Datenerfassung für unterwegs

Wir bei Leica Geosystems haben uns verpflichtet, die  bestmögliche Vermessungstechnologie zu liefern und Veränderungen intelligent zu gestalten, indem wir mobile, agile und effiziente Produkte entwickeln - wie den Leica Pegasus:Backpack.

In der neuen Rubrik „Experten befragt“ erläutert Alessandro Nuzzo detailliert die Technologie, den Workflow und die möglichen Anwendungen der tragbaren  Kartierungslösung Pegasus:Backpack.

Was genau ist der Leica Pegasus:Backpack?

Der Pegasus:Backpack ist ein Messsystem, das wie ein Rucksack auf dem Rücken getragen wird und mit dem sich die Umgebung in kürzester Zeit hochgenau erfassen lässt. Der Anwender benötigt weniger Zeit für die Arbeit im Feld und durch die erhöhte Mobilität und Messgeschwindigkeit werden völlig neue Anwendungen  unterstützt.

Welche Technologien sind integriert?

Die Hauptelemente sind seine Navigationstechnologien. Wir unterscheiden zwischen Messungen im Freien und in Innenräumen.

Im Freien erlaubt ein Mehrfrequenz-GNSS-Empfänger die Nutzung sämtlicher weltweit verfügbaren GNSS- Satelliten zur Erzielung einer Positioniergenauigkeit auf einem hohen Sigma-Niveau. Außerdem er mit einem Inertialmesssystem (IMU) bestehend aus drei Gyroskopen und drei Beschleunigungssensoren ausgerüstet, das die Bewegungen während der Datenerfassung im Gehen ausgleicht.

Für Messungen in Innenräumen nutzen wir das IMU und den sogenannten LiDAR Simultaneous Localisation and Mapping  (SLAM)-Algorithmus. Während des Scan- und Kartierungsvorgangs erkennt der Algorithmus die Umgebung und errechnet auf der Grundlage von LiDAR-Messungen die Bewegungsbahn. Selbst in Bereichen ohne GNSS-Empfang liefert der Pegasus:Backpack  zuverlässige Berechnungen.
 
Darüber hinaus verfügt das System über zwei LiDAR- Sensoren zur Messung von 600.000 Punkten pro Sekunde und fünf automatische, hochdynamische Kameras mit Belichtungssteuerung und einer Auflösung von je vier Megapixeln. Das erlaubt die Extraktion von Elementen aus LiDAR-Daten bzw. die Durchführung von Messungen auf der Grundlage präziser Photogrammetriedaten. Alle Daten werden in einem integrierten Industrie-PC mit Mehrkernprozessor auf einer SSD mit einer Kapazität von einem Terabyte gespeichert, damit auch lange Messvorgänge problemlos aufgezeichnet werden können.

Das System wird über vier Akkus, die im laufenden Betrieb getauscht werden können, mit Energie versorgt. Dadurch lässt sich die Betriebsdauer von vier Stunden praktisch unbegrenzt verlängern. Die gesamte Technologie ist in einem ergonomisch geformten Gehäuse aus Carbonfaser untergebracht, das hohen Tragekomfort bietet.

Wie wurden Technologien anderer Unternehmen des Hexagon-Konzerns kombiniert?

Den Ausgangspunkt bildeten die Erfahrungen, die wir mit unserer mobilen Sensorplattform Pegasus:Two gesammelt hatten. Dabei haben wir gelernt, GNSS- und IMU-Daten zur Berechnung der Bewegungsbahn zu nutzen und LiDAR- und Bilddaten zu einem gemeinsamen Datenprodukt zu verschmelzen. Mit dem Pegasus:Backpack haben wir uns ein ambitioniertes Ziel gesetzt: Wir wollten das erste tragbare und für die Datenerfassung in Innenräumen taugliche Kartierungssystem für kommerzielle Anwendungen entwickeln.

Sehr geholfen hat uns dabei das Know-how von NovAtel. Gemeinsam haben wir die GNSS-/IMU-Berechnungen angepasst und die Hexagon SLAM-Lösung entwickelt. Unterschiedliche Teams innerhalb von Hexagon unterstützten uns mit ihrem Expertenwissen dabei, zu jedem Zeitpunkt im Entwicklungsprozess die richtigen Entscheidungen zu treffen.

Was genau macht den Pegasus:Backpack so besonders?

Das sind ganz klar seine wegweisenden Eigenschaften. Beginnend mit dem futuristischen Produktdesign über die Wahl von Carbonfaser zur Verringerung des Gewichts und Erhöhung der Ergonomie bis hin zur bereits beschriebenen integrierten Technologie ist der Pegasus:Backpack ein einzigartiges Datenerfassungstool für Anwender mit allerhöchsten Ansprüchen.

