Montag, 18. Februar 2013
Artikel in der Business Geomatics, Ausgabe 1, 13.-18. Februar 2013

Der Erosion auf der Spur

Die kulturhistorische Stadt Petra wird auf einer Länge von mehreren Kilometern in 3D modelliert. Die Daten stammen von terrestrischen Laserscannern.

Wie nutzt man 3D-Modellierungen von kulturhistorischen Stätten optimal für archäologische und restaurationsbedingte Fragestellungen? Indem man ein hochgenaues 3D-Vermessungsmodell erstellt, mit dem man Erosionsprozesse erkennen und nebenbei auch attraktive 3D-Visualisierungen erzeugen kann. So geschehen bei der verlassenen Felsenstadt Petra in Jordanien. Die von dem antiken Stammesverbund der Nabatäer vor mehr als 2.000 Jahren erbaute Stadt erstreckt sich über mehrere Täler in den Bergen Jordaniens und ist mit ihren in den Sandstein gehauenen Fassaden ein wichtiger touristischer Magnet des Landes. Von dieser alten Stadt wird nun an der Universität von Kapstadt ein komplettes 3D-Modell erstellt, dessen Basis Daten terrestrischer Laserscanner sind.

Die antike Metropole gehört nicht nur zum UNESCO-Weltkulturerbe, sondern ist auch besonderen natürlichen und geologischen Risiken ausgesetzt. Dazu gehören Erdbeben, Überschwemmungen, Erdrutsche oder witterungsbedingte Erosion. Vor diesem Hintergrund wurde 2012 das Siq Stability Projekt ins Leben gerufen. Das Ziel: Die gefährdeten Gebiete einer Langzeitüberwachung unterziehen. Innerhalb des von der italienischen Regierung zusammen mit der UNESCO initiierten Projektes wird ein Monitoring-System realisiert, das Bewegungen und Erosionen des Gesteins aufzeichnet. Dabei kommt ein GIS-System zum Einsatz, in dem unter anderem ein 3D-Computermodell vorgehalten wird. Dieses ist die Basis für einen interaktiven virtuellen Rundgang, der auf Panorama-Aufnahmen basiert.

Für die 3D-Dokumentation sind als Partner die jordanischen Autoritäten und das Zamani Projekt der UNESCO zuständig, eine südafrikanische Initiative der Universität von Kapstadt, die auf die 3D-Dokumentation von Kulturstätten in Afrika mit Laserscanning und Photogrammetrie spezialisiert ist. Sie erstellt unter anderem ein Model der sehr engen Schlucht des „Siq“, die den Hauptzugang von Petra darstellt. Darüber hinaus wurden alle wichtigen Bauwerke sowie die Landschaft, sowohl mit Laserscanning als auch mit Luftbildaufnahmen genauestens dokumentiert. Alle Daten werden zu einer virtuellen, interaktiven Tour zusammengeführt.

Ausgangsdaten für die Modellierung stammen von einem 3D-Laserscanner. Bisher wurden insgesamt rund 1.750 Scans, 320 Panorama-Fotos und mehr als 3.000 digitale Bilder sowie zahlreiche GPS-Kontrollpunkte aufgenommen. Die finale Punktwolke besteht aus über 12 Milliarden Punkten, die auch die mehr als 30 Bauwerke, sowohl innen als auch außen mit sehr hoher Auflösung (circa zwei Zentimeter Punktabstand) dokumentiert.

Bei diesem Projekt wurde zum größten Teil der Z+F IMAGER 5010 von Zoller + Fröhlich eingesetzt, der sich durch seine große Reichweite von mehr als 150 Metern und durch seine hohe Geschwindigkeit als Allround- Gerät sowohl für den Einsatz im Nahbereich als auch bei ganzen Landschaften behaupten konnte. Durch den Einsatz der Laserklasse 1 konnte eine Gefährdung der zahlreich anwesenden Touristen ausgeschlossen werden.

„Technisch interessant an der Methodik des Zamani-Teams ist, dass wir, im Gegensatz zu normal gebräuchlichen Methoden auf die Benutzung von Targets zur Registrierung der Punktwolken verzichten und stattdessen auf die Registrierung anhand von Features (ICP) setzen. So geschehen auch in diesem Falle“, sagt Professor Heinz Rüther vom Zamani-Team. Der Einsatz von Targets wäre auch in den engen und tiefen Schluchten nicht praktikabel gewesen.

Die fertige Punktwolke von Petra deckt die gesamte relevante Felslandschaft sowie detaillierte Modelle aller wichtigen von Menschen geschaffenen Strukturen ab. Dies umfasst ein Gebiet mit einer Länge von drei Kilometern. Zur Überprüfung der Genauigkeit der Registrierung hat das Zamani-Projekt ein Skelett aus mehr als 200 Scans erstellt, das sich über 2,9 Kilometer erstreckt. Das wurde mit mehreren GPS-Ähnlichkeitstransformationen ohne Maßstabsänderung verglichen. Abweichungen von im Schnitt vier Zentimetern wurden bei diesem Vergleich festgestellt.

Die hohe Genauigkeit des Ergebnisses hat alle Erwartungen übertroffen. „Das Beispiel zeigt, dass Mediumrange- Laserscanner sowohl für die Dokumentation von Bauwerken als auch von ganzen Landschaften geeignet sind“, so Christoph Held von Zoller + Fröhlich, der vor Ort mitgewirkt hat. Die übrigen Scans werden über das neue Plane2Plane-Registriermodul in Z+F LaserControl automatisch in das existierende Modell eingeführt. Es zeigt sich, dass sich Plane2Plane, obwohl es auf Umgebungen mit vielen ebenen Oberflächen ausgelegt ist, auch in einem Gebiet mit komplexen, unregelmäßigen Oberflächen als robust und voll einsetzbar bewährt hat.

www.zamani-project.org
www.zf-laser.com

 

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