genauigkeitsabschätzungen in der Photogrammetrie etwa durchSimulationen aufwendig sind, werden stattdessen die photogrammetrischen Ziel-größen – also zumeist singuläre 3D-Objektmerkmale (Punkte, Kanten) oder DOM –vorzugsweise im Rahmen von Praxisanwendungen einem Soll-Ist-Vergleich un-terzogen. Die Referenzwerte werden in diesem Zusammenhang durch klassischeMessverfahren mit übergeordneter Genauigkeit wie Tachymetrie, Laserscanningoder (Aero-) Photogrammetrie mit hochwertigen Luftbildkameras und Auswerte-systemen bereitgestellt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei UAV-Projekten mit den SfM-basierten Verfahren die Bestimmung der Bildorientierungenund Punktwolken mit ebenso hoher Genauigkeit wie mit den konventionellenphotogrammetrischen Werkzeugen gelingt, nämlich im Subpixelbereich, obwohlvergleichsweise einfache Kameratechnik zum Einsatz kommt. Wenn die Bodenpixe-lauflösung (GSD, Ground Sample Distance) im Mittel beispielsweise 6 cm beträgt,weisen signalisierte Kontrollpunkte nach der Bildorientierung durchschnittliche

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Punktabweichungen von ca. 2–5 cm in der Lage auf [16]. Die photogrammetrischeTiefenmessgenauigkeit ist regelmäßig schlechter. So zeigen die Soll-Ist-Vergleichebei Digitalen Oberflächenmodellen in der Vertikalkomponente typische Abwei-chungen von 1� bis 2�GSD; unter günstigen Voraussetzungen ist aber auch in derHöhenkomponente Subpixelgenauigkeit erzielbar [13].

Mit der UAV-Photogrammetrie steht eine neuartige Messmethode zur Verfügung,mit der bildbasierte Punktwolken in einem weitgehend automatisierten Workflowerzeugt werden können. Sie tritt damit in Konkurrenz zum distanzbasierten Laser-scanning (LiDAR). Das Verfahren ist besonders geeignet bei der Außenaufnahmevon hohen oder schwer zugänglichen Objekten (z. B. Turmbauwerken oder Gebäu-defassaden im Steilhang) sowie bei der Erfassung von Dachflächen.

3.5 Terrestrisches Laserscanning

Terrestrische Laserscanner erlangen zunehmend Bedeutung in der Bauvermessung,obwohl die Instrumententechnik vergleichsweise aufwendig und kostenintensiv ist.Bei einfachen Strukturen (z. B. Gebäude mit rechtwinklig zugeschnittenen Räumen)ist das Laserscanning im Gebäudeinneren – ähnlich wie die Photogrammetrie –oft zu aufwendig, da enorme Datenmengen anfallen, die in keinem Verhältniszur relevanten Geometrieinformation stehen. Für komplexere Bauwerke wie In-dustrieanlagen, historische Bauwerke, Kirchen etc. ist das Laserscanning aufgrundder flächenhaften Abtastung dagegen eine effiziente Erfassungsmethode. Generellbesitzt die automatische Auswertung von Punktwolken ein hohes Entwicklungs-potenzial, so dass auch die Innenraumvermessung anhand von Laserscannernzunehmend interessant wird. Viele Hersteller setzen daher derzeit auf Laserscanningals Erfassungsmethode für BIM und stellen Softwarepakete zur Punkdatenverarbei-tung für BIM bereit [33].

Während eines Scans tastet ein Laserstrahl den Messbereich systematisch invorgegebenen Winkelschritten horizontal und vertikal ab (Abb. 9). Von der Bauformdes Scanners hängt es ab, welche Raumsegmente in einem Durchgang erfassbarsind (Kamera-, Panorama- oder Hybridscanner, siehe [25]). Gleichzeitig wird wiebeim reflektorlos messenden Tachymeter über das zurückkommende Signal dieDistanz nach dem Impulslaufzeit- oder Phasenvergleichsverfahren (Abschn. 3.3)zum Objektpunkt gemessen, so dass laufend 3D-Polarkoordinaten (zwei Winkelund eine Schrägstrecke) aufgezeichnet werden, die in entsprechende kartesische 3D-Koordinaten umgerechnet werden. Das Ergebnis ist pro Scan eine 3D-Punktwolke.

