3D-Scan, Laservermessung

Genauigkeit einer 3D-Vermessung: Wie lassen sich Toleranzen festlegen und die Qualität kontrollieren?

„Millimetergenaue Präzision“. Dieser Ausdruck taucht in fast allen Angeboten für 3D-Vermessungen auf.

Für sich genommen sagt sie jedoch nicht viel aus. Bezieht sich die Genauigkeit auf das Gerät, die Punktwolke oder den gelieferten Plan? Wurde sie zwischen zwei benachbarten Wänden gemessen oder im Bezug auf die nationalen Koordinaten?

Und vor allem: Wer hat sie überprüft, und wie?

Für einen Architekten oder Ingenieur haben diese Fragen direkte Auswirkungen auf das Projekt. Hier finden Sie Anhaltspunkte, um eine klare Anforderung zu formulieren und anschließend zu überprüfen, ob diese erfüllt wird.

Was die Genauigkeit einer Vermessung umfasst

Vom Messgerät bis zum Endergebnis

Die vom Hersteller angegebene Genauigkeit bezieht sich auf eine einzelne Messung unter idealen Bedingungen.

In der Praxis nimmt sie in jeder Phase ab: beim Zusammenfügen der Messstationen, bei der Bereinigung der Punktwolke und bei der Modellierung. Ein Plan oder ein BIM-Modell bleibt eine Interpretation der Punktwolke mit den damit verbundenen Vereinfachungen.

Für den Kunden zählt daher die Genauigkeit des endgültigen Ergebnisses.

Relative und absolute Genauigkeit

Die relative Genauigkeit beschreibt die interne Konsistenz der Vermessung: den Abstand zwischen zwei Wänden, die Ausrichtung einer Fassade, die Höhe eines Raums. Die absolute Genauigkeit beschreibt die Position des Gebäudes in einem Koordinatensystem.

In der Schweiz ist dieses System der seit 2016 amtliche Referenzrahmen MN95 mit den üblichen Höhenangaben NF02.

Die Tücke ist bekannt. Laut swisstopo kann der alte Referenzrahmen MN03 um bis zu 1,6 Meter vom MN95 abweichen. Eine intern sehr konsistente Vermessung kann daher gegenüber dem Katasterplan verschoben sein, einfach weil sie an den falschen Bezugsrahmen gekoppelt wurde.

Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen

Die Qualität einer Vermessung hängt weniger vom Gerät als vielmehr davon ab, wie es vor Ort eingesetzt wird. Die wichtigsten Faktoren sind folgende:

  • die Entfernung und der Winkel zwischen dem Scanner und der Oberfläche, da eine Wand, die aus großer Entfernung oder schräg angestrahlt wird, weniger genau gemessen wird
  • die Beschaffenheit der Oberflächen, da Glas, poliertes Metall und sehr dunkle Materialien das Lasersignal schlecht reflektieren
  • die Anzahl und Verteilung der Messpunkte, die die Überlappung zwischen den Scans und damit die Zuverlässigkeit der Datenzusammenführung bestimmen
  • die Bedingungen vor Ort: Schwingungen eines in Betrieb befindlichen Gebäudes, Temperaturschwankungen, das Begehen durch Personen oder das Befahren durch Fahrzeuge
  • die Geometrie des Gebäudes selbst, wobei lange Flure und Treppenhäuser anfälliger für Abweichungen sind als kompakte Räume

Die Registrierung: Die Messpunkte ohne Abweichungen zusammenfügen

Ein Gebäude besteht aus Dutzenden, ja sogar Hunderten von Messpunkten. Die Registrierung besteht darin, diese zu einer einzigen kohärenten Punktwolke zusammenzufügen. In dieser Phase können sich kleine Fehler summieren.

Mithilfe von Zielmarken oder Punktwolke zu Punktwolke

Die Ausrichtung mittels Zielmarken stützt sich auf Kugeln oder Raster, die vor Ort aufgestellt werden und von mehreren Messstationen aus sichtbar sind. Dieses Verfahren ist robust und leicht zu kontrollieren. Die Installation ist jedoch zeitaufwendig und eignet sich nicht immer für empfindliche Oberflächen.

Bei der Punktwolke-zu-Punktwolke-Ausrichtung werden die gemeinsamen Geometrien benachbarter Scans direkt miteinander abgeglichen. Dies erfolgt schnell und berührungslos. Allerdings erfordert dieses Verfahren eine gute Überlappung und kann in langen oder detailarmen Bereichen zu Abweichungen führen.

In der Praxis werden häufig beide Verfahren kombiniert.

Die Vermessung an bekannte Punkte binden

Bei einem großen Gebäude, einem Gelände mit mehreren Gebäuden oder einer Vermessung in mehreren Durchgängen wird die Punktwolke an separat gemessene Punkte gekoppelt, die mit einer Totalstation oder mittels GNSS ermittelt wurden. Diese Punkte legen die absolute Position fest und begrenzen die Abweichung über große Entfernungen.

Die Weisung von swisstopo zur Genauigkeit der Punkte in der amtlichen Vermessung trifft hier eine nützliche Unterscheidung. Ein Verknüpfungspunkt beeinflusst das Ergebnis. Ein Kontrollpunkt hingegen dient lediglich dazu, die Abweichung zu messen.

Kontrollpunkte aus der Neuanpassung herauszuhalten, ist die Grundlage für eine ehrliche Überprüfung.

