Punktwolke - die Wolke der Zukunft

Was ist eine Punktwolke?

Generell gesagt ist eine Punktwolke (eng. „point cloud“) eine Menge von Punkten in einem Vektorraum. Diese besitzt eine unorganisierte räumliche Struktur, daher auch der Vergleich mit einer „Wolke“. Eine Punktwolke ist durch die enthaltenen Punkte beschrieben, die jeweils durch ihre Raumkoordinaten erfasst sind. Jeder einzelne Punkt hat seine eigenen X,Y und Z Koordinaten. Zu den Punkten können zusätzlich Attribute, wie z. B. geometrische Normalen, Farbwerte, Aufnahmezeitpunkt oder Messgenauigkeit, erfasst sein. Deswegen enthalten Punktwolken unglaublich viele Informationen. Die Auswertung erfolgt über die digitale Zwillings Software.

Eine Punktwolke lässt sich auch mit einem Vergleich einfach erklären. Ein Laserpointer, heute vorrangig für Präsentationen benutzt, symbolisiert das Grundprinzip in einfacherer Form. Mit einem Laserpointer lässt sich nämlich in einer geraden Linie, d.h. mit einem geraden Strahl, ein exakter Punkt anstrahlen. Wenn der Betrachter weiß, wo genau im Raum sich der Laserpointer befindet, weiß er auch genau, wo der Punkt liegt, der angestrahlt wird. So wird es möglich, die exakte Position des Punktes im Raum in Relation zum Ursprung (dem Laserpointer) zu berechnen. Daraus entsteht das 3D Modell aus der Punktwolke.

Bei der Punktwolke werden nach diesem Prinzip (nur ein wenig komplexer) geodätische Punkte im Vermessungswesen gemessen. Anstelle eines Laserpointers werden dafür spezielle Tachymeter oder Laserscanner eingesetzt, die ähnlich wie ein Laserpointer arbeiten. Die Millionen von Punkte, die gleichzeitig gemessen werden, ergeben zusammen eine Punktwolke.

Wie erstellt wird eine Punktwolke erstellt?

Für die Erstellung von Punktwolken existieren verschiedene Möglichkeiten. Die am häufigsten verwendete Variante ist das Laserscanning. Dabei werden mit Hilfe eines Laserstrahls und dessen Reflexion 3D-Messpunkte auf Oberflächen erstellt. Laserscanner erreichen Aufnahmegeschwindigkeiten von bis zu 2 Millionen Punkten pro Sekunde. Im Bereich der Laserscanner wird zwischen terrestrischem und mobilem Scanning unterschieden.

Bei dem terrestrischen Scanning bleibt das Messgerät in seiner Lage unverändert und erstellt aus seinem Standpunkt ein 360°-Abbild der Umgebung. Um diese Umgebung in seiner Gesamtheit abbilden zu können, werden mehrere Standpunkte benötigt, welche miteinander verknüpft werden. Dieser Prozess ist die Registrierung der Scandaten.

Das mobile Scanning basiert ebenfalls auf der Messung durch einen Laserstrahl. Allerdings wird die Messung in der Bewegung durchgeführt, beispielsweise beim Gehen oder Fahren. Die Positionsänderungen werden mit hochpräzisen Sensoren und einem geeigneten Verarbeitungsalgorithmus zu einer Punktwolke zusammengeführt. Es gibt weitere Methoden, in etwa der 3D Scanner fürs Haus oder der 3D Scanner für die Baustelle.

Zur Erstellung von Punktwolken ist auch das photogrammetrische Verfahren (von Voxelgrid für die Außenerfassung genutzt) sehr beliebt. Durch die Aufnahme von vielen Kamerabildern pro Sekunde und dessen Verarbeitung können ebenfalls präzise und großvolumige Punktwolken extrahiert werden. Dieses Verfahren wird hauptsächlich sowohl für Drohnenbefliegungen (großvolumige Messungen) als auch für Handscanner (kleinvolumige Messungen) verwendet.
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Wozu werden Punktwolken verwendet?

Heutzutage werden überall dort, wo Objekte genau erfasst und digitalisiert werden,  Punktwolken genutzt. Je nach Anwendungsgebiet werden dabei verschiedene Laserscanner verwendet, die verschiedene Genauigkeiten und Größen produzieren. Ein Gebiet ist beispielsweise die Autoindustrie. Bei der Konstruktion und Optimierung von verschiedenen Teilen werden meistens hochauflösende Handscanner eingesetzt, die selbst kleinste Details und Abweichungen erfassen. So lässt sich am PC ein digitaler Zwilling (als 3D Scan/CAD Modell) erstellen. Mit Hilfe des Zwillings können dann neue Prototypen erstellt und Verbesserungen digital simuliert und getestet werden. Generell gesagt sind Punktwolken immer dann interessant für Unternehmen, wenn es darum geht ein 3D Abbild von Gegenständen, Räumen oder Landschaften zu erstellen.  Nach der Erfassung können diese mit CAD oder BIM Software bearbeitet und
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Vorteile von Punktwolken

Zentrale Vorteile der Punktwolken sind sowohl die große Ersparnis an Zeit und Kosten, als auch die Minimierung von Fehlern bei der Aufnahme der jeweiligen Umgebung. Nicht nur ist das Punktwolkeverfahren deutlich kürzer und unbeschwerlicher als die herkömmlichen Methoden, es können auch gewisse Situationen vermieden werden. Wurde z.B. ein Raum, ein Objekt oder eine sonstige Umgebung bei der initialen Erfassung übersehen, muss vor Ort nochmals gemessen und dokumentiert werden. Dies Kostet Zeit und Ressourcen. Bei der Erstellung von Punktwolken hingegen wird die komplette Umgebung einmalig aufgenommen und ist ab dem Moment schon digital verfügbar.

„Es ist immer eine Herausforderung, alle benötigten Informationen für ein Projekt zusammenzutragen. Vor Ort will man so viel wie möglich messen, um zurück am Schreibtisch nur ja alle erforderlichen Informationen zu haben, aber natürlich kann man nur mit den Möglichkeiten arbeiten, welche die verwendete Technologie bietet… Aber aufgrund der aktuellen Entwicklungen auf dem 3D-Laserscanning-Markt haben wir uns für diese Investition entschieden…. und [wir] haben keine Sorge mehr, dass wir vor Ort zu wenige Punkte erfassen. Ich kann nun andere, weit komplexere Aufträge übernehmen als je zuvor und alle Anforderungen meiner Kunden erfüllen“    – Pascal Groothedde,       Eigentümer des niederländischen Baudienstleisters „Groothedde“

Es muss bedacht werden, dass in Zukunft immer häufiger Technologien gefragt sein werden, mit denen die Erde geschont werden kann, ob durch die Minimierung des Ressourcenverbrauchs oder der Emission von Treibhausgasen. Das wird zweifellos dazu führen, dass das Punktwolkenverfahren schon in den nächsten Jahren weitere Bereiche erobern werden.
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