Laserscanner, die nach dem Phasenvergleichsverfahren arbeiten, ermöglichenScangeschwindigkeiten mit Messraten von mehr 1.000.000 Punkten pro Sekunde;allerdings ist die Reichweite limitiert auf etwa 180 m, was für die Bauaufnahmein der Regel jedoch ausreichend ist. Das Impulsmessverfahren erzielt Messratenvon bis zu ca. 200.000 Punkten pro Sekunde, dafür kann bis zu mehreren Kilome-tern weit gemessen werden. Die Standardabweichung der Einzelstreckenmessungbeträgt beim Laserscanner 2 bis 5 mm. Neben den geometrischen Messgrößenregistrieren viele Scanner die Intensität des reflektierten Messsignals.

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Abb. 9 TerrestrischesLaserscanning

Prinzipiell ist zu beachten, dass beim Laserscanning insbesondere hinsichtlichder Streckenmessung dieselben Probleme wie bei der reflektorlosen Distanzmes-sung mit einem Tachymeter auftreten können (Abschn. 3.3). Da im Gegensatz zurTachymetrie der Objektraum automatisch abgetastet wird, d. h. ohne Diskretisierungdes Messobjekts und manuelles Auslösen der Messung durch den Operateur,können spezielle Effekte in den Punktwolken auftreten. Dazu gehören insbe-sondere virtuelle Punkte, die durch Mehrfachreflexionen (z. B. an Boden, Wandoder Glasflächen), sich temporär im Objektraum befindliche Objekte (z. B. sichbewegende Personen) oder Strahldivergenz an Objektkanten entstehen können [25].Da beim Laserscanning jedoch viele Messpunkte in der unmittelbaren Umgebungerfasst werden, können derartige Ausreißer durch Analyse der Punktnachbarschafteliminiert werden.

Die Scannerstandorte werden prinzipiell frei gewählt, der Aufbau des Instrumen-tes über Festpunkte ist also nicht erforderlich. Auf jedem Standort entsteht in derRegel eine Punktwolke, die zunächst im lokalen, im Allgemeinfall nicht horizontier-ten Sensorkoordinatensystem koordiniert ist. Für die Weiterverarbeitung werden dieeinzelnen Punktwolken in ein gemeinsames Koordinatensystem überführt, was alsRegistrierung bezeichnet wird. Die Registrierung kann über hochreflektierende Ziel-marken (Reflexfolien, Passkugeln oder -zylinder), in den Punktwolken extrahierbareMerkmale wie Ecken, Kanten oder Ebenenstücke sowie über die Punktwolken

Bauaufnahme, Gebäudeerfassung und BIM 23

selbst (ICP-Algorithmen) erfolgen [5]. Mathematisch gesehen finden zwischen denPunktwolken räumliche Ähnlichkeitstransformationen anhand von gemeinsamenPasselementen statt. Die Laserscanner sind gewöhnlich mit der entsprechendenSoftware des Herstellers für die Registrierung ausgestattet, die sich in Handhabungund Automatisierungsgrad unterscheiden.

Die Informationen über Bauwerksgeometrie und -struktur befinden sich mittelbarin den 3D-Punktwolken. Bei der Auswertung der Punktwolken können – ähnlich wiebei der Tachymetrie – drei grundsätzliche Verfahren unterschieden werden:

– Direkt-Erfassung in Schnittebenen: Die Punktwolke wird hierbei mit zumeisthorizontalen oder vertikalen Ebenen, die in der Praxis mehr oder weniger breiteKorridore sind, zum Schnitt gebracht; in diesen Schnittkorridoren wird dasentsprechende Profil für den Operateur sichtbar. Der Profilverlauf kann dannmanuell oder (teil-)automatisch nachgezeichnet werden. Hierbei muss beachtetwerden, dass die gescannten Punkte streuen und auf der Objektoberfläche mehroder weniger willkürlich verteilt sind. Der Vorteil der Schnittebenenmethodebesteht darin, dass unmittelbar 2D-Standardzeichnungen wie Grundrisse undVertikalschnitte entstehen und das Verfahren sich durch Einfachheit auszeichnet.

