Wissenschaft: 3D-Dokumentation eines Bergwerks

Ein ehemaliges Bergwerk für Quarzsand am Rand von Zürich stellt aufgrund seiner komplexen Geometrie eine große Herausforderung an die 3D-Modellierung dar.

Das ehemalige Bergwerk Chrästel in Buchs ZH (Schweiz) diente bis in die 1920er Jahre dem Abbau von Quarzsand als Material für Gussformen für Giessereien und für die Glasherstellung. Neben dem Abbau von Sand begannen die Bergleute früh mit der Erstellung von Skulpturen und Reliefs, was vermutlich aus reinem Zeitvertrieb geschah. Der Eigentümer sah jedoch bald das touristische Potential dieser Skulpturen und förderte deren Entstehung. So entstand über die Zeit ein stark verwinkeltes Bergwerk mit gut 60 Objekten, welche heute als künstlerisch wertvoll angesehen werden und für die Nachwelt dokumentiert werden sollen. Im Rahmen einer Bachelorarbeit am Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der ETH Zürich wurde dazu das ganze Bergwerk dreidimensional erfasst und dabei der Leica BLK360 (Abb. 1) in einem grösseren Scanprojekt (ca. 450 Einzelscans) getestet.

Verarbeitung und Vereinigung der verschiedenen Punktwolken

Aufgrund organisatorischer Überlegungen (frei wählbarer Startort ohne direkte Verknüpfung zum Vortag) wurde für jeden Arbeitstag eine neue Scangruppe erstellt und diese erst im Büro vereinigt. Die gesamte Punktwolke wurde dabei auf einen einheitlichen Punktabstand von 3 cm ausgedünnt. Bei dieser Auflösung bleiben genügend Details der Grundstruktur erhalten und die Datenmenge kann auf einem Standardcomputer verarbeitet werden. Die photogrammetrisch erfassten Skulpturen wurden anschliessend anhand der originalen Punktwolken skaliert, verortet und in das 3 cm-Modell eingefügt. Auf Grund der höheren Anforderung an die Detailwiedergabe wurde in diesen Bereichen eine Auflösung von 0,5 cm gewählt.


Die Grobskalierung der photogrammetrisch rekonstruierten Skulpturen wurde anhand einer in beiden Modellen manuell gemessenen Distanz geschätzt. Die vorskalierten Skulpturen wurden mit freigegebenem Skalierungsparameter manuell auf den Laserscan registriert und die abschliessende Feinregistrierung ebenfalls mit freigegebener Skalierung durchgeführt, um eine bestmögliche Einpassung zu erzeugen.


Die skalierten und verorteten Skulpturen wurden anschliessend wie erwähnt in die Laserscanpunktwolke eingefügt und mit dieser vereinigt (Abb. 2).


Die resultierende Punktwolke wurde für die weitere Visualisierung vermascht und das erhaltene Mesh bereinigt. Insbesondere an den Stellen, in denen das Bergwerk unter Wasser steht, mussten grössere Lücken manuell geschlossen werden. Um dem Betrachter klar aufzuzeigen, dass dies manuell erfolgte und dort keine Daten vorhanden waren, wurden die Löcher so gefüllt, dass dies deutlich erkennbar ist. Dabei wurde der Rand zuerst bereinigt, anschliessend auf eine tieferliegende Ebene projiziert und das Loch flach geschlos-sen. Mit diesem Vorgehen konnte ein wasserdichtes Modell erstellt werden, welches sich einerseits für die Visualisierung in verschiedenen Medien eignet, andererseits aber auch als 3D-Druck produziert werden könnte.

Komplementärer Einsatz von Laserscanning und Photogrammetrie

Da der Grossteil des Bergwerks sandfarben ist und nur die Bereiche der Skulpturen farbig, wurde entschieden, die Grundstruktur des Bergwerks ohne Farbe aufzunehmen. Die Gründe dafür lagen in der schnelleren Datenaufnahme sowie darin, dass die vollständige Ausleuchtung sehr aufwändig gewesen wäre und die Leuchtmittel im Post-processing manuell aus den Daten hätten entfernt werden müssen. Die Grundstruktur wurde mit farbigen Modellen der Skulpturen ergänzt, welche photogrammetrisch erfasst und in das Laserscanmodell eingepasst wurden.

