Extraktion von Strukturelementen aus Laser-Scanner-Daten

Das Laserscanning wird gegenwärtig von den Geräteherstellern sehr forciert; das trifft sowohl für das flugzeuggetragene airborne Laserscanning (ALS) als auch für das terrestrische Laserscanning (TLS) zu. Die Forschung und Entwicklung zur Auswertung der Laserscannerdaten hängt dagegen etwas nach. Das Forschungsdefizit ist beim TLS besonders groß. Mit diesem Antrag soll ein substantieller Beitrag zu diesem Thema - sowohl für das ALS als auch für das TLS - geleistet werden. Ein großer Sprung zur Qualitätssteigerung der Auswerteergebnisse kann erzielt werden, wenn sogenannte Strukturelemente aus Laserscannerdaten automatisch extrahiert werden könnten. Die gesuchten Methoden müssen - wegen des hohen Qualitätsniveaus - auf den Originaldaten aufgesetzt und für den 3D-Raum ausgelegt sein. Im Rahmen des beantragten Projektes sollen folgende Themen behandelt werden: +) Extraktion von Strukturelementen, insbesondere von Geländekanten in 3D-Punkt-Wolken, und Modellierung des Geländes aus den ursprünglichen ALS-Daten gemeinsam mit den extrahierten Strukturelementen. +) Rigorose Ausgleichung der ALS-Streifen, insbesondere unter Einbeziehung der extrahierten Strukturelemente in den Überlappungsbereichen der Laserscanner-Streifen. +) Simultane Einpassung frei stationierter TLS-Standpunkte in ein übergeordnetes (Gebäude)Koordinatensystem. +) Modellierung von Gebäuden aus den ursprünglichen TLS-Daten gemeinsam mit den extrahierten Strukturelementen als CAD-Modelle. Die Geländemodelle, die mit den neuen Methoden aus ALS-Daten abgeleitet werden könnten, hätten einerseits eine ausgezeichnete geomorphologische Qualität und würden andererseits die hohen Ansprüche der Hydrologen bei Überschwemmungs-Simulationen erfüllen. Die Dämme, die mittels Geländekanten zu modellieren sind, sind bekanntlich die Überschwemmungshemmer. Die CAD-Modelle, die mit den neuen Methoden aus TLS-Daten abgeleitet werden könnten, wären unter anderem eine gute Basis für das immer mehr aufkommende Computer Aided Facility Management, und zwar sowohl für die kunsthistorisch wertvolle alte Bausubstanz als auch für komplexe Neubauten.

Das Laserscanning hat die topographische Geländeaufnahme als auch die kleinräumige Objekterfassung in den letzten Jahren revolutioniert. Diese Entwicklung wurde vor allem durch Innovationen der Systemhersteller und - anbieter hervorgerufen, die Aufnahmesysteme für eine sehr dichte und weitgehend automatisierte Datenerfassung zur Verfügung stellen. Im Gegensatz dazu hinken die Forschung und die verfügbaren Methoden zur Verarbeitung der Daten hinterher. Aus diesem Grund widmete sich dieses Forschungsprojekt der Entwicklung geeigneter Methoden, die es ermöglichen die erfasste Information für Folgeanwendungen in entsprechender Form zur Verfügung zu stellen. Mit Hilfe von so genannten Strukturelementen kann eine entscheidende Qualitätssteigerung der aus den aus Laser- Scanner-Daten erstellten Modellen erreicht werden. Daher wurde der Extraktion dieser Strukturelemente (vor allem der Geländekanten) aus 3D Punktwolken, wie sie das Laserscanning liefert, ein besonderer Stellenwert im Rahmen dieses Forschungsprojektes zugeordnet. Zur Lösung dieser Aufgabe wurde ein Konzept entwickelt, dass die Formulierung von 3D Kanten auf Basis von umgebenden Punktwolken ermöglicht. Für den praktischen Einsatz ist eine hohe Automatisierung des Modellierungsprozesses gefragt. Aufgrund der geforderten Qualität der Kanten ist es notwendig, dass die Methoden auf den originalen unregelmäßig verteilten Punkten operieren und für die Anwendung im dreidimensionalen Raum ausgelegt sind. Neben diesem Hauptthema des Forschungsprojektes bildeten die Bereiche Ausgleichung von Laser-Scanner-Daten, Datenqualität, automatische Merkmalsextraktion, Oberflächenmodellierung unter Berücksichtigung von Strukturinformation und Datenreduktion weitere Themenschwerpunkte. Mit Hilfe der im Rahmen dieses Projektes entwickelten Methoden ist es möglich hochqualitative Oberflächen- bzw. Geländemodelle zu erstellen, die den Anforderungen der Hydrologen für Überflutungssimulationen genügen. Besonders Dämme, denen bei Überflutungsmodellen eine entscheidende Rolle zukommt, können entsprechend in die Modellierung integriert werden. Im Bereich der kleinräumigen Objekterfassung ermöglichen die Methoden zur Extraktion der Strukturelemente die Erstellung von CAD-Modellen auf Basis der Laser-Scanner-Daten, die als Grundlage für die immer wichtiger werdenden Anlagenmanagementsysteme dienen können.