– Konturbezogene Erfassung: Hierbei wird die Bauwerksstruktur aus den Punkt-wolken in Form von Ecken, Kanten und Ebenen erfasst. Das Ergebnis ist eindreidimensionales Drahtmodell. Da die Messpunkte des Scanners im Regelfallnie direkt auf den Ecken und Kanten liegen, müssen indirekte Auswerteme-thoden zum Einsatz kommen. Zum Beispiel ergibt sich eine Objektkante durchden Schnitt benachbarter Ebenen. Da bei diesen Prozeduren häufig über einegroße Anzahl an Messpunkten gemittelt wird, oft in Verbindung mit Filter-und Glättungsverfahren, kann die geometrische Genauigkeit der so abgeleitetenKonturelemente im Millimeterbereich, und somit für Bauaufnahmen sehr hoch,liegen.

– 3D-Modellierung: Für BIM hat diese Auswertemethode die größte Bedeutung,denn sie schafft die Voraussetzungen für die ganzheitliche Objektdarstellung mitBauteilbildung und Attributierung. Die geometrische Gestalt des Bauwerks wirdaus den Punktwolken in Form von Flächen, Quadern, Zylindern, Kegeln undanderen Primitiven modelliert, indem diese Elemente in die Punktwolke durchspezielle Fitting-Algorithmen eingepasst werden. Dieser Vorgang findet zumeisthalbautomatisch statt, d. h. die Punkte für den Fitting-Vorgang werden durch denOperateur manuell selektiert und anschließend von der Software automatischfür die Einpassung der Primitive verarbeitet (z. B. PHIDIAS), wobei auch dieObjektbildung für BIM von einigen Produkten unterstützt wird (z. B. Scalypso7).Die vollständige Automatisierung dieser Aufgabe ist Gegenstand der aktuellenForschung, sie gelingt zumindest in Teilbereichen aber heute schon. Die 3D-Modellierung aus Punktwolken besitzt überwiegend eine sehr hohe Genauigkeit,weil die Geometriebestimmung anhand von vielen Messpunkten erfolgt.

7http://www.scalypso.com [Recherche: 03/16]

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Laserscanner sind spezialisierte Messinstrumente mit extrem hohen Messra-ten. Neueste Entwicklungen gehen dahin, Tachymeterinstrumente zusätzlich mitScanfunktionen sowie integrierten Kameras für die Bildaufzeichnung auszurüsten(z. B. Leica Nova MS508 oder Trimble VX.9) Neben den klassischen Winkel- undStreckenmessungen können dadurch mit demselben Instrument auch einfache Scansdurchgeführt werden, dies ggf. in Verbindung mit Farbaufnahmen. Die Messrate imScanmodus beträgt allerdings zurzeit maximal 1.000 Hz, was die Einsatzmöglich-keiten dieser Technologie auf Ergänzungsmessungen beschränkt. Für die Zukunft istjedoch zu erwarten, dass die Messsensoriken für Tachymetrie, Photogrammetrie undLaserscanning – zum Vorteil für die Bauvermessung – in einem Universalinstrumentverschmelzen.

3.6 Laserscanning in Kombination mit Photogrammetrie

Die beiden Messverfahren Laserscanning und Photogrammetrie können sich sehrgut ergänzen und die jeweiligen Nachteile der anderen Methode kompensieren. DieSchwächen bei der Tiefenmessgenauigkeit, die der Photogrammetrie verfahrensbe-dingt innewohnen, besitzt das Laserscanning nicht. Umgekehrt haben die photo-grammetrischen Aufnahmen eine höhere Auflösung an der Objektoberfläche unddie Detailerkennbarkeit ist demzufolge deutlich höher als bei Laserscannerdaten.

Das Auswertesystem PHIDIAS macht sich diesen Sachverhalt zunutze undkombiniert die orientierten Aufnahmen mit den dreidimensionalen Punktwolkenfür die Geometrieerfassung (Abb. 10). Dabei werden die Punktwolken lagerich-tig und deckungsgleich über die orientierten Bilder dargestellt. Der Operateurbetrachtet also beide gleichzeitig und kann auch in beiden simultan messen.Im einfachsten Fall misst der Auswerter mit der Maus einen einzelnen, drei-dimensionalen Punkt: Die Lokalisierung erfolgt visuell vorwiegend anhand desBildes, die 3D-Koordinatenbestimmung findet dagegen in der Punktwolke statt(Monoplotting, [35]).