Durch die Kombination dieser unterschiedlichen Merkmale bildet der Pegasus:Backpack ein ungeheuer vielseitiges Hilfsmittel für Anwendungen drinnen und draußen, das den Benutzern zum einen Zeit spart und ihnen zum anderen ein Alleinstellungsmerkmal bietet, um sich von den Mitbewerbern am Markt abzuheben.

Wie sieht der Workflow (Datenerfassung und -auswertung, Extraktion von Informationen, Export in CAD-Formate) aus?

Für die Arbeit wird eine GNSS-Station im Umkreis von 15 Kilometern vom Ort der Messung oder Hexagon SmartNet-Abdeckung benötigt. Die Datenerfassung muss nicht durch ausgebildete Vermessungstechniker erfolgen. Der Bediener benötigt lediglich eine Schulung. Nach dem Einschalten des Systems verbindet der Anwender das mitgelieferte Tablet – das die Bedienoberfläche enthält – mittels WLAN oder LAN mit dem im Pegasus:Backpack integrierten PC, auf dem das Modul zur Datenerfassung installiert ist. Vor Beginn der Datenerfassung muss das System initialisiert werden – zuerst in Ruhe, anschließend durch einige Minuten Gehen. Sobald die Position bestimmt ist, beginnt der Anwender mit der Datenerfassung, die er über das Tablet steuert. Dort werden in Echtzeit Bilder, LiDAR-Einheiten und GNSS-Signalstärke angezeigt. Wenn alle benötigten Daten erfasst sind, bleibt der Anwender stehen und schließt den Vorgang ab.

Die Nachbearbeitung erfolgt großteils automatisiert. Durch Anstecken eines USB-Sticks am Pegasus:Backpack werden sämtliche Messdaten zur Weiterverarbeitung heruntergeladen. Der Bediener kann eine Vorauswahl der gewünschten Datenprodukte treffen und die Datenauswertung einleiten, wobei dieser Prozess keine weiteren Benutzereingriffe erfordert. Eine leistungsfähige Schnittstelle zum SLAM- Algorithmus ist unmittelbar in die Post-Processing- Software integriert. Sie erlaubt vor der Auswertung und Fertigstellung des Datensatzes die Visualisierung und – bei Bedarf – die Korrektur der SLAM-Navigation.

Alle branchenüblichen Dateiformate, wie LAS, PTS und E57, werden unterstützt und können exportiert werden. Abhängig von den zur Elementextraktion verwendeten Softwarelösungen generiert die Pegasus- Software-Suite native 3D-Punktwolken und Bilder für ESRI ArcMap oder Autodesk AutoCAD.

Für welche Anwendungen ist der Pegasus:Backpack geeignet?

Durch seine Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit bietet sich das System für eine Vielzahl von Anwendungen an: z. B. professionelle Gebäudedatenmodellierung (BIM), Vermessung, Infrastrukturerfassung, Instandhaltung unterirdischer Anlagen, Katastrophenhilfe, Sicherheit, aber auch eher Digital-Reality-orientierte Anwendungen wie Schulungen in der Industrie, Unfallsimulationen oder Stadtplanung.

Welches sind die bisher spannendsten Anwendungen, die dir untergekommen sind?

Da gibt es eine ganze Menge! Einer der im wahrsten Sinne des Wortes „coolsten“ Einsätze war, als wir im französischen Skigebiet Vars 3D-Daten für den Weltrekordversuch im Downhill-Mountain-Biking auf Schnee erfassten. Auf 3.000 Meter Meereshöhe, bei starkem Wind und Temperaturen um die null Grad Celsius, trug ein Skifahrer den Pegasus:Backpack auf dem Rücken und erfasste die notwendigen Daten zur Erstellung eines digitalen Geländemodells (DGM). Das DGM war Grundlage für das Präparieren einer Piste mit der Leica iCON Maschinensteuerung als Grundlage perfekte Voraussetzung für die Einstellung des Geschwindigkeitsweltrekords.

