Bachelorarbeit Marcus Schink


Projekt St. Nikolauskirche

Algorithmische Aufbereitung von TLS-Punktwolken zur 3D-Lasergravur in Glas

Projekteinschätzung

Die Abschlussarbeit eines technischen Studiengangs bietet die Möglichkeit, sich mit Thematiken zu beschäftigen, welche weit über die Grenzen des Studieninhalts hinausreichen und diese unter wissenschaftlichen Aspekten zu untersuchen. Als Bachelor of Science der Geoinformatik und Vermessung bietet es sich zudem an, eine Kombination aus vermessungs- und informationstechnischen Aspekten zu bearbeiten.
Die Entwicklung einer Software mit speziellen Rechenalgorithmen erfüllt somit ebenso diese Zielsetzung, wie die Laserscanaufnahme eines Bauwerks, welches als Wahrzeichen einer Stadt zu bezeichnen ist.
Auf diese Weise wurden durch die Glas-Innengravur der St. Nikolauskirche fließende Übergänge zwischen alltäglichen Ingenieursarbeiten, Informatik und Kunst geschaffen.

Anforderungen

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Software, welche eine Konvertierung beliebiger 3D-Punktwolken zur anschließenden Glas-Innengravur ermöglicht, sodass die erzeugte Ausgabedatei auf das Lasergravursystem übertragen werden kann.
Zusätzlich spielte es eine große Rolle, alle wichtigen Details des Aufnahmeobjekts beizubehalten und in den Glaskörper zu übertragen und dennoch überschüssige Punkte zu entfernen, um den geforderten Mindestabstand innerhalb der Punktwolke einzuhalten.

Die Aufnahme

Mittels terrestrischen Laserscan (TLS) wurden über 30 Standpunkte und mehr als 80 Teilscans ein dreidimensionales Abbild der St. Nikolauskirche angefertigt. Mit einem mittleren Punktabstand von 0,03m wurden rund 10 Millionen Punkte erfasst.
Anschließend konnte im Innendienst, durch Zusammenfügen der einzelnen Teilscans, ein 1:1 Abbild der Kirche erzeugt werden. Da durch enge Seitengassen und den daraus resultierenden steilen Visuren, einige Bereiche nicht komplett erfasst werden konnten, wurde zur weiteren Modellierung und Vervollständigung des Messobjekts auf eine 3D-Bearbeitungssoftware zurückgegriffen.

Softwareentwicklung

Durch herkömmliche Konvertierungsmethoden werden die Punkte einer 3D-Aufnahme  auf ein gleichmäßiges Raster gelegt, um den vorgegebenen Punktabstand einzuhalten. Das Erscheinungsbild des Objektes wird durch diese Methode stark beeinträchtigt, da Kanten unscharf dargestellt werden und somit viele Details verloren gehen.
Bei den Brückenhäusern zu Bad Kreuznach sollten möglichst viele Punkte erhalten bleiben, um eine bestmögliche Detaildichte zu erzielen. Überlappungsbereiche einzelner Teilscans blieben hierbei jedoch unbeachtet. Daher lag bei der Softwareentwicklung die höchste Priorität in der Entwicklung eines Algorithmus zur Bereinigung dieser Bereiche. Mit Hilfe der entstandenen Software ist es nun möglich, eine beliebige TLS-Punktwolke unter Beachtung des geforderten Minimalabstandes und des gewählten Glasformates zu konvertieren und zu homogenisieren. Ebenso wird durch die Betonung von Kanten eine höhere Schärfe und Detaildichte erzielt. Die Seitenansicht wirkt natürlicher, da eine unregelmäßigere Verteilung der Punkte erfolgt. Als Ergebnis liegen Punktwolken vor, welche zu realitätsnahen Innengravuren verarbeitet werden können.

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Vermessung und Geoinformation