Zwischen den Messungen nur in der Punktwolke, nur in den Aufnahmensowie der Kombinationsmessung kann fortwährend gewechselt werden. Hierbeiwerden entweder die Standardzeichenfunktionen des CAD-Systems oder speziel-le Tools benutzt, wie beispielsweise die (semi-) automatische Bestimmung vonLeitungsrohren. Die Erfassung der Bauwerksgeometrie ist in Form von Draht-, Flächen- oder Volumenmodellen möglich. Das grafische Ergebnis wird durchSuperimposition über Bilder und Punktwolken eingeblendet, so dass der Auswerterlaufend Fortschritt und Richtigkeit der Auswertung kontrollieren kann.

8http://www.leica-geosystems.com/de/Leica-Nova-MS60_106652.htm [Recherche: 03/16]9http://www.trimble.com/3d-laser-scanning/vx.aspx [Recherche: 03/16]

Bauaufnahme, Gebäudeerfassung und BIM 25

Abb. 10 PHIDIAS – Kombinierte Auswertung von Bildaufnahmen und Punktwolken (Bildquel-le: PHOCAD GmbH)

3.7 Mobile Mapping Systeme

Im Gegensatz zur stationären Vermessung mit einem Tachymeter oder Laserscannervon einem Stativ aus können Aufnahmen auch von beweglichen Plattformen auserfolgen. Kinematisches Laserscanning wurde zuerst in Flugzeugen eingesetzt (Air-borne LiDAR) und mittlerweile auch in Landfahrzeugen. Die Aufnahmesensorender Mobile Mapping Systeme, meist Kameras und Laserscanner, werden durchweitere Sensoren ergänzt, die zur Positionsbestimmung nötig sind [30].

Die Geschwindigkeit der Datenerfassung ist im Vergleich zur stationären Auf-nahme um ein Vielfaches höher und insbesondere bei großflächigen Aufnahmenganzer Straßennetze oder Stadtmodelle effizienter.

3.7.1 SensorenDie meisten Mobile Mapping Systeme sind mit einem oder mehreren Laserscan-nern, sogenannten Profil- oder 2D-Scannern, ausgestattet. Da die Plattform mitdem Fahrzeug beweglich ist, muss der Laserstrahl nur noch um eine Achse rotiertwerden, um die gesamte Umgebung abzudecken. Liegt die Drehachse parallel zurFahrtrichtung, beschreibt der Laserstrahl eine spiralförmige Bahn. Bei konstanterDreh- und Pulsrate des Scanners bestimmt die Fahrgeschwindigkeit den Abstandder Profillinien bzw. die Dichte der resultierenden Punktwolke. Bei einer Drehratevon 100 Hz und einer Fahrgeschwindigkeit von 10 m/s (D36 km/h) beträgt der

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Abb. 11 Mobile Scanning System Riegl VMX-250 (Bildquelle: RIEGL Laser MeasurementSystems)

Abstand zwischen den Profilen beispielsweise 10 cm. Der Abstand der Punktein der Profillinie (also quer zur Fahrtrichtung) beträgt bei einer Messrate von500.000 Punkten pro Sekunde und einer durchschnittlichen Objektentfernung von10 m ca. 13 mm.

Für die Aufnahme von Gebäuden werden meist zwei Profilscanner eingesetzt,deren Drehachsen relativ zur Fahrtrichtung nach links und rechts um einen gewissenBetrag verdreht sind (Abb. 11). Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dassauch Flächen, die senkrecht zur Fahrtrichtung stehen, erfasst werden können.

Bei hohen Geschwindigkeiten im laufenden Verkehr reicht die Punktdichte desLaserscanners nicht aus, um kleine Details wie z. B. schmale Masten, Leitungen,Fassadendetails oder Fahrbahnschäden zu erfassen. Zur Steigerung der Detailauflö-sung setzt man in der Regel mehrere Digitalkameras ein, die je nach Einsatzbereichunterschiedliche Richtungen abdecken. Zur Erfassung des Straßenraums reichenjeweils eine Front- und Heckkamera aus, für die Aufnahme von Gebäudefassadenbenötigt man eventuell zusätzliche Kameras.

