Laserscanning-Systeme - Grundlagen, Systeme, Einsatzbereiche

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf folgende Fragen:  Welche Scansysteme gibt es und wie unterscheiden sie sich? Wann ist welches System besonders geeignet? Worauf kommt es bei Genauigkeit und Datenqualität an? Mit welchen Investitionen ist zu rechnen?

Terrestrische Laserscanner sind für den professionellen Einsatz gemacht. Sie werden stationär genutzt, meistens auf einem Stativ, und liefern besonders präzise Punktwolken. Ideal also für detailgenaue Bestandsaufnahmen. Pro Aufnahmepunkt erfassen sie allerdings nur das, was sich direkt in ihrer Sichtlinie befindet. Deshalb werden die Scanpositionen im Vorfeld geplant und dann nacheinander abgearbeitet. Am Computer werden die Einzelaufnahmen später in der sogenannten Registrierung zu einer Gesamtpunktwolke zusammengefügt.

Damit das gut funktioniert, kommen oft Marker zum Einsatz, etwa Aufkleber mit codierten Positionen oder kleine Objekte, die die Software eindeutig erkennt. Alternativ kann die Registrierung auch ganz ohne Marker direkt in der Software erfolgen, indem überlappende Bereiche der Scans miteinander verglichen werden. Bei größeren Projekten kann das allerdings zu kleinen, systematischen Abweichungen führen.

Beispiele für marktübliche Modelle mit ihren Reichweiten:

• FARO Focus Premium (bis 400 m)
• Leica RTC360 (bis 130 m)
• Z+F Imager 5024 (bis 365 m)
• RIEGL VZ-600i (bis 1000 m)
• Trimble X9 (bis 150 m)

Wichtig zu wissen: Eine gute Punktabdeckung bei großer Reichweite braucht entsprechend viel Zeit. Je nach Situation kann es deshalb sinnvoll sein, den Scanbereich auf ein kleineres Sichtfeld zu beschränken. Wenn das Gelände gut zugänglich ist, reichen oft schon 30 Meter Reichweite aus, um in vertretbarer Zeit eine solide Abdeckung zu erreichen.

In Sachen Genauigkeit und Auflösung liegen alle genannten Geräte grundsätzlich auf ähnlichem Niveau. Die Datenblätter geben einen guten ersten Überblick, aber man sollte sie mit etwas Vorsicht lesen: Angaben zur Genauigkeit beziehen sich oft auf klar definierte Testszenarien und einzelne Messpunkte. Auch bei der Auflösung wird meist eine bestimmte Referenzstrecke zugrunde gelegt.

Für eine realistische Einschätzung der Genauigkeit spielen weitere Faktoren eine Rolle. Zum Beispiel reflektierende Oberflächen, die Größe des Projekts, wie gut das Gelände begehbar ist, welche Registrierungsmethode genutzt wird (mit Marken oder cloud-to-cloud) und wie die Scanstandorte verteilt sind. Bei speziellen Aufgaben wie Ebenheitsanalysen oder der Ermittlung von Neigungen ist auch die Qualität des Neigungssensors entscheidend.

Der größte Vorteil dieser Scanner liegt in ihrer hohen Messgenauigkeit und der dichten Punktverteilung. Selbst bei schwierigen Lichtverhältnissen liefern sie zuverlässige Ergebnisse, auch wenn es bei der Farberfassung manchmal Einschränkungen gibt. Weil sie von festen Standpunkten aus messen, eignen sie sich auch gut für Setzungsmessungen.

Allerdings ist der Aufwand hoch. Um vollständige Modelle zu bekommen, sind mehrere Scanpositionen nötig und das kostet Zeit. Wenn es nicht auf höchste Genauigkeit ankommt, können mobile Systeme effizienter sein. Auch preislich unterscheiden sich die Geräte deutlich, je nach Hersteller und Ausstattung.

Kostenrahmen: Terrestrische Scanner gehören zur oberen Preisklasse. Sie richten sich an professionelle Anwender und liefern dafür exzellente Datenqualität. Die Anschaffungskosten liegen meist deutlich im fünfstelligen Bereich. Ein Tipp: Wer sich für ein bestimmtes Modell interessiert, kann beim Hersteller gezielt nach gebrauchten Geräten fragen. Oft handelt es sich dabei um geprüfte Vorführgeräte oder ältere Modelle, die im Rahmen eines Produktwechsels verkauft werden. Da sich die Technologien nicht ständig grundlegend ändern, ist das Preis-Leistungs-Verhältnis solcher Angebote oft sehr attraktiv.