 

Direkte Registrierung im Feld

Die neuste Generation von Laserscannern verfügt über die Möglichkeit, die Scans direkt im Feld zu registrieren, selbst ohne Verwendung künstlicher Zielmarken. Unter geeigneten Bedingungen erfolgt die Registrierung vollautomatisch. Lässt die Umgebung dies nicht zu, ist eine manuelle Registrierung direkt im Feld möglich. Dies bringt in beiden Fällen eine erhebliche Zeitersparnis, da die Punktwolken bei der Rückkehr ins Büro bereits registriert sind und direkt mit der Analyse bzw. Aufbereitung begonnen werden kann. Im Fall vom BLK360 geschieht die Datenverarbeitung entweder mit Autodesk ReCap Mobile (Feld) und Pro (Büro) oder über den Leica Data Manager und Cyclone Register 360.


Im Rahmen dieser Arbeit wurde ReCap verwendet. Die repetitiven Geometrien und aus homogenem Material bestehenden Wände stellten die automatische Registrierung vor eine grosse Herausforderung, da die Identifikation und Extraktion markanter Punkte schwierig ist. Im Bergwerk war die vollautomatische Registrierung nur bei wenigen Scans erfolgreich, der Grossteil der Scans konnte aber dennoch erfolgreich manuell im Feld registriert werden.  
Im Vergleich zu anderen Projekten ähnlichen Umfangs konnte trotz geringer Erfolgsrate der vollautomatischen Registrierung durch die manuelle Registrierung vor Ort viel Zeit gespart werden, da diese parallel zum Scanvorgang durchgeführt werden kann. Ein zusätzlicher Zeitgewinn gegenüber einer nachträglichen Prozessierung im Büro entsteht durch die einfachere Orientierung bzw. einfachere Identifikation identer Punkte vor Ort.

Virtueller Rundgang und Video

Das bereinigte Modell wurde in der Game-Engine Unity für die Verwendung mit einer Virtual Reality Brille (VR) aufbereitet. Dabei wurde das Modell als Wavefront obj-Datei gespeichert, bei der die Geometrie und Textur separat abgelegt sind. Dadurch können Textur und Geometrie unabhängig voneinander bearbeitet werden um z. B. kleinere Farbkorrekturen vorzunehmen. Zusätzlich stellt Unity zur Optimierung von Oberflächeneigenschaften wie Schattierung und Beleuchtung bei Dateitypen, bei denen Geometrie und Textur getrennt gespeichert werden, mehr Möglichkeiten zur Verfügung.
Neben der Echtzeitbetrachtung mit der VR-Brille können mittels frei definierbarer Kamerafahrten Videos generiert werden, durch die auch ohne Spezialausrüstung ein Einblick ins Bergwerk möglich wird.

 

Visualisierung mit Potree

Um das Ergebnis einem breiteren Publikum zugänglich zu machen, wurde die Punktwolke zusätzlich mittels Potree für die Visualisierung in einem Webbrowser aufbereitet. Potree ist ein webbasierender Renderer, welcher am Institut für Computergrafik und Algorithmen der TU Wien entwickelt wurde (www.potree.org). Durch diese Aufbereitung der Punktwolke ist es möglich, 120 Millionen Punkte mit hohem Detaillierungsgrad in einem Standard-Webbrowser in Echtzeit zu visualisieren. Ein Beispiel dafür zeigt Abbildung 3.

 

Schlussfolgerungen

Moderne Laserscanner ermöglichen die direkte Registrierung im Feld, wodurch auch grössere Scanprojekte ohne grosse Nachbearbeitung durchgeführt werden können. Die Kombination mit Photogrammetrie ermöglicht die Erstellung von Modellen, die die Vorteile beider Technologien vereinen und mit modernen Visualisierungstechnologien hervorragend dargestellt werden können. Insbesondere die VR-Technologie ermöglicht ein eindrückliches Eintauchen in die Modelle und mit dem Webrenderer Potree können auch grosse Datensätze einer breiten
Öffentlichkeit einfach zugänglich gemacht werden.

Isabelle Bai, Ephraim Friedli und
Prof. Dr. Andreas Wieser,
Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, ETH Zürich.

 

 

Referenzen

  • Bai, I. (2018). Evaluation des neuen Leica Laserscanners BLK360 am Beispiel der 3D-Aufnahme eines Bergwerkes. Bachelorarbeit, ETH Zürich, Zürich, Schweiz
  • Schuetz, M. (2016). Potree: Rendering Large Point Clouds in Web Browsers. Diplomarbeit, TU Wien. Wien, Österreich
  • Widmer, R. (2017). Bergbau und Jahrmarktstimmung. Minaria Helvetica, 38/2017, s.15-33
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