Von Punkten und scharfen Kanten

Wie komme ich am schnellsten von A nach B? Wo gibt es Straßen, Gehwege, Flüsse, Seen, etc.? Selbst um diese einfachen Fragen beantworten zu können, benötigt man verlässliches Wissen über unsere Umwelt. Wesentlich komplexer wird die Herausforderung, wenn es darum geht, beispielsweise Antworten darauf zu finden, wie hoch das Überflutungsrisiko von Grundstücken ist. Leider können manchmal keine optimalen Entscheidung getroffen werden, weil keine geeigneten raumbezogenen Daten verfügbar sind. Mit neuartigen Aufnahmetechnologien wie dem Laserscanning können diese wichtigen Umweltinformationen erfasst werden. Ein Problem konnte bisher aber nicht zufriedenstellend gelöst werden: die Kanten von Oberflächen, wie z. B. Dämme, exakt zu erfassen. Die Kenntnis solcher „Bruchkanten“ ist aber extrem wichtig, um beispielsweise bei herannahenden Wasserfluten die entscheidenden Hochwasser-Maßnahmen rechtzeitig einleiten zu können. Ein junger Wissenschafter der Technischen Universität Wien hat im Rahmen seiner Dissertation einen Weg gefunden, diese Bruchkanten scharf und exakt auf Basis der erfassten unregelmäßigen Oberflächenpunkte darzustellen.

Laserscanning – Was es leisten kann

Die Vorzüge von Laserscanning liegen darin, dass die Oberflächenerfassung im Vergleich zu herkömmlichen photogrammetrischen Methoden viel automatisierter und unabhängig von der Oberflächentextur erfolgen kann. Soll die Erdoberfläche mit all ihren Höhen und Tiefen erfasst werden, verwendet man dazu das flugzeuggetragene Laserscanning. Hierbei werden Laserstrahlen zu Boden gesandt und das reflektierte Echo des Lasterstrahls wird im Flugzeug registriert. Damit man weiß, an welchem Ort sich das Flugzeug befindet und welches Gebiet vermessen wird, wird die Position und Orientierung des Sensors mit Hilfe eines Positionsbestimmungssystems (GPS) und eines inertialen Messsystems (IMU) bestimmt. Der Laserscanner nimmt unzählige Punkte auf (bis zu 100000 Punkte pro Sekunde), sogenannte „Punktwolken“. Aus den Punktwolken erstellt man Oberflächenmodelle, anhand derer das Aussehen der Oberfläche (Erhebungen oder Vertiefungen wie z. B. Hochhäuser, Hügel, Seen, etc.) erkennbar ist.

Qualitätssteigerung durch explizite Modellierung von Kanten

Trianguliert man die Punktwolken, d. h. verwendet man geometrische Hilfsmittel in Form von Dreiecken zur Oberflächenbeschreibung, erhält man eine unzureichende Beschreibung in der Nähe von Unstetigkeitsstellen. Der Forscherdrang von Christian Briese, Projektassistent am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung an der TU Wien, hat ihn dazu getrieben, genau dieses Problem zu lösen: nämlich Oberflächenmodelle zu generieren, in denen die Geländekanten explizit repräsentiert sind. Wichtig ist das vor allem in der Hydrologie, hier besonders im Hochwasserschutz und der Topografie. Einen weiteren Anwendungsschwerpunkt bildet die Gebäudedokumentation auf Basis terrestrischer Laserscanner (TLS).

Mit überlappenden analytischen Flächenpaaren zum Erfolg

Die Modellierung der Geländekanten basiert auf analytisch bestimmten Flächenpaaren, die mit Hilfe der unregelmäßig verteilten Punkte in der Nähe der Kante bestimmt werden. Integrierte statistische Verfahren im Rahmen der geometrischen Modellierung ermöglichen eine Berücksichtigung der Datencharakteristik. Neben der Modellierung wurde ein weiterer Schwerpunkt im Rahmen der Forschungsaktivität auf die Automatisierung der Methoden gelegt. Neben semi-automatischen Verfahren, wie dem „Kantenwachsen“ (breakline growing) wurden vollautomatische Verfahren entwickelt und untersucht. Praktische Beispiele demonstrieren die Anwendbarkeit der Methoden. Die allgemeine Relevanz der Forschungsergebnisse (außerhalb der Geländemodellierung) konnte durch Beispiele im Bereich der Gebäudedokumentation anhand der Bestimmung von Gebäudekanten aus TLS-Daten demonstriert werden.

Resselpreis der TU Wien

Für seine Forschungsergebnisse, die Christian Briese in seiner Dissertation „Breakline Modelling from Airbone Laser Scanne Data“ publiziert hat, wurde er mit dem 13.000,- Euro dotierten Resselpreis der TU Wien ausgezeichnet.

Christian Briese wird mit seiner Forschung der TU Wien weiter erhalten bleiben. Er forscht am Christian Doppler Labor „Spatial Data from Laser Scanning and Remote Sensing“, das voraussichtlich noch bis Ende November 2010 läuft. In Christian Doppler Labors arbeiten private Firmen und Universitäten zusammen. Ihr grundsätzliches Ziel liegt darin, die Grundlagenforschung weiter voranzutreiben und auf spezielle Fragestellungen der privaten Firmen einzugehen.