Mobile Scanner arbeiten meist mit sogenannter SLAM-Technologie und werden getragen oder in Bewegung eingesetzt, zum Beispiel auf dem Rücken oder mit einer Schulterhalterung. Damit lassen sich auch schwer zugängliche Innenräume schnell und unkompliziert erfassen. "SLAM" steht für "Simultaneous Localization and Mapping" und bedeutet, dass der Scanner während der Bewegung seine eigene Position bestimmt und dabei gleichzeitig die Umgebung aufnimmt. Über längere Strecken kann sich dabei ein kleiner Fehler aufsummieren. Deshalb geben die Hersteller oft Empfehlungen, wie ein optimaler Scanpfad, zum Beispiel durch ein Gebäude, aussehen sollte. Üblich ist es, an einem genau bekannten Punkt zu starten und am Ende wieder dorthin zurückzukehren. Dieser sogenannte Zirkelschluss hilft dabei, eventuelle Fehler im Nachhinein zu korrigieren.

Die Methode ist besonders schnell und eignet sich ideal für große Innenflächen oder schwer erreichbare Bereiche. Damit der Scanner sich gut orientieren kann, braucht er allerdings eine gewisse Struktur in der Umgebung. Weite, offene Außenflächen ohne markante Fassaden sind eher schwierig zu erfassen.

Beispiele:

Ein bekanntes System ist der NavVis VLX, ein tragbares Gerät mit hoher Scan-Geschwindigkeit, sehr guter Detailerfassung und der Möglichkeit, gleichzeitig Panoramabilder zu erzeugen. Auch der FARO Orbis Premium bietet eine mobile Lösung mit moderner SLAM-Technologie und effizienter Datenerfassung. Besonders praktisch: Er kann auch im sogenannten Hybrid-Modus genutzt werden, bei dem er auf ein Stativ gestellt wird und dadurch noch präzisere Punktwolken liefert. Der Leica BLK2GO ist ein handgehaltener Scanner, der sich vor allem für den schnellen Einsatz in Innenräumen eignet. Die Produktlinie kann auch mit einer Drohne kombiniert werden, etwa für automatische Scanrouten oder Gebäudebefliegungen.

Der größte Vorteil dieser Scanner liegt ganz klar in der Geschwindigkeit und Zugänglichkeit. Große Flächen oder komplexe Gebäude können in sehr kurzer Zeit aufgenommen werden (bis zu 20.000 m² pro Tag). Die Datenverarbeitung übernimmt in der Regel die zugehörige Software, die viele Arbeitsschritte automatisiert. Um die Genauigkeit zu steigern oder ein Koordinatensystem einzubinden, können zusätzliche Referenzmarken gesetzt werden. Die Geräte selbst sind meist kompakt gebaut und dadurch leicht zu transportieren.

Für viele Anwendungen, wie z. B. Bestandspläne oder digitales Facility Management, liefern mobile Scanner hervorragende Ergebnisse. Wenn es jedoch um höchste Genauigkeit geht, zum Beispiel in der Fertigungsplanung, stoßen sie noch an ihre Grenzen. Die Technik entwickelt sich jedoch rasant weiter. Mit jeder neuen Generation wird die Genauigkeit besser und rückt näher an die stationären Scanner heran.

Kostenrahmen: Auch mobile Scanner bewegen sich im professionellen Preisbereich. Die Preisspanne ist allerdings groß. Grundsätzlich sollte man auch hier mit einem fünfstelligen Betrag rechnen.

Wenn große Flächen im Außenbereich erfasst werden sollen, kommen sogenannte Mobile Mapping Systeme ins Spiel. Sie werden auf Fahrzeugen oder Drohnen montiert und kombinieren Laserscanner, Kameras sowie GNSS- und IMU-Sensoren.

Beispiele:

• Leica Pegasus TRK
• RIEGL VMX-2HA

Diese Systeme liefern präzise Geodaten bei beeindruckend hoher Flächenleistung. Damit eignen sie sich perfekt für Infrastrukturprojekte, Stadtplanung, Rohstoffgewinnung oder Anwendungen in der Land- und Forstwirtschaft. Durch ihre Größe und den hohen Preis sind sie in der Regel spezialisierten Außeneinsätzen vorbehalten.

Kostenrahmen: Mobile Mapping Systeme zählen zu den teuersten Lösungen im Bereich Laserscanning. Die Anschaffung lohnt sich vor allem dort, wo große Flächen schnell und detailliert dokumentiert werden müssen, zum Beispiel bei umfangreichen Infrastrukturvorhaben.

Drohnen mit Kamera erstellen Luftbilder, die später mithilfe von Photogrammetrie in Punktwolken und 3D-Modelle umgewandelt werden. Das lohnt sich vor allem bei schwer zugänglichen oder großflächigen Objekten.