Voraussetzung für die Auswertung der Laserscannerdaten und Digitalfotos ist,dass zu jedem Zeitpunkt die Position und Rotation der Aufnahmeplattform bekanntist. Die Position kann mit GNSS je nach Sichtbarkeit der Satelliten auf wenigeZenti- oder Dezimeter bestimmt werden. Zur Bestimmung der Rotationen mit dererforderlichen Frequenz und Genauigkeit wird in der Regel ein Inertialmesssystemeingesetzt [30].

Bauaufnahme, Gebäudeerfassung und BIM 27

Zur Stützung der Navigation und Überbrückung von Satellitenempfangslückenaufgrund von Brücken, Tunneln oder hoher Bebauung können weitere Sensoreneingesetzt werden, wie z. B. ein Barometer zur indirekten Bestimmung des Höhen-unterschieds und Radsensoren (Odometer) zur Messung der Wegstrecke bzw. vonRichtungsänderungen.

3.7.2 PositionsbestimmungDie Daten der verschiedenen Sensoren mit unterschiedlichen Genauigkeiten undFrequenzen werden im Postprocessing ausgeglichen (Abb. 12). Eine sofortige Kor-rektur der Satellitensignale im RTK-Modus ist in der Regel nicht erforderlich.Die Qualität der ausgeglichenen Messdaten hängt von verschiedenen Faktorenwie der Satellitensichtbarkeit, der Qualität des Inertialmesssystems, der Verteilungzusätzlicher Passpunkte und dem Ausgleichungsverfahren ab. Die Genauigkeitbezogen auf das globale Koordinatensystem kann im günstigen Fall bei ca. 2 cmStandardabweichung liegen. Die relative Genauigkeit, mit der Fahrbahnunebenhei-ten oder Gebäudeverformungen bestimmt werden, kann sogar deutlich unter 1 cmliegen [18].

3.7.3 DatenauswertungEs wird zwar angestrebt, durch Kombination vieler verschiedener Sensoren die nö-tigen Daten möglichst lückenlos zu erfassen, eine vollständige Abdeckung ist abernicht immer erreichbar. Teile der Straßenoberfläche bleiben auch trotz mehrfacherBefahrung von Fahrzeugen verdeckt, Gebäude werden bei einer Aufnahme von derStraße aus nur teilweise erfasst und für die Auswertung von Dachflächen müssenLuftbilder hinzugezogen werden.

Der wesentliche Vorteil der Mobile Mapping Systeme ist die schnelle undeffiziente Erfassung von Messdaten großer Bereiche. Der entscheidende Schritt zumEndprodukt, das „Mapping“, erfolgt allerdings vorwiegend nicht mobil, sondern imPostprocessing zu einem großen Teil manuell (siehe Abschn. 3.6 und Abb. 13). DerAutomatisierungsgrad ist bei einfachen Endprodukten wie z. B. Orthophotos vonStraßenoberflächen zur Schadensanalyse sehr hoch. Auch für einfache Visualisie-rungszwecke kann ein Flächennetz der Gebäudefassaden weitgehend automatisiertaus der Punktwolke generiert und mit Fototextur belegt werden. Die detaillierteModellierung von komplexen Gebäuden – insbesondere für BIM-Anwendungen –ist dagegen nur begrenzt automatisierbar.

Abb. 12 Darstellung der eingefärbten Punktwolke und Trajektorie einer Aufnahme mit demMobile Scanning System Riegl VMX-250, Canal Grande, Venedig (Bildquelle: RIEGL LaserMeasurement Systems)

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Abb. 13 Auswertung mobil aufgenommener Scandaten und Fotos mit PHIDIAS (Bildquelle:PHOCAD GmbH)

4 Fazit

Mit den vorgestellten Verfahren zur Bauaufnahme stehen bewährte Methodenfür das Aufmaß, d. h. für die Geometrieerfassung von Bauwerken, sei es durchEinzelpunktverfahren (elektronisches Handaufmaß, Tachymetrie) oder flächenhafterfassende Sensoren (Photogrammetrie, Laserscanning), zur Verfügung. Der Trendin der Instrumentenentwicklung geht zu Multisensorsystemen, die verschiedeneMesstechnologien entweder in einem Instrument integrieren (z. B. Tachymeterin-strument mit Scanfunktion und integrierter Kamera) oder auf einer Plattform (z. B.Mobile-Mapping-Systeme) kombinieren.

