Portfolio: UAV-basierte Bauwerksdiagnostik

Einführung

Die Ermittlung und Überwachung des Bauwerkszustandes sind Schlüsselelemente bei der Erhaltung von Bauwerken. Für diesen Zweck haben wir uns auf die Anwendung der UAV-Technologie (Unmanned Aerial Vehicle – Unbemannte Fluggeräte) zur bildbasierten Fernerkundung von Bauwerken spezialisiert. Unter Anwendung modernster professioneller Flugsysteme bieten wir auf Basis von gewonnen Erfahrungen an Bauwerken wie Brücken, Dämmen, Windkraftanlagen und historischen Bauwerken eine Reihe von Dienstleistungen an. Unsere UAV-Broschüre stellt Projekte, Beispiele für Datenauswertungen und die Dienstleistungen unserer Firma dar: Download.

Unsere Drohnen sind mit Hochleistungskameras für die Aufnahme von Bildern sowie von Live HD-Videos für Inspektionszwecke ausgestattet. Dies ermöglicht eine schnelle, sichere und kosteneffiziente Erfassung von qualitativ hochwertigen Bilddaten, die wie nachfolgend gezeigt, für verschiedene Anwendungen in der Bildverarbeitung weiter verwendet werden können.

UAV und Kameras

Wir verwenden professionelle high-end Flugsysteme „Falcon 8“ der neuesten Generation des Herstellers Ascending Technologies (AscTec). Einige wichtige Kenndaten unserer Flugsysteme:

  • extrem windstabile Platform, auch bei stark böigem Wind
  • Autopilot AscTec Trinity
  • Flexibles Nutzlastkonzept zur Verwendung professioneller SLR Kameras mit verschiedenen Objektiven und Full-HD Videokameras
  • 360° Sichtfeld der Kamera
  • GPS- und Höhen-kontrollierter Flugmodus für Außen- und Inneneinsätze
  • Fortschrittliche Navigationsplanung mit AscTec Navigator für semi-autonome Befliegungen und die Datengenerierung an großen Bauwerken und von Geländeabschnitten

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Die Kameraausstattung umfasst Bild und HD-Video-Ausstattung:

  • Sony Alpha 7R (Systemkamera mit 35 mm Objektiv, 36 x 24 mm Vollformatsensor, 36 MP)
  • Sony Nex5 (Systemkamera mit verschiedenen Objektiven, 16,1 MP)
  • Sony Camcorder HDR-PJ810E (Full-HD Videokamera, 24 MP, 12x optischer Zoom)

Dienstleistungen

Im Rahmen vielfältiger Forschungs- und Anwendungsprojekte haben wir umfassende Erfahrungen mit der visuellen Inspektion von Bauwerken gesammelt und konnten dabei kontinuierlich den Umfang möglicher Anwendungen von UAVs in der Bauwerksdiagnostik erweitern. Heute bieten wir eine Reihe von Leistungen an, die eine maßgeschneiderte Dokumentation des Bauwerkszustandes sowie die Detektierung von Veränderungen ermöglichen. Einige der Anwendungen und Methoden der Datenaufnahme und -verarbeitung sind nachfolgend aufgeführt.

Unsere UAV-Broschüre stellt ebenfalls Projekte und die Dienstleistungen unserer Firma dar: Download

Dokumentation des Bauwerkszustandes und Schadensidentifikation

  • Außen- und Innenbefliegung von Bauwerken
  • Erzeugung von Übersichtsbildern und Detailbildern
  • Erstellung von Orthofotos (Zusammenführung von Einzelbildern zu großen detaillierten Komplettbildern des Bauwerks)
  • Foto- und Video-basierte Schadensidentifizierung, -analyse und -dokumentation

UAV-basierte Photogrammetrie

  • Außen- und Innen-Photogrammetrie
  • Photogrammetrische Bilderfassung zur Erstellung von Orthofotos für die Erstellung skalierter Ansichts- oder Lagepläne (Projekt- oder Sanierungsplanung etc.)
  • Hochaufgelöste ([mm] Genauigkeit) georeferenzierter 3D-Punktwolken
  • Hochaufgelöste ([mm] Genauigkeit) georeferenzierter vermaschte 3D-Modelle des Bauwerks und von Bauwerksteilen
  • Georeferenzierte Geländemodelle