Wie gut die Daten am Ende sind, hängt stark vom eingesetzten Kamerasystem ab. Professionelle Drohnen bieten stabile Kameraführungen während der Aufnahme und lassen sich mit verschiedenen Kameras ausstatten. Drohnen mit fest verbauter Kamera sind für den professionellen Einsatz eher nicht zu empfehlen, sie funktionieren zwar grundsätzlich, liefern aber meist nur für einfache Anwendungen brauchbare Ergebnisse. Auch die Umgebung spielt eine große Rolle: stark wechselnde Lichtverhältnisse oder sehr einfarbige Oberflächen (zum Beispiel weiße Wände) können die Qualität deutlich beeinträchtigen. Besonders im Denkmalbereich oder bei der Erfassung historischer Bauwerke sind diese Systeme aber hervorragend geeignet. Sie kommen auch bei der Planung von Solaranlagen auf Dächern oder zur Kartierung von Brückenschäden zum Einsatz.

Der größte Vorteil von Drohnen liegt in ihrer Fähigkeit, schwer zugängliche oder potenziell gefährliche Bereiche effizient zu erfassen. Außerdem sind sie deutlich günstiger als terrestrische Laserscanner und bieten eine gute Übersicht über große Flächen. Allerdings sind sie wetterabhängig und unterliegen rechtlichen Vorgaben. Je nach Einsatzort sind spezielle Genehmigungen nötig, und in vielen Fällen braucht der Pilot eine entsprechende Ausbildung oder Zertifizierung.

Damit die gesammelten Daten später in Softwarelösungen wie Autodesk Revit genutzt werden können, ist meist eine gewisse Nachbearbeitung notwendig.

Kostenrahmen: Drohnensysteme variieren stark im Preis, je nach Modell, Kamera und Software. Ein kleiner Tipp: Auch die Software zur Datenverarbeitung kostet in der Regel extra. Für den Einstieg eignen sich Tools wie Recap Photo oder Agisoft Metashape in der Basisversion. Die Profi-Software Reality Capture gilt als Branchenstandard und ist für Unternehmen mit weniger als einer Million US-Dollar Jahresumsatz sogar kostenlos nutzbar.

Moderne Smartphones, wie etwa die Pro-Modelle des iPhones, sind mittlerweile mit LiDAR-Sensoren ausgestattet. Damit lassen sich einfache 3D-Scans erstellen, ideal für schnelle Reality-Capture-Anwendungen oder die Erfassung von Punktwolken in kleineren Innenräumen.

Smartphones mit LiDAR bieten eine hohe Verfügbarkeit und sind super einfach zu bedienen. Was Genauigkeit und Reichweite angeht, stoßen sie allerdings schnell an ihre Grenzen. Größere Bereiche, mehrere Räume oder ganze Etagen zu erfassen, ist oft schwierig. Für professionelle Vermessungen oder die Einbindung präziser Daten in Programme wie Autodesk Revit sind sie deshalb nur bedingt geeignet.

Trotzdem: Für erste Gehversuche mit Punktwolken oder einfache Augmented-Reality-Anwendungen sind sie eine spannende Option. Und es gibt auch Systeme wie Vidoc, die Smartphones mit Zusatzsensoren aufrüsten. Damit lassen sich die Ergebnisse deutlich verbessern und für mehr Anwendungsszenarien nutzbar machen.

Kostenrahmen: Im Vergleich zu professionellen Scannern sind Smartphone-basierte Lösungen deutlich günstiger. Sie sind eine gute Wahl für einfache Aufgaben oder um erste Erfahrungen im Bereich Reality Capture zu sammeln.

Welches Laserscanning-System am besten passt, hängt ganz von den Anforderungen des jeweiligen Projekts ab. Terrestrische Scanner liefern die höchste Genauigkeit und sind ideal für detaillierte Bestandsaufnahmen. Mobile Scanner punkten mit Geschwindigkeit, kommen aber bei der Präzision nicht ganz mit. Für großflächige Infrastrukturprojekte sind Mobile Mapping Systeme die beste Wahl. Drohnen eignen sich besonders für schwer zugängliche oder gefährliche Bereiche. Und wer es ganz unkompliziert will, kann mit einem Smartphone erste Erfahrungen sammeln – für professionelle Aufgaben reichen diese Systeme aber meist nicht aus.

Empfehlung zur Systemwahl:

• Für detailreiche Bestandsaufnahmen: terrestrischer Scanner
• Für schnelle, flexible Scans in Innenräumen: mobiler Scanner
• Für Infrastruktur und große Flächen: Mobile Mapping Systeme
• Für Dachanalysen, Denkmalschutz, schwer zugängliche Bereiche: Drohnen mit Photogrammetrie
• Für spontane Erfassungen und AR-Tests: Smartphone mit LiDAR