Für die Bauwerksmodellierung, sei es für die Stadtmodellierung oder im Kontextvon BIM, werden jedoch neue Anforderungen an die Bauaufnahme gestellt. BIMwird sich mittelfristig in Deutschland etablieren und zum Standard im Bauwesenwerden. An die Bauaufnahme bzw. Bauvermessung, insbesondere hinsichtlichder Bestandsdokumentation (as-built), werden damit neue Anforderungen gestellt.Hatte die Vermessung in der Vergangenheit die Aufgabe, das Aufmaß von Be-standgebäuden oder Neubauten hauptsächlich in Form von Soll-Ist-Vergleichen,bemaßten 2D-Plänen oder als einfache digitale CAD-Planwerke (z. B. für CAFM)zu liefern, werden nun zunehmend dreidimensionale digitale Bauwerksmodellemit volumenkörperorientierter Objektmodellierung inklusive deren Semantik undBeziehungen sowie ggf. beschreibender Eigenschaften gefordert. Einige aktuelleAufmaß-Softwareprodukte unterstützen bereits in Ansätzen die Erzeugung vonBIM-Modellen, z. B. durch die Möglichkeit der Bauteilbildung oder vermehrt

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durch erweiterte Funktionalitäten bei der Erzeugung von Bauwerksmodellen ausPunktwolken. Dennoch verbleibt für die Ableitung semantischer Bauwerksmodelleein großes Optimierungs- und Automatisierungspotenzial bei der Vermessungbezogen auf den gesamten Workflow von der Datenaufnahme vor Ort, über dieDaten(nach)prozessierung bis hin zur Datenbereitstellung [31].

Bei den Einzelpunktverfahren stellt die Vermessung aufgrund der Modelldiskre-tisierung vor Ort einen maßgeblichen Zeitfaktor dar. Effizientere softwaregestützteAufmaßtechniken können hierbei helfen, den erforderlichen Messungsaufwand zuminieren und bereits vor Ort alle benötigten Informationen (z. B. Bauteilbildungmit Geometrie, Semantik und ggf. Sachdaten) zu erfassen. Bei den Massenda-tenverfahren liegt der Hauptaufwand in der Datennachbearbeitung, so dass dieHerausforderung darin besteht, den teilweise sehr hohen manuellen Datenbearbei-tungsaufwand durch intelligente Softwareprozesse (z. B. verbesserte geometrischeStrukturanalyse, Ableitung der Semantik) zu minimieren. Auch die angesprochenenmultisensoralen Erfassungssysteme in Kombination mit neuen Auswerteverfahren(z. B. SfM), können hier zu neuen Ansätzen hinsichtlich einer effizienten Bau-werksvermessung führen. Die überbestimmte und komplementäre Datenerfassungermöglicht dabei nicht nur eine verbesserte Geometriebestimmung und gegenseitigeStützung, sondern könnte auch neue Möglichkeiten zur teilautomatisierten Modell-bildung und Ableitung weiterer Informationen (z. B. die Semantik) für höherwertigedigitale Bauwerksmodelle erschaffen.

Literatur

1. Bay, H., Tuytelaars, T., Van Gool, L.: SURF: speeded up robust features. In: Proceedings ofthe 9th European Conference on Computer Vision. Springer, Berlin/New York (2006)

2. Becker, S.: Generation and application of rules for quality dependent facade reconstruction.ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 64, 640–653 (2009)

3. BMVI: Stufenplan Digitales Planen und Bauen. [online] https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Publikationen/DG/stufenplan-digitales-bauen.pdf [Recherche: 03/16]

4. Benning, W., Effkemann, C., Schwermann, R.: Erfassung von Straßenräumen durch Kombina-tion von Laserscanning und Photogrammetrie. In: Wunderlich, T. (Hrsg.) Ingenieurvermessung10. Beiträge zum 16. Internationalen Ingeniervermessungskurs, München. Wichmann-Verlag,Heidelberg (2010)

5. Besl, P.J., McKay, N.D.: A method for registration of 3-D shapes. IEEE Trans. Pattern Anal.Mach. Intell. 14(2), 239–256 (1992)

