Photogrammetrie erklärt: Warum ist sie ein Teil der Zukunft der Bauwerksinspektion?

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Die Photogrammetrie ermöglicht eine präzise digitale Inspektion – aber was ist das genau?

Die regelmäßige Inspektion von Bauwerken ist von großer Bedeutung, um die Integrität der Bauwerke zu gewährleisten: ihre Funktionalität, Sicherheit und Langlebigkeit. Eine gründliche manuelle Inspektion von Bauwerken kann eine mühsame Angelegenheit sein, insbesondere wenn es sich um ein Bauwerk von erheblicher Größe handelt. Mithilfe der Photogrammetrie können Bauwerke wie Brücken, Tunnel und Staudämme als so genannter digitaler Zwilling modelliert und in hoher Auflösung texturiert werden, indem einfache fotografische Bilder verwendet werden. Diese Bilder werden später mithilfe künstlicher Intelligenz (KI) in hoher Auflösung verarbeitet, um strukturelle Schäden in nie dagewesener Detailtiefe zu identifizieren, zu analysieren und zu dokumentieren – und das in großem Maßstab.

Die Wissenschaft hinter der Photogrammetrie

Der Begriff “Photogrammetrie” setzt sich aus den drei griechischen Wörtern “photos”(Licht), “gramma”(zeichnen oder schreiben) und “metron”(messen) zusammen. Zusammenfassend bezieht sich der Begriff auf die Wissenschaft von der Durchführung von Messungen durch die Extraktion von praktikablen und zuverlässigen Daten aus fotografischen Bildern. Bei dieser Technik werden Bilder aufgenommen, um Ergebnisse in Form einer Karte, einer Zeichnung, einer Messung oder eines 3D-Modells eines realen Objekts oder einer Szenerie zu erhalten. Auch wenn das Verfahren das Lösen langwieriger mathematischer Gleichungen erfordert, um die Kohärenz zwischen Koordinatensystemen zu finden, ist die Wissenschaft dahinter in Wirklichkeit recht simpel.

Eine allgemeine Idee lässt sich von der Stereoskopie ableiten, was so viel wie “Sehen in Stereo” bedeutet. Irgendwann in unserem Leben stellen wir fest, dass es nicht möglich ist, mit nur einem Auge in 3D zu sehen. Probieren Sie es aus, wenn Sie es noch nie getan haben – oder eine Erinnerung brauchen. Schließen oder bedecken Sie eines Ihrer Augen und versuchen Sie, eine Tasse Kaffee zu trinken. Oder, noch besser, versuchen Sie, Wasser in ein Glas zu gießen. Nicht so einfach, wie Sie es gewohnt sind – oder?

Unsere Augen funktionieren im Grunde wie Kameras mit einem festen Abstand zwischen ihnen. Sie erzeugen 2D-Bilder unserer Umgebung und bilden zwei sehr ähnliche, aber auch leicht unterschiedliche Perspektiven. Diese leichten Unterschiede in der Perspektive machen den Unterschied aus. Objekte, die sich näher an unserem Gesicht befinden (der Punkt, an dem unsere Perspektive durch unsere Augen gebildet wird) , erzeugen größere “perspektivische” Unterschiede in den beiden getrennten Bildern, die von unseren beiden Augen erzeugt werden, als Objekte, die weiter entfernt sind. Diese Informationen werden in unserer zentralen Verarbeitungseinheit, dem Gehirn, verarbeitet, um eine Szene in 3D zu erstellen, die eine genauere Orientierung und Wahrnehmung ermöglicht und uns vor unerwünschten Ereignissen warnt, z. B. dass wir kein Wasser auf dem Tisch verschütten. Das gleiche Prinzip gilt für die Verarbeitung von Daten durch Photogrammetrie. Ersetzen Sie einfach Ihre Augen durch eine Kamera und Ihr Gehirn durch einen Computer.

Ableitung geometrischer Beziehungen aus perspektivischen Unterschieden
(https://lens-shutter.net/stereo-kurz-erklaert/)

Denken Sie aber daran, dass mindestens 80 % des Bildes Daten enthalten, die dieselbe Szene zeigen, also bewegen Sie sich mit einer zweiten Kamera nicht zu weit weg. Anschließend kann eine dritte, vierte oder fünfte Kamera verwendet werden, um diese Daten zu verfeinern. Durch die Aufnahme von Szenen aus all diesen Kameras kann ein 3D-Modell Ihrer Struktur erstellt werden. Automatisch.

Eine Menge Kameras – klingt nach einer Menge Investitionen!

