Forschung heißt: Innovative Messverfahren sind keine Vision

Das Vermessungsbüro Pilhatsch hat sich schon immer auf innovative Messverfahren spezialisiert, um den wachsenden Anforderungen der Bau- und Immobilienbranche gerecht zu werden. Innovativ zu sein heißt für uns: aktiv neue Produkte und Messverfahren zu entwickeln. Deshalb arbeitet in unserer unternehmenseigenen Forschungs- und Entwicklungsabteilung ein Team von Ingenieuren ständig an neuen Konzepten. Wir wollen auch in Zukunft die Planungsprozesse noch effektiver gestalten.

Als Vermessungsingenieure möchten wir einen Beitrag zum Leben und Wohnen in den Städten der Zukunft leisten. Wo wir Themen sehen, die uns und die Branche weiterbringen, nehmen wir die Herausforderungen an. Ob VIS – das virtuelle, immersive Stadtplanungsmodell – oder der virtuelle Bauantrag, wir gestalten die Zukunft mit. Deshalb nehmen wir außerdem auch an Innovationstagen und -kongressen teil und pflegen intensive Partnerschaften zu anderen Kooperationspartnern.

VIS – das virtuelle, immersive Stadtplanungsmodell

Mehr als 50% aller Menschen leben in Städten. Es wird zusätzlicher Stadtraum für ca. zwei Mrd. Menschen erforderlich, die bis zum Jahr 2030 komplett von den Städten aufgenommen werden müssen. Bauen im Bestand wird zum zentralen Thema der Zukunft. In diesem Zusammenhang ergeben sich vier Hauptaufgabenfelder: 1. Revitalisierung und Umnutzung, 2. Baulückenerschließung, 3. Quartiersentwicklung und 4. Denkmalschutz.

Für eine effiziente Planung ist daher eine exakte und vollständige Bestandserfassung erforderlich. Nur so kann der Bestand bewertet und in zukünftige Planungsvorhaben eingebunden werden. Wir haben daher ein neues Verfahren entwickelt, das eine physikalisch und geometrisch evidente sowie virtuell immersive Stadtplanung im Maßstab 1:1 in Echtzeit erlaubt. Dadurch ermöglichen wir dem Betrachter, in eine virtuelle Umgebung einzutauchen und die Planung so „live“ zu erleben. Mit der Entwicklung des virtuell immersiven Stadtplanungsmodells kann die Planung eines Bauvorhabens erheblich beschleunigt werden. Neben dem Einsatz als Architekturplanungsinstrument ergeben sich zusätzliche Anwendungsbereiche wie z.B. Hochwassersimulationen.

Der virtuelle Bauantrag

Der virtuelle Bauantrag ist eines der Hauptprodukte unseres Forschungsprojektes. Er steht für Transparenz und Verständlichkeit und dient Fachingenieuren als Planungsgrundlage. Außerdem enthält der virtuelle Bauantrag alle für eine erfolgreiche Projektumsetzung notwendigen baurechtlichen Unterlagen. Präzise 3D-Laserscandaten der Bestandsaufnahme (innen und außen) dienen als Grundlage der 3D-Modellierung. Sämtliche 3D-Modelle sind georeferenziert und können somit mit 3D-Modellen der Planung verschnitten werden. Da der digitale Transport des virtuellen Bauantrages oft auch von den jeweiligen Möglichkeiten abhängt, haben wir drei Visualisierungswege entwickelt.

1. Das High-End-Rendering schöpft die vollen Möglichkeiten einer virtuellen Welt aus und berücksichtigt u.a. unterschiedliche Lichtszenarien, Schatteneinflüsse und fotorealistische Texturen. So erhält man eine emotionale Präsentation des Planvorhabens.
2. Damit Planung erlebbar wird, geben wir dem Betrachter außerdem die Möglichkeit, sich in Echtzeit durch das Projekt zu bewegen (Virtual Reality, 3D-Brille, Powerwall).
3. Alternativ zu diesen Varianten haben wir in Kooperation mit unseren Projektpartnern eine Viewerlösung entwickelt, die auf jedem Computer bereitgestellt werden kann. In diesem Viewer wird das Planungsvorhaben genauso wie der Bestand in 3D visualisiert und texturiert. Weitere Metadaten wie beispielsweise 2D-Planunterlagen oder andere rechtliche Dokumente können per Knopfdruck aufgerufen werden.

Die Schwerpunkte des virtuellen Bauantrages, auf die sich die Forschung der Pilhatsch Vermessungsingenieure konzentriert:

• Einhaltung der Vorgaben im Planungsrecht
• Einhaltung von Grenzabständen (BauO NRW)
• Visualisierung von Bauvorhaben mit Nachbarbezug und planungsrechtlichen Vorgaben (B-Plan)
• Visualisierung eventueller Beeinträchtigungen von Nachbarrechten (Gebot der Rücksichtnahme)

Kooperationen

Wir wissen, dass Teamwork immer erfolgreicher ist. Deshalb sind Kooperationen für uns sehr wichtig. Wir forschen im Bereich der flächendeckenden, vollständigen 3D-Bestandsdatenerfassung und 3D-Auswertung. Hierbei liegt unser Schwerpunkt in der transparenten und verständlichen Darstellung, sowie in der Anwendung innovativer Messmethoden, um den gesamten Planungsprozess effizienter zu gestalten. Dies beinhaltet die Integration von 3D-Bestandsdaten in zukünftige BIM Prozesse als auch die Entwicklung von teilautomatisierten Auswertealgorithmen. Zusätzlich haben wir den Anspruch unsere Leistungen im Bereich der 3D-Auswertungen erlebbar zu machen. Somit kommt dem Bereich der Visualisierung ebenfalls eine zentrale Rolle zu.