6. Bill, R., Bernard, L., Blankenbach, J.: Geoinformationssysteme. In: Kummer et al. (Hrsg.) Dasdeutsche Vermessungs- und Geoinformationswesen 2015. Wichmann-Verlag, Berlin (2014)

7. Blankenbach, J., Schwermann, R.: Photogrammetrische Deformationsvermessung von Hau-benschildrohren für den Rohrvortrieb. In: Wieser, A. (Hrsg.) Ingenieurvermessung 14. Beiträgezum 17. Internationalen Ingeniervermessungskurs, Zürich. Wichmann-Verlag, Berlin (2014)

8. BMVI: Reformkommission Bau von Großprojekten des Bundesministeriums für Verkehr unddigitale Infrastruktur (BMVI) (2015). [online] http://www.bmvi.de/DE/VerkehrUndMobilitaet/Verkehrspolitik/Grossprojekte/grossprojekte_node.html [Recherche: 03/16]

9. Brandenburger, W., Drauschke, M., Nguatem, W., Mayer, H.: Detektion von Fensterver-dachungen und Gesims in Fassadenbildern und Punktwolken. DGPF Tagungsband 22, 33.Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF, Freiburg (2013)

30 J. Blankenbach

10. Brechtken, R., Borchert, R., Przybilla, H.-J., Roderweiß, R.M.: Auswertung von Bilddatenaus UAV-Flügen – Von der klassischen Aerotriangulation zum Dense Image Matching.Terrestrisches Laserscanning 2012 (TLS 2012), Schriftenreihe des DVW, Bd. 69. WißnerVerlag, Augsburg (2012)

11. BuildingSMART: (2015) BuidlingsSMART international. [online] http://www.buildingsmart.org/ [Recherche: 03/16]

12. Clemen, C., Ehrich, R.: Geodesy goes BIM. Allgemeine Vermessungsnachrichten (avn)121(6), 231–237 (2014)

13. Cramer, M., Haala, N., Rothermel, M., Leinss, B., Fritsch, D.: UAV-gestützte Datenerfassungfür Anwendungen der Landesvermessung – das Hessigheim-Projekt. 33. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF, Freiburg, Bd. 22 (2013)

14. Donath, D.: Bauaufnahme und Planung im Bestand. Grundlagen – Verfahren – Darstellung –Beispiele. 1. Aufl., Vieweg u. Teubner, Wiesbaden (2009)

15. Egger, M., Hausknecht, K., Liebich, T., Przybylo, J.: BIM-Leitfaden für Deutschland –Informationen und Ratgeber. Forschungsendbericht im Forschungsprogramm ZukunftBAU desBMVBS. Bonn. Selbstverlag (2013)

16. Haala, N., Cramer, M.: Möglichkeiten und Grenzen der UAV-gestützten photogrammetrischen3D-Datenerfassung. In: Multi-Sensor-Systeme – Bewegte Zukunftsfelder, Schriftenreihe desDVW, Bd. 75. Wißner Verlag, Augsburg (2014)

17. Haala, N., Becker, S., Kada, M.: Cell decomposition for the generation of building mo-dels at multiple scales. In: IAPRS, Symposium Photogrammetric Computer Vision, Bonn,Bd. XXXVI, Part III, 19–24 (2006)

18. Haala, N., Peter, M., Kremer, J., Hunter, G.: Mobile LiDAR mapping for 3D point cloudcollection in urban areas – a performance test. Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spat.Inf. Sci. 37, 1119–1124 (2008)

19. Haala, N., Cramer, M., Weimer, F., Trittler, M.: Performance Test on UAV-based datacollection. In: Proceedings of the International Conference on Unmanned Aerial Vehicle inGeomatics (UAV-g), IAPRS, Zuerich, Bd. XXXVIII-1/C22, 7–12 (2011)

20. Hirschmüller, H.: Stereo processing by semiglobal matching and mutual information. IEEETrans. Pattern Anal. Mach. Intell. 30, 328–341 (2008)

21. HOAI: Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) (2013). [online] http://www.hoai.de/online/HOAI_2013/HOAI_2013.php [Recherche: 03/16]

22. Lowe, D.G.: Distinctive image features from scale-invariant keypoints. Int. J. Comput. Vis. 60,91–110 (2004)

23. Luhmann, T.: Nahbereichsphotogrammetrie – Grundlagen, Methoden und Anwendungen. 3.Aufl., Wichmann Verlag, Berlin (2010)