Ein weiteres faszinierendes Projekt war die Erfassung des Kanalisationssystems in Paris. Diese Umgebung stellte eine Herausforderung für Mensch und Ausrüstung gleichermaßen dar. Mit dem Pegasus:Backpack und dem optionalen Beleuchtungsmodul konnten wir Paris aus einer noch nie dagewesenen Perspektive zeigen, wobei die Stadt mit ihren Gebäuden und Straßen und die unterirdischen Kanalisationsanlagen in ein und demselben 3D-Datensatz enthalten sind! Das Beleuchtungsmodul sorgte für Bilder, die so scharf sind, dass man darauf sogar die Graffiti an den Wänden lesen kann. Noch nie wurden derart detaillierte Informationen georeferenziert oder in Katasterkarten dargestellt. Anhand der Bilddaten konnten Bereiche mit Instandhaltungsbedarf ermittelt werden, m den problemlosen Betrieb des Kanalisationsnetzes zu gewährleisten und unplanmäßige Ausfälle zu vermeiden.

Wie setzen die Kunden die erfassten Daten ein?

Der Pegasus:Backpack dient der raschen, präzisen Erfassung mehrschichtiger Datensätze an Orten, an denen herkömmliche Methoden aus Gründen der Machbarkeit, Zugänglichkeit oder des damit verbundenen finanziellen Aufwands an ihre Grenzen stoßen.

Mehrere Kunden nutzen die Daten zur Vermessung städtischer Gebiete – zum Beispiel wenn Stadtzentren für den öffentlichen und privaten Verkehr gesperrt und nur zu Fuß zugänglich sind. Eine ganz besondere Anwendung ist die Kartierung von städtischen Ballungszentren in Indien. Dabei geht es darum, eine detaillierte Katasterkarte von tausenden anonymen Hütten zu erstellen, um den Bewohnern eine Adresse und damit einen Namen und Würde zu verschaffen.

Energieversorger erfassen Hochspannungsleitungen zur Dokumentation ihrer Infrastruktur, zur Analyse des Durchhangs der Freileitungen zwischen zwei Strommasten und zur Abklärung, ob in der Nähe wachsende Bäume gekappt werden müssen, um einen ungestörten Netzbetrieb zu gewährleisten. Andere Kunden bevorzugen ihn bei der Arbeit in Innenräumen zur Erfassung kompletter Gebäude, um z. B. zu kontrollieren, dass der Bestand mit den Bauplänen übereinstimmt, oder die Nutzfläche der einzelnen Räume genau zu ermitteln.

Unlängst nutzte ihn der italienische Zivilschutz, um sich nach einem Erdbeben in Italien rasch einen Überblick über die entstandenen Schäden zu verschaffen und den Wiederaufbau der zerstörten Stadt bestmöglich zu planen.

Die mobilen Kartierungslösungen spielten kürzlich die Hauptrolle in der Sendereihe Italy’s Invisible Cities  der britischen BBC. Wie halfen der Leica Pegasus:Two und der Leica Pegasus:Backpack bei der Entschlüsselung der Geheimnisse dieser faszinierenden italienischen Städte?

Die Zusammenarbeit mit den erfahrenen Fernsehprofis bei diesem Projekt war ein Erlebnis. Die Benutzerfreundlichkeit,  Flexibilität, Geschwindigkeit und Qualität der mit beiden Instrumenten erfassten Daten kam uns dabei sehr zugute! Ähnlich wie in der Vermessung gilt auch beim Fernsehen: Zeit ist Geld.Als wir in Venedig mit dem Pegasus:Two auf einem Boot die Kanäle abfuhren, gelang es uns, in einem einzigen Messvorgang mehr als 10 Kilometer an 3D-Punktwolkendaten und tausende von Bildern zu erfassen. Die zu erfassenden Bereiche mussten nicht abgesperrt werden, und keine neugierigen Touristen konnten uns durchs Bild laufen – wir glitten auf unserem Boot mühelos unter Venedigs Brücken dahin und erstellten eine neue „Kanalansicht“ der Stadt aus einer Perspektive, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich gewesen wäre. Unsere völlige Unabhängigkeit, sowohl in Bezug auf das Fahrzeug als auch auf die Energieversorgung, bot einen enormen Mehrwert.

In Neapel, Florenz und Pisa stellten sich andere Herausforderungen. Wie in vielen historischen europäischen Städten sind die Stadtzentren dicht besiedelt und für den Verkehr gesperrt. Gleichzeitig stören hohe Gebäude das GNSS-Signal. In Neapel haben wir unterirdische Höhlen erfasst, und in Florenz und Pisa geschlossene Räume. Das zwölf Kilogramm leichte Gerät auf dem Rücken, erfassten wir binnen 15 Minuten die komplette Wendeltreppe mit 293 Stufen, die auf den schiefen Turm von Pisa führt.

Wie bereitet sich das Forschungs- und Entwicklungsteam im Fachbereich mobile Kartierung auf neue Branchentrends und die Integration neuer Technologien vor?