Anwendungen in der Denkmalpflege

  • Berührungslose Diagnose und Schadensidentifikation von empfindlichen Strukturen
  • Hoch detaillierte Bild- und Videoanalyse von speziellen Bauwerksteilen, Skulpturen oder Verzierungen
  • Datenerfassung und -dokumentation für Sanierungs- und Restaurierungsplanung
  • Kontinuierliche Diagnose durch regelmäßige Datenerfassung (z.B. Überwachung von Rissen oder Deformationen)
  • Hoch aufgelöste ([mm] Genauigkeit) georeferenzierte 3D-Punktwolken und vermaschte 3D-Geländemodelle (z.B. archäologische Ausgrabungsstätten und historische Orte wie Burgen etc.)
  • Maßstabsgerechte 3D-Modelle von Bauwerksteilen, Skulpturen und Verzierungen

Baustellenüberwachung und Vermessung

  • Dokumentation des Baufortschritts
  • Bauleitung, Logistik und Sicherheit
  • 3D-Punktwolken und 3D-Modelle zur Beurteilung geometrischer Toleranzen

Datenerfassung für Stadt- und Raumplanung, Projektierung, Entwicklung und Vermarktung von Eigentum und Immobilien

  • Luftbilder (Übersicht- und Schrägaufnahmen, Draufsichten und Ansichten)
  • Videoaufnahmen (dynamische Flüge)
  • Panoramas
  • 360° Kugelpanoramas
  • Virtuelle Touren
  • 3D-Gelände- und 3D-Bauwerksmodelle

Videos

Die folgenden Videos, die im Rahmen der gemeinsamen Bearbeitung von Projekten mit der Firma Ascending Technologies (AscTec) erstellt wurden, geben einen Überblick über die moderne Bauwerksaufnahme mit UAV und Möglichkeiten der Datenauswertung.

Anna-Ebert-Brücke Magdeburg:

Schiefer Turm Bad Frankenhausen:

Dom zu Halberstadt:

Brücken und Windkraftanlagen:

Felssicherung:

Rappbodetalsperre: 

Burganlagen: 

Stützwand: 

Dom zu Magdeburg: 

Literatur

Folgende Dokumente geben einen Überblick über Forschungs-bezogene Aspekte unserer Arbeit mit UAV.

  • UAV-Broschüre GMTIB: Download
  • Abschlussbericht Projekt Zukunftbau: Unbemannte Fluggeräte zur Zustandsermittlung von Bauwerken (Download)
  • Morgenthal, G., Hallermann, N., Quality Assesment of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Based Visual Inspection of Structures Advances in Strucutural Engineering, Volume 17, 3 (2014), pp. 69-80 (Download)

Referenz #1: Schiefer Turm von Bad Frankenhausen

Leistungen

Aufgrund der extremen Schieflage des Turmes hat dieser eine besondere Bedeutung, baulich wie auch kulturell. Unter Anwendung der UAV-Technologie wurde eine Luftbild-basierte Zustandsermittlung des Bauwerks durchgeführt. Hochdetaillierte Bilder wurden zur visuellen Schadenermittlung sowie zur Erstellung eines georeferenzierten 3D-Modells des Turmes genutzt. Die Detailbilder ermöglichen die Identifizierung kleinster Schäden, wie Risse oder Abplatzungen. Über die 3D-Rekonstruktion können geometrische Kenndaten des Bauwerks ermittelt werden. Über wiederkehrende Aufnahmen des Turmes können durch den vergleich der 3D-Rekonstruktionen sogar geringste geometrische Veränderungen am Bauwerk erkannt und visualisiert werden.

Die Arbeiten umfassen:

  1. Vollständige Aufnahme der Bauwerksoberfläche mit 525 hochaufgelösten Bildern
  2. Detaillierte Zustandserfassung und -dokumentation von allen kritischen Bauwerksteilen
  3. Detaillierte hochaufgelöste Orthofotos von allen Ansichten
  4. 3D-Rekonstruktion: georeferenzierte 3D-Punktwolke mit 310 Mio. Punkten
  5. Digitales Höhenmodell
  6. Vermaschtes 3D-Modell mit 62 Mio Polygonen
  7. Skaliertes farbliches 3D-Modell gedruckt mit einem 3D-Drucker

Im Zuge der Aufbereitung, der mittels UAV am Schiefen Turm in Bad Frankenhausen generierten Bilddaten, wurde ein hochauflösendes 3D-Modell des Turmes erstellt. Dieses wird zur Visualisierung des Bauwerkszustandes sowie zur Ermittlung geometrischer Größen genutzt:

3D-Modell

Durch Anklicken des untenstehenden Bildes kann das 3D Modells interaktiv betrachtet werden. Die Auflösung wurde drastisch (auf ca. 1%) reduziert, um eine Online-Darstellung zu ermöglichen. Bitte warten Sie nach dem Anklicken das Laden des Modells ab. Durch Klicken/Scrollen mit der Maus ist ein Drehen/Zoomen möglich. Fullscreen view wird empfohlen.