Das Schöne an der Photogrammetrie ist, dass dieselbe Kamera mehrfach verwendet werden kann, solange das erfasste Objekt seine Position nicht ändert. Willkommen in der aufregenden Welt der Photogrammetrie! Die Technik ist nicht auf die gleichzeitige Aufnahme von Bildern angewiesen. Mit dem Aufkommen unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) oder Drohnen im letzten Jahrzehnt ist es bequem und kostengünstig geworden, sie als “Kameraträger” zu verwenden, um hochwertige Bilder von bestimmten Standpunkten aus aufzunehmen, von denen viele früher unzugänglich waren. Klingt innovativ, nicht wahr? Wenn Sie jedoch glauben, dass es eine neue Idee ist, eine Kamera an ein fliegendes Objekt zu schnallen, sollten Sie noch einmal nachdenken…

Fotografie Tauben bei der Arbeit (ca. Erster Weltkrieg)
By Bundesarchiv: o.Ang.derivative work: Hans Adler (talk), CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7163150

Was genau sind “hochqualitative Bilder”?

Abgesehen von der Wissenschaft sollten wir die Bilder selbst besser verstehen. Um relevante Daten aus Fotos abzuleiten, muss das Bild selbst von ausreichender Qualität sein. Parameter wie Auflösung (Pixel – oder sogar Megapixel), Helligkeit, Blende, Schärfe und Farbe müssen die erforderlichen Kriterien erfüllen, um für die Photogrammetrie verwendet werden zu können. Hier gilt die Philosophie “mehr ist immer besser” nicht. Manchmal kann man mit weniger Bildern oder Kamerapositionen bessere Ergebnisse erzielen. Das Gleiche gilt für die Auflösung: Zu viele Megapixel können zu langsameren Verarbeitungszeiten führen, da größere Dateien erzeugt werden, ohne dass ein ausreichender Mehrwert entsteht. Mit anderen Worten, es gibt einen Sweet Spot für optimale Ergebnisse, wenn es um Auflösungen geht. Wer darüber hinausgeht, wird keinen Mehrwert mehr schaffen, sondern lediglich weitere Daten hinzufügen..

Die Anforderungen können je nach Projektbedarf variieren. Zu den Faktoren, die die Qualität der Ergebnisse beeinflussen können, gehören unterschiedliche Sensorgrößen, Brennweiten und Objektabstände. Ein gemeinsamer Nenner ist die Definition eines Parameters namens “GSD” oder “Ground Sampling Distance”. GSD gibt an, wie viel Fläche eines Objekts in einem einzigen Pixel erfasst wird. Ein GSD von 1mm bedeutet zum Beispiel, dass 1 Pixel im Bild in Wirklichkeit 1mm x 1mm (= 1mm²) entspricht.

Wie trägt die Photogrammetrie zur Verbesserung der Sicherheit bei?

Im Bereich der Bauwerksinspektionen liefert die Photogrammetrie genaue Informationen über den aktuellen Zustand der Bauwerke, indem sie geometrische 3D-Informationen zusammen mit höher aufgelösten Texturinformationen erzeugt. Die Ergebnisse der photogrammetrischen Verarbeitung können sogenannte “Punktwolken” in verschiedenen Dichten, texturierte oder untexturierte Netze oder sogar projizierte Ortho-Mosaike sein. Die Ergebnisse können als Input für das Building Information Management (BIM) weiterverarbeitet werden und bilden eine präzise Grundlage für Lebenszyklusanalysen sowie für die vorausschauende Instandhaltung zur Gewährleistung der Sicherheit der Infrastruktur.

Der Einsatz dieser Technologie bedeutet, dass schwer zugängliche Stellen, die eine Bauwerksinspektion in der Regel risikobehafteter machen, bequem vom Bürostuhl aus überprüft werden können. Inspektionssachverständige können auf die Anforderung, in den Alpen von einer Brücke zu hängen, verzichten und sich stattdessen darauf konzentrieren, die Sicherheit anderer zu gewährleisten.

Vom Bild (links), zur Punktwolke (Mitte) und zum texturierten digitalen 3D-Zwilling (rechts)
(Aus dem Dokument “Bauwerksprüfung 4.0 mit STRUCINSPECT”, Seiten 2 und 3)

Ist die Photogrammetrie ein Schlüsselfaktor für die Zukunft der digitalen Inspektion?

Ja, das ist es ganz sicher! Die Photogrammetrie ermöglicht eine lückenlose Dokumentation des Oberflächenzustands eines kompletten Infrastrukturelements sowie die Generierung von organisierten, strukturierten Daten, die weiterverarbeitet, analysiert und für zukünftige Referenzen gespeichert werden können. Darüber hinaus können objektive Vergleiche mit früheren Daten leichter durchgeführt werden, um das Asset Management im Laufe der Zeit zu verbessern. Dies vereinfacht und rationalisiert den gesamten Prozess der Bauwerksinspektion.

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