24. Mayer, H., Bartelsen, J., Hirschmüller, H., Kuhn, A.: Dense 3D reconstruction from widebaseline image sets. Outdoor and large-scale real-world scene analysis. In: 15th InternationalWorkshop on Theoretical Foundations of Computer Vision, Dagstuhl Castle. Lecture Notes inComputer Science, Bd. 7474, S. 285–304 (2012)

25. Möser, M., Hoffmeister, H., Müller, G., Staiger, R., Schlemmer, H., Wanninger, L.: HandbuchIngenieurgeodäsie – Grundlagen. 4. Aufl., Wichmann Verlag, Berlin (2012)

26. Naumann, M., Geist, M., Bill, R., Niemeyer, F., Grenzdörffer, G.: Accuracy Comparison ofDigital Surface Models Created by Unmanned Aerial Systems Imagery and Terrestrial LasersScanner. ISPRS XL–1/W2 (2013)

27. NBIM: BIM-Definition des National Building Information Model Standard Project Committee(NBIM) (2015). [online] https://www.nationalbimstandard.org/faqs#faq1 [Recherche: 03/16]

28. OGC: CityGML-Spezifikation des Open Geospatial Consortiums (OGC) (2015). [online]http://www.opengeospatial.org/standards/citygml [Recherche: 03/16]

29. Prince, S.J.D.: Computer Vision – Models, Learning and Inference. Cambridge UniversityPress, New York (2012)

30. Puente, I., González-Jorge, H., Martínez-Sánchez, J., Arias, P.: Review of mobile mapping andsurveying technologies. Measurement 46(7), 2127–2145 (2013)

Bauaufnahme, Gebäudeerfassung und BIM 31

31. Real Ehrlich, C., Blankenbach, J.: 3D-Innenraummodellierung – Von der Datenerfassung biszur Visualisierung auf Basis eines geometrisch-topologischen Datenmodells. Publikationen derDGPF, Bd. 20 (2011)

32. Remondino, F., Kersten, T.: Low-cost und open-source Lösungen für die automatisierteGenerierung von 3D-Punktwolken – ein kritscher Überblick. Terrestrisches Laserscanning2012 (TLS 2012), Schriftenreihe des DVW, Bd. 69, Wißner Verlag, Augsburg (2012)

33. Riegel, K.: Vergleich von Softwarelösungen für die optimierte Erstellung von BIM-Modellenauf Grundlage von 3D-Laserscanpunktwolken. In: allgemeine vermessungs-nachrichten (avn),122(8–9) (2015)

34. Rothermel, M., Wenzel, K., Fritsch, D., Haala, N.: SURE: Photogrammetric surface recon-struction from imagery. In: Proceedings LC3D Workshop, Berlin (2012)

35. Schwermann, R., Effkemann, C.: Kombiniertes monoplotting in laserscanner- und Bilddatenmit PHIDIAS. In: Luhmann (Hrsg.) Photogrammetrie und Laserscanning – Anwendung fürAs-Built-Dokumentation und Facility Management. Wichmann Verlag, Heidelberg (2002)

36. Süße, H., Rodner, E.: Bildverarbeitung und Objekterkennung – Computer Vision in Industrieund Medizin. Springer, Wiesbaden (2014)

37. Szeliski, R.: Computer Vision – Algorithms and Applications. Springer, London (2011)38. Wangerin, G.: Bauaufnahme: Grundlagen, Methoden, Darstellung, 2. Aufl. Vieweg, Wiesbaden

(1992)39. Wiedemann, A.: Handbuch Bauwerksvermessung – Geodäsie – Photogrammetrie – Laserscan-

ning, 1. Aufl. Birkhäuser Verlag, Basel (2004)40. Witte, B., Sparla, P.: Vermessungskunde und Grundlagen der Statistik für das Bauwesen, 7.

Aufl., Wichmann Verlag, Berlin (2011)41. BMVI (2015): Stufenplan Digitales Planen und Bauen - Einführung moderner, IT-

gestützter Prozesse und Technologie bei Planung, Bau und Betrieb von Bauwerken.[online] https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Publikationen/DG/stufenplan-digitales-bauen.pdf?__blob=publicationFile. [Recherche: 03/16]