3D-Visualisierung mit Drohnen

Ausgangssituation

In vielen Bereichen ist die traditionelle Inspektion von Infrastrukturen oder die Visualisierung von Landschaften und Strukturen für Planungsprozesse problematisch. Beispielsweise sind die Arbeiter bei der manuellen Inspektion von Strommasten einem hohen Gesundheitsrisiko ausgesetzt. Die Vermessung und Inspektion komplexer Infrastrukturen wie Raffinerien ist eine sehr schwierige und langwierige Aufgabe, bei der sich die Arbeiter mit bodengestützten oder tragbaren Scannern durch komplizierte Labyrinthe von Rohren, Leitern und anderen Strukturen bewegen müssen. Herkömmliche Methoden des 3D Scannens, die zur Inspektion und Überwachung von Bauwerken eingesetzt werden, sind sehr zeitaufwändig, da mobile Stationen aufgebaut und nach Abschluss des Scanvorgangs an andere Positionen gebracht werden müssen. Dies erfordert nicht nur einen hohen Personalaufwand, sondern führt auch zu höheren Kosten.  

Außerdem gibt es bei Projekten mit alten Gebäuden oft keine oder unvollständige Originalpläne. Dies kostet Arbeitern im Baugewerbe in der Regel zwei Arbeitstage pro Woche, um vermeidbare Probleme zu lösen oder nach Projektinformationen zu suchen, die durch solche nicht vorhandenen oder unvollständigen Pläne verursacht werden. Aufgrund dessen gestaltet sich der Personal- und Technikaufwand dieser traditionellen Inspektions- und Visualisierungs-Verfahren als schwierig und ist mit sehr hohen Kosten verbunden. So kosten beispielsweise Inspektionen vor Ort 200 Dollar pro Stunde. Dies gilt auch für die traditionelle manuelle Informationssammlung in der Landwirtschaft, die in der Regel von vielen verschiedenen angeheuerten Helfern durchgeführt wird, zeitaufwändig ist und anfällig für menschliche Fehler.

Lösungsansatz

Eine Lösung für die beschriebenen Probleme ist die 3D Visualisierung, die bereits in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt wird. Unter anderem bringen 3D Visualisierungen einen Mehrwert bei der Präsentation von Projekten, da sie den Projekten ein realistisches Bild verleihen.  

Sie finden auch in der Wirtschaft großen Anklang, da der Verkauf und die Vermarktung von Immobilien durch Punktwolken, 3D Modelle und Texturen leicht veranschaulicht werden können. So werden 3D Visualisierungen von Wohn- und Gewerbeimmobilien eingesetzt, um potenziellen Käufern ein Wohn- und Lebensgefühl dieser Infrastrukturen zu vermitteln. Sie argumentieren die Lage, veranschaulichen die Vorteile der Immobilien und können somit außerdem lokale Besonderheiten hervorheben.

3D Visualisierungen bilden zudem eine wichtige Grundlage für die heutigen Planungs- und Inspektionsprozesse an Leitungen und Masten. So ermöglicht die 3D Visualisierung die sichere Beobachtung von digitalisierten Stromleitungen, Funkmasten und Antennen im Büro, ohne dass die Mitarbeiter einer Gefahr ausgesetzt sind. Diese müssen aufgrund von Verwitterung, Vandalismus oder Verschleiß in regelmäßigen Abständen inspiziert werden. 3D Visualisierungen erleichtern diese Prozesse und helfen, Anomalien oder mögliche Probleme frühzeitig zu erkennen.  

Darüber hinaus finden 3D-Visualisierungen bedeutende Anwendungen in der Landschaftsarchitektur, im Städte- und Straßenbau. Einerseits werden 3D Visualisierungen realer Bauwerke als Grundlage für die Planung von Sanierungen, Umgestaltungen und Denkmalschutz genutzt. Andererseits werden sie auch zur digitalen Dokumentation und Verfolgung des Baufortschritts oder zur Überwachung von Anlagen und Bauwerken eingesetzt. Im Bereich der Stadt- und Verkehrsplanung werden 3D Visualisierungen eingesetzt, um Maßnahmen zur Verbesserung des Stadtklimas, der Energieeffizienz, der öffentlichen Sicherheit und des Tourismus umzusetzen. Im Tourismus werden sie zum Beispiel zur Planung von Touren eingesetzt. Die 3D Visualisierung ermöglicht auch alle Arten der Notfallplanung, sei es nach Naturkatastrophen oder für anstehende Sprengungen von Gebäuden.

Warum Drohnen zur 3D Visualisierung?