In verschiedenen Projekten haben wir gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern erfolgreich zusammengearbeitet. Weil sich jeder auf seinen Bereich konzentriert hat, ohne den Part der Partner aus dem Auge zu verlieren. Wie eine zukunftsweisende Zusammenarbeit aussehen kann, wird hier am Beispiel des ZIM-Projektes beschrieben. Kooperationspartner waren hier das Architekturbüro HHVision und die FH-Köln.

Die Hauptaufgabe unseres Vermessungsbüros bestand in der 3D-Datenerfassung des Bestandes auf Grundlage von 3D-Laserscanning. Im Rahmen der Datenerfassung wurden verschiedene Faktoren untersucht. Hierbei wurde der Schwerpunkt vor allem auf die Wirtschaftlichkeit und Genauigkeit gelegt. Neben dem 3D-Laserscanning wurden weitere unterschiedliche Messsensoren verwendet und zu einem zusammengeführten 3D-Aufnahmesystem kombiniert. Ein weiterer wichtiger Bestandteil bestand in der Homogenisierung vorhandener Bestandsdaten in unterschiedlichen Formaten und Koordinatensystemen:

• Untersuchung von verschiedenen Messkonzepten, Optimierung der Standpunktanzahl, Messkampagnenplanung
• Untersuchung verschiedener Registrierungsalgorithmen (damit ist das Zusammenführen aller Einzelscans zu einer homogenen 3D-Punktwolke gemeint)
• Texture Mapping durch HDR Panoramen-Fotos, hier wurden verschiedene Aspekt im Bereich der Einfärbung der Punktwolke untersucht
• Entwicklung von Algorithmen zur Segmentierung von Punktwolken
• Genauigkeitsprüfung der 3D-Laserscandaten und ableitbarer Geometrien aus Punktwolken
• Verknüpfung der Laserscandaten mit den vorhandenen Bestandsdaten
• Untersuchung der Möglichkeiten der Erfassung großer Flächen durch terrestrisches Laserscanning

Die Hauptaufgabe von HHVision bestand in der Darstellung – mit realitätsnaher Anmutung und Ausstrahlung. Auf der technischen Seite ist die 3D-Modellierung nichts Neues. Ebenso verhält sich mit den Architekturmodellen der Planung. Eines der Ziele im Rahmen des ZIM-Projektes war die Zusammenführung beider Bereiche. Wir wollten auf Grundlage echter gemessener Daten ein Modell mit der Ausstrahlung eines Architekturmodells. Daher auch das Leitmotto „Richtig UND Schön“. Wesentliche Aufgaben von HHVision bestanden also darin, die Visualisierung „schön und anmutig“ zu machen (aber auf Grundlage korrekt gemessener Geometriedaten). Ferner sollten in diesem Prozess teilautomatisierte Vorgänge integriert werden – beispielsweise:

• Ausarbeitung eines Kataloges für verschiedenen Detailierungsstufen des Modells
• Entwicklung eines technologisch neuen Verfahren zur Integration von automatisiert generierten digitalen Modellen in verschiedenen Generalisierungsstufen in die virtuell immersive Stadtplanung
• Entwicklung von Verfahren zur teilautomatisierten Generierung und Zuweisung parametrisierter Materialeigenschaften innerhalb eines physikalisch korrekten, echtzeitfähigen Lichtszenarium
• Entwicklung einer CATD (Computer Aided Texture Device) Methode zur Darstellung von 3D-Texturen und ihrer Lichtreflektionen

Die FH-Köln, bzw. die Fachrichtung „Fakultät für Fahrzeugsysteme und Produktion“, hat den Schwerpunkt auf die virtuelle Produktentwicklung gelegt. Virtual Reality ist in der Fahrzeugtechnik weit verbreitet. So lassen sich beispielsweise einzelne Fahrzeugteile oder das Fahrzeuginnere über Virtual Reality erleben. Im Rahmen von neuen städtebaulichen Projekten muss man sich auch mit der Öffentlichkeit auseinandersetzen. Hier ist vor allem Transparenz gefragt. In diesem Zusammenhang galt es die die Technik von Virtual Reality auf die städtebauliche Planungsebene zu übertragen, um die städtebauliche Entwicklungsmaßnahme für jeden erlebbar zu machen. Hier waren Mittel und Wege zu finden, um die direkt gemessenen 3D-Laserscandaten (Bestand) und die Planung in das Virtual Reality System einzuspeisen.

• Zusätzliche Schwerpunkte waren:
• Grundsätzliche Machbarkeit der automatisierten Vektordatenableitung aus den Punktwolken prüfen
• Renderingprozessierung
• Objekterkennung
• Geometrierückführung unter Einsatz mathematischer Kriterien, Entwicklung von Algorithmen
• Visualisierung der prozessierten Daten an einem immersiven VR-System