Festlegung der Toleranzen im Lastenheft

Eine Toleranz ist nur im Zusammenhang mit einem bestimmten Verwendungszweck sinnvoll. Die gleiche Genauigkeit sowohl für eine Machbarkeitsstudie als auch für die Montage von Fertigteilen zu fordern, bedeutet entweder, für unnötige Genauigkeit zu bezahlen oder die wirklich wichtige Genauigkeit zu verfehlen.

Verwendungszweck Anforderungsniveau Typisches Ergebnis
Machbarkeitsstudie, Flächenberechnung Mäßig, allgemeine Kohärenz reicht aus Vereinfachte 2D-Pläne, Punktwolke
Vorentwurf und Genehmigungsunterlagen Gut, zuverlässige Bemaßungen für jedes einzelne Bauteil CAD-Pläne, Schnitte und Ansichten
Ausführungspläne, HLK-Koordination Detailliert, insbesondere hinsichtlich Aussparungen und Durchführungen BIM-Modell, Detailpläne
Vorfertigung, Einbau maßgefertigter Elemente Sehr hohe Genauigkeit, Punkt für Punkt geprüft Dichte Punktwolke, geprüfte Maße
Überwachung von Verformungen im Zeitverlauf Sehr hoch und von Messkampagne zu Messkampagne wiederholbar Vergleich der Punktwolken, Abweichungsbericht

Die Zahlenwerte werden projektbezogen gemeinsam mit dem Dienstleister festgelegt, je nach Gebäude und Zugangsbedingungen. Bei einem Modell hängen sie vom gewählten Detaillierungsgrad (LOD) ab.

Im Lastenheft müssen drei Elemente aufgeführt sein: die erwartete Toleranz, das Ergebnis, auf das sie sich bezieht, und die Überprüfungsmethode.

Qualitätskontrolle: So überprüfen Sie das Ergebnis

Eine angegebene Genauigkeit ist nur dann gültig, wenn sie nachgewiesen wird. Dies lässt sich durch mehrere Prüfungen sicherstellen:

  • Die Restabweichungen aus der Neuausrichtung geben Aufschluss darüber, wie sich die Messpunkte zueinander verhalten. Sie liefern Informationen zur internen Konsistenz, jedoch nicht zur absoluten Position.
  • Unabhängige Kontrollpunkte, die mit der Totalstation gemessen und aus der Justierung ausgeschlossen werden, ermöglichen den Vergleich der Punktwolke mit einer externen Referenz.
  • Vor Ort gemessene Maße (Diagonalen eines Raums, Deckenhöhe) dienen als einfache Überprüfung, die für alle Beteiligten nachvollziehbar ist.
  • Der Vergleich zwischen dem Endergebnis und der Punktwolke zeigt, was bei der Modellierung vereinfacht wurde.

Die amtliche Vermessung der Schweiz bietet einen guten Anhaltspunkt zur Beurteilung einer Abweichung. Die oben zitierte Anweisung von swisstopo verlangt eine nachträglich nachgewiesene Genauigkeit, Punkt für Punkt. Die Toleranzgrenze ist dort auf das Dreifache der Standardabweichung festgelegt: Liegt der Wert darüber, gilt die Messung als fehlerhaft.

Diese Regeln gelten für den Kataster, nicht für Gebäudevermessungen. Ihre Logik lässt sich jedoch gut übertragen: Eine angegebene Genauigkeit wird durch unabhängige Messungen nachgewiesen, und Punkte außerhalb der Toleranz werden gekennzeichnet.

All dies sollte in einem Genauigkeitsbericht enthalten sein, der zusammen mit dem Endprodukt übergeben wird. Darin sind die Methode der Nachjustierung, das Koordinatensystem, die verwendeten Kontrollpunkte und die festgestellten Abweichungen aufgeführt.

Fünf Fragen, die Sie vor der Beauftragung einer Vermessung stellen sollten

  1. Wozu soll die Vermessung dienen? Der Verwendungszweck bestimmt die Toleranz und das Ergebnis, nicht umgekehrt.
  2. Welche Toleranz wird erwartet, und für welches Ergebnis gilt sie: die Punktwolke, die Pläne oder das Modell?
  3. Muss die Vermessung an die nationalen Koordinaten MN95 und die Höhenangaben NF02 gekoppelt werden, oder reicht ein lokales System aus?
  4. Welche Kontrollen sind vorgesehen, und wie viele unabhängige Kontrollpunkte sind vorgesehen?
  5. Wird zusammen mit dem Ergebnis ein Genauigkeitsbericht vorgelegt, und was wird dieser enthalten?

Wichtige Punkte zum Merken

  • Die zu fordernde Genauigkeit ist die des Endergebnisses.
  • Interne Konsistenz und die Position im nationalen Koordinatensystem sind zwei unterschiedliche Anforderungen.
  • Die Neujustierung ist der entscheidende Schritt, und Kontrollpunkte, die von der Neujustierung ausgeschlossen sind, ermöglichen deren Überprüfung.
  • Eine Toleranz wird entsprechend der üblichen Praxis festgelegt und zusammen mit der entsprechenden Überprüfungsmethode in das Lastenheft aufgenommen.
  • Jedem Ergebnis sollte ein Genauigkeitsbericht beiliegen.

Eine Vermessung, die mit ihren Kontrollen geliefert wird

Bei AB 3D Scanning wird jede Vermessung entsprechend ihrem Verwendungszweck definiert und anschließend zusammen mit den Kontrollpunkten geliefert, anhand derer sich ihre Qualität beurteilen lässt. Wenn Sie ein Lastenheft erstellen oder eine bestehende Vermessung überprüfen lassen möchten, können wir dies gerne mit Ihnen besprechen.

Quellen