Panorama

Aus Bildern der Stadt Bad Frankenhausen, die bei der Befliegung des Schiefen Turmes gemacht wurden, ist ein 360-Grad-Panorama erzeugt worden. Dies kann im folgenden Bild durch Mausbewegung angesehen werden.

Referenz #2: Stützwand

Große Stützwände aus Natursteinen werden entlang von Autobahnen und anderen Verkehrswegen als Dammbauwerke genutzt. Eine der größten Stützwände Deutschlands am Jagdbergtunnel der Autobahn 4 bei Jena wurde mit Hilfe von vollautomatisch generierten Luftbildern vollständig in ihrer Geometrie rekonstruiert. Die erforderlichen 280 Luftbilder wurden in weniger als 45 Minuten auf 4 vorprogrammierten Flugpfaden im Abstand von 35 m zur Stützwand aufgenommen. Aus diesen Bildern wurden für das ca. 650 m lange und fast 20 m hohe Stützbauwerk eine georeferenzierte 3D-Punktwolke mit ca. 1,9 Mrd. Punkten und ein 3D-Bauwerksmodell erstellt, welche zukünftig zur Überwachung des Bauwerkszustandes herangezogen werden können. Die sehr hohe Genauigkeit der 3D-Rekonstruktion ermöglicht über einen Punktwolkenvergleich eine sichere Detektierung aller geometrischen Veränderungen des Bauwerks, die größer als 7 mm sind.

Die Arbeiten umfassen:

  1. GPS-basierte Missions- und Flugplanung für die automatische Luftbildaufnahme des gesamten Bauwerks
  2. Datenerfassung ohne Beeinflussung des Verkehrs auf der angrenzenden Autobahn
  3. Erstellung einer georeferenzierten 3D-Punktwolke (unterstützt durch wenige tachymetrisch eingemessene Referenzpunkte am Bauwerk)
  4. Erstellung von hoch aufgelösten Orthofotos der Frontansicht
  5. Vermaschtes und farb getreues 3D-Model
  6. Datenspeicherung für zukünftige automatische Detektion von geometrischen Veränderungen (Deformationsmonitoring) durch wiederholte Befliegung (Studie erfolgreich durchgeführt)

Referenz #3: Anna-Ebert-Brücke

Im Zuge der Sanierungsplanung für die historische Anna-Ebert-Brücke in Magdeburg wurde in 2015 eine vollständige Aufnahme und Zustandsdokumentation des Bauwerkes auf Basis von Befliegungen mit UAV und photogrammetrischer Datenauswertung durchgeführt. Unsere Leistungen umfassten:

  1. Planung der teilautonomen Befliegungen
  2. Durchführung der Befliegungen und Datenaufbereitung
  3. Erstellung eines georeferenzierten hochauflösenden 3D-Modells der ganzen Brücke
  4. Erstellung von Orthofotos der Ansichten und der Draufsicht
  5. Erstellung steingenauer Bestandspläne der Brückenansichten als Basis der Schadensdokumentation und Sanierungsplanung
  6. Erstellung höchstauflösender 3D-Modelle aller Brückenverzierungen
  7. Erstellung von Dokumentations-Videos der Brücke

Referenz #4: Innenraumbefliegung und 3D-Modell Skulptur

Bei Innenraumbefliegungen des Halberstädter Doms wurden auch mehrere Skulpturen aufgenommen, die anderweitig kaum bzw. nur mit sehr großem technischen Aufwand zu inspizieren sind.

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Trotz sehr schwieriger Lichtverhältnisse ist es gelungen, aus den Bilddaten ein hochgenaues 3D-Modell einer Skulptur zu erstellen, das eine detaillierte Untersuchung des Zustandes erlaubt. Durch Anklicken des untenstehenden Bildes kann das Modell interaktiv betrachtet werden. Die Auflösung wurde drastisch (auf ca. 1%) reduziert, um eine Online-Darstellung zu ermöglichen. Bitte warten Sie nach Anklicken das Laden des Modells ab. Durch Klicken/Scrollen mit der Maus ist ein Drehen/Zoomen möglich. Fullscreen view wird empfohlen.