Drohnen werden heutzutage zunehmend für 3D Visualisierungen eingesetzt, da sie viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden bieten. Um Visualisierungen so realistisch wie möglich darstellen zu können, werden Bilder aus allen möglichen Blickwinkeln benötigt. Zu diesem Zweck sind Luftaufnahmen mit Drohnen ideal, da sie schnell und ohne Risiko an schwer zugängliche Stellen gelangen können, wozu menschliche Mitarbeiter nicht in der Lage wären. Darüber hinaus stellen die von Drohnen aufgenommenen Luftbilder den gegenwärtigen Zustand der Umgebung dar, so dass die daraus erstellten 3D Visualisierungen auch zeitlich genau sind. Mit Hilfe von Drohnen können große Datenmengen in sehr kurzer Zeit erfasst werden, was ein kosteneffizientes Verfahren ist und die Arbeitskosten senkt. Der flexible Einsatz von Drohnen zur Erfassung von Luftbildern kann dazu beitragen, Lücken in Datensätzen zu vermeiden, und kann auch zur Vorhersage von Ereignissen durch Überwachung mittels 3D Visualisierung genutzt werden.

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Wie werden 3D Visualisierungen generiert?

Die 3D-Visualisierung mit Drohnen erfolgt in mehreren Schritten. Dazu werden Kameras und LiDAR-Scanner an Drohnen angebracht, um die Luftbilder und Punktewolken zu erzeugen. Die anschließende Datenerfassung erfolgt, indem das Projektgebiet oder das Objekt mit der Drohne überflogen und Luftbilddatensätze aufgenommen werden. Um zu gewährleisten, dass ausreichend gute 3D Visualisierungen erstellt werden können, müssen genügend Bilder aus allen möglichen Winkeln mit Überlappungen der zu untersuchenden Objekte oder Landschaften aufgenommen werden. Abbildung 1 zeigt ein Luftbild von einem Weingarten, welches mit einer Drohne aufgenommen wurden.

Der nächste Schritt ist die Erstellung einer 3D-Animation oder Visualisierung der erfassten Landschaften oder Objekte aus den Luftbildern mit 3D- oder CAD-Software. Die erfassten Bilddatensätze werden in der Software mit photogrammetrischen Verfahren bearbeitet, um die gewünschten 3D Visualisierungen zu erstellen. Dazu werden zunächst überlappende Luftbilder in einem Bildabgleich-Verfahren (Image-Matching) miteinander abgeglichen, die räumliche Ausrichtung der Bilder bestimmt und eine „spärliche“ Punktewolke erstellt. Diese dient als Grundvoraussetzung für die Modellierung von Strukturen, da sie 3D Informationen aus überlappenden Bildern enthält. Eine beispielhafte spärliche Punktewolke ist in Abbildung 2 dargestellt.

Im anschließenden Prozess wird eine dichte Punktwolke auf der Grundlage der zuvor ermittelten 3D Informationen und der überlappenden Bilder erstellt. Abbildung 3 zeigt die resultierende dichte Punktwolke, die aus der spärlichen Punktwolke von Abbildung 2 berechnet wurde.

Nun wird durch das Durchführen eines Vernetzungsalgorithmus ein 3D Modell aus der dichten Punktewolke erstellt. In Abbildung 4 ist ein beispielhaftes 3D Modell von Weinreben illustriert. Diese sind meist nicht mit Texturen versehen, weshalb im nächsten Schritt ein Texturierungsprozess durchgeführt wird.  

Schließlich werden in einem Texturierungsprozess Texturen aus den Fotos auf die entsprechenden Stellen im zuvor erstellten 3D Modelle aufgetragen. Das Ergebnis ist ein texturiertes 3D Modell, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Formen der 3D Visualisierungen

3D Visualisierungen werden in verschiedensten Formen verwendet, um reale Objekte, Strukturen oder Landschaften darzustellen. So gibt werden hierfür zum Beispiel texturierte (Farb-)Punktwolken, 3D-Modelle oder Polygonnetze in einem gewünschten Raster, texturierte 3D Modelle, fotorealistische 3D Renderings, 3D Visualisierungen aus der Vogelperspektive, um Terrain, Entfernungen und Referenzen sichtbar zu machen, Fotomontagen, 360°-Panoramen, virtuelle Rundgänge und 3D Animationen eingesetzt.

Quelle:

Air-Bavarian GmbH. (2022). 3D Visualisierung mit Drohne. Air-Bavarian GmbH. Aufgerufen am 24. August 2022 von https://air-bavarian.com/drohnenfluege/3d-visualisierung/.

Daly, D. (2022). Here’s Why Drone 3D Scans Save You Time & Money. Consortiq. Aufgerufen am 23. August 2022 von https://consortiq.com/uas-resources/3d-scans-a-new-dimension-to-drone-use-cases.

Fly Dragon Drone Tech. (2013). Advantages of Drone Oblique Photography 3D Model. Fly Dragon Drone Tech. Aufgerufen am 23. August 2022 von http://www.dronefromchina.com/new/Advantages-of-Drone-Oblique-Photography-for-build-3D-Model.html.

LOGXON. (n.d.) 3D visualisation, 3D rendering & CGI. LOGXON GmbH & Co. KG. Aufgerufen am 24. August 2022 von https://www.logxon.com/en/services/3d-visualisation/.

Schneider, T., Paulus, G., & Anders, K. (2020). Towards Predicting Vine Yield: Conceptualization of 3D Grape Models and Derivation of Reliable Physical and Morphological Parameters. GI_Forum, 1, 73-88. https://doi.org/10.1553/giscience2020_01_s73.