Volumenberechnung mit dem 3D Image Vector 1


Die Volumenberechnung von Erdmassen, also die Volumen von von Aushaub oder Aufschüttung, sind eine wichtige Größe im Bauwesen. Gerade für die Abrechnung von Leistungen sind eine schnelle Bestimmung von Volumenwerten unerlässlich. Um den Baufortschritt nicht unnötig aufzuhalten sollte die Bestimmung der Volumenwerte möglichst so geschehen, dass die Baumaßnahmen so wenig wie möglich beeinträchtigt werden. Zusätzlich bieten sich berührungslose Messverfahren für diese Aufgabe an, da ein Betreten des Aushubs bzw. der Baugrube nicht immer ohne weiteres möglich ist. Um die Volumen möglichst genau bestimmen zu können sind zudem Verfahren angezeigt, die die Oberfläche der zu vermessenden Körper möglichst gut aufnehmen, also flächenhaft und nicht punktbasiert arbeiten. In erster Linie kommen hierfür Laserscanner oder photogrammetrische Verfahren in betracht. Laserscanner haben hierbei den Nachteil teuer und unflexibel zu sein, dafür eine sehr hohe Genauigkeit zu liefern. Die photogrammetrischen Verfahren haben den Vorteil flexibel zu sein jedoch wird Referenzinformation benötigt, um metrische Resultate zu erhalten.

In diesem Beitrag wollen wir einen Lösungsvorschlag vorstellen, der die Möglichkeiten der modernen terrestrischen Photogrammetrie nutzt. Durch die Kombination einer Standard Kamera mit dem 3D Image Vector der österreichischen Firma REDcatch ist es hierbei möglich die Referenzinformation in Form der äußeren Orientierung direkt zu jeder Aufnahme zu erfassen. In Kombination mit modernen Auswerteverfahren konnte so ein Workflow entwickelt werden mit dem Volumen innerhalb kürzester Zeit mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Die Volumenberechnung wird hierbei in 4 Teilschritte unterteilt:

  1. Erweitern einer Standard Kamera um den GNSS/IMU 3D Image Vector Aufsatz
  2. Erstellen von Bildern des Interessensobjektes aus verschiedenen Blickwinkeln
  3. Prozessieren der Bilder zu Punktwolken
  4. Volumenberechnung aus Punktwolke oder abgeleitetem 3D Modell
Workflow_vertikal

4 Arbeitsschritte zur Volumenberechnung

Erweitern einer Standard Kamera um den GNSS/IMU 3D Image Vector Aufsatz

Der bewusst sehr kompakt gehaltene 3D Image Vector besteht aus der Sensoreinheit,

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3D Image Vector

die einfach auf den Blitzschuh der Kamera gesteckt wird und einem Datenlogger der zusätzlich die notwendige Energie liefert.

Die Sensorik des 3D Image Vectors beinhaltet neben der GNSS-Antenne (modellabhängig L1 oder L1/L2), Neigungs- und Beschleunigungssensoren in allen 3 Achsen, einen Gyro (Kreiselkompass) und einen Kompasssensor. Über diese Sensoren und einen Fusion Algorithmus wird die Kameraposition und die Orientierung in allen 3 Achsen berechnet. So wird mit Hilfe des 3D Image Vectors aus einer Kamera ein vollwertiges Vermessungswerkzeug link_symbol_small.

Erstellen von Bildern des Interessensobjektes aus verschiedenen Blickwinkeln

Voraussetzung für eine spätere photogrammetrische Auswertung ist es, dass jeder Objektpunkt in mindestens 2 Bildern zu sehen ist. Um das zu erreichen, werden Bilder des Interessensobjektes mit möglichst großer Überlappung aufgenommen. Wichtig ist es hierbei nicht einfach die Kamera zu schwenken, sondern den Aufnahmestandpunkt bewusst zu verändern. Wird eine Kamera mit Zoom Objektiv verwendet, darf während der Bildaufnahme die Brennweite nicht verändert werden, es empfiehlt sich also entweder mit der kleinsten oder größten Brennweite zu fotografieren. Für die spätere Berechnung des Volumens ist es zudem entscheidend das Objekt, d.h. die Aufschüttung oder die Baugrube, nicht nur von der Seite aufzunehmen sondern darauf zu achten auch Oberseite bzw. den Boden komplett abzubilden. Hierfür bietet es sich an die Kamera auf einem Lotstab zu montieren, um aus erhobener Perspektive einen gute Blick auf die Oberseite zu erhalten.

Originalbilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln

Originalbilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln

Punktwolke mit Aufnahmestandpunkten

Punktwolke mit Aufnahmestandpunkten

 

Prozessieren der Bilder zu Punktwolken

Für die Prozessierung der Aufnahmen zu einer Punktwolke gibt es inzwischen eine ganze Reihe an verfügbaren Lösungen. Man hat hier die Wahl die Prozessierung selbst, also lokal (z.B. mit Agisoft Photoscan), durchzuführen oder einen Cloud Anbieter (z.B. Redcatch Cloud oder Hexagon GeoApp.UAS) mit der Aufgabe zu betreuen. Die Entscheidung hierfür hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab: Der eigenen Fachkenntnis, der Größe des Projektes und der Zahl der zu bearbeitenden Projekte. Im Vergleich zu Lösungen aus der „klassischen“ Photogrammetrie haben sich die aktuellen Auswerteansätze dahingehend weiter entwickelt, dass fast beliebige Aufnahmekonfigurationen gemeinsam ausgewertet werden können (Structure from Motion). Auch verfügen die modernen Ansätze über Möglichkeiten die verwendete Kamera direkt zu kalibrieren, eine aufwendige Laborkalibrierung ist also nicht mehr notwendig. Als Ergebnis der Auswertung erhält man eine Punktwolke, das heißt das Interessensobjekt wird durch einzelne 3D Punkte dargestellt. Jeder einzelne Punkt besitzt hierbei korrekte absolute Koordinaten, so dass aus der Punktwolke beliebige Maße abgegriffen werden können.

Punktwolke eines Sandhügels

Punktwolke eines Sandhügels

Volumenberechnung aus Punktwolke oder abgeleitetem 3D Modell

Die aus dem vorhergehenden Arbeitsschritt generierte Punktwolke dient im Weiteren als Grundlage für die Berechnung des Volumens. Es bieten sich hierbei zwei Lösungswege für die Ableitung der gesuchten Volumen an. Entweder wurde das „Urgelände“, also das Gelände vor der Aufschüttung oder dem Aushub, in einer Nullmessung bestimmt oder das „Urgelände“ muss durch editieren der Punktwolke rekonstruiert werden. In beiden Fällen kann dann durch den Differenzbildung der beiden Datensätze das gesuchte Volumen bestimmt werden. In der Regel wird man hierfür zunächst aus der Punktwolke ein 3D Modell erzeugen. Die eigentliche Berechnung erfolgt dann in einem 3D Tool oder CAD System.

Aus 3D Modell abgeleitetes Volumen

Aus 3D Modell abgeleitetes Volumen

Fazit

Der vorgestellt Ansatz zur Volumenberechnung bzw. Massenbestimmung setzt auf ein modernes terrestrisches photogrammetrisches Verfahren. Die Orientierungswerte werden dabei direkt mit Hilfe des 3D Image Vectors zu jedem Bild aufgezeichnet. Die eigentliche Vermessung des Interessensobjekts erfolgt berührungslos und kann innerhalb kürzester Zeit vor Ort erfolgen. Für die Auswertung werden moderne photogrammetrische Ansätze nach dem Prinzip Structure from Motion (SfM) verwendet, die fast beliebige Aufnahmekonfigurationen erlauben. Die eigentliche Volumenberechnung erfolgt aus Differenzbildung zwischen „Urgelände“ und den Ergebnissen der photogrammetrischen Vermessung.

Für Fragen rund um den 3D Image Vector link_symbol_small stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

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Ein Gedanke zu “Volumenberechnung mit dem 3D Image Vector

  • Peter Gamer

    Ich arbeite im sächsischen Umweltministerium und befasse mich u.a. mit der Überwachung von Abfallanlagen. Dabei spielt immer wieder die Abschätzung der Volumen von frei gelagerten Abfällen eine große Rolle. Bislang erfolgte dies entweder durch Abschreiten der Ablagerungen oder Lasermessung der Längsausdehnung mit Abmessung/Abschätzung der Höhe und dann Berechnung des Volumens über die Formel z.B. für Kegel oder Pyramiden. Diese Methode ist bekanntermaßen ungenau. Die von Ihnen vorgestellte erlaubt dagegen offenbar eine deutlich genauere Volumenbestimmung. Deshalb hätte ich hierzu weiteren Informationsbedarf wie z.B.
    – Qualitätsanforderungen an die Kamera bzw. für welche Kamers sind geeignet
    – Kosten für den 3D Image Vector
    – Grenzen des Systems bzw. Messmethode
    Mit freundlichen Grüßen

    Peter Gamer
    Regierungsdirektor