Vermessung mit dem Smartphone: Neue Erkenntnisse aus der Praxis

Wie Smartphone-Vermessung Prozesse effizienter macht

Hallo Ludwig, du hast 2023 deine Bachelorarbeit über Smartphone-Vermessung geschrieben. Was hat dein Interesse an dieser digitalen Vermessungsmethode geweckt?

Ich brauchte ein Thema für die Bachelorarbeit. Mir war klar, dass ich an etwas Innovativem forschen und etwas Handfestes untersuchen wollte, das mir den Alltag in der Leitungsdokumentation erleichtert. Auf die AR-Vermessung (Augmented Reality) wurde ich von meinen Vorgesetzten hingewiesen, die damals auch den Kontakt zum Softwareentwickler Vaira hergestellt haben.

Was hat sich im Vergleich zu 2023 inzwischen verändert?

Mittlerweile gibt es die Möglichkeit, mit einem Smartphone über LiDAR auch dichte Punktwolken zu erfassen. LiDAR steht für Light Detection and Ranging und ist eine ferngesteuerte Sensortechnologie, die Laserimpulse nutzt, um präzise 3D-Strukturen und Abstände in Echtzeit zu messen. Das eröffnet uns neue Möglichkeiten.

Mobile Laserscanner vs. Smartphone mit LiDAR: Welche Vor- und Nachteile bieten die beiden Lösungen in der Vermessungspraxis?

Beginnen wir mal mit der großen Gemeinsamkeit: Beide Instrumente sind in der Lage, Punktwolken zu generieren und sich über SLAM-Algorithmen live in diesen zu positionieren. In beiden Fällen handelt es sich erstmal um lokale Aufnahmen, welche über weitere Geräte georeferenziert werden können. Beim Smartphone besteht die Möglichkeit, einen RTK-Aufsatz zur globalen Echtzeitpositionierung während des Scans zu integrieren. RTK steht für Real-Time Kinematic positioning, also Echtzeitkinematik. Zumindest unsere Laserscanner beziehen ihre globalen Koordinaten hingegen über Festpunkte, welche ihre Position über globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) und Tachymeter erhalten.

Die Vorteile des Smartphones liegen in dessen Einfachheit: Verhältnismäßig kostengünstig, leichte Handhabung, sofortiges Messen ohne Aufbau, schnelle Verständlichkeit. Diese Einfachheit birgt allerdings auch Nachteile: Geringere Präzision (Dezimeter), höhere Fehleranfälligkeit und auch Probleme mit spiegelnden Oberflächen haben sich bemerkbar gemacht.

Mobile Laserscanner wirken gegenüber Smartphones wie LKWs gegenüber Fahrrädern. Der Vergleich bezieht sich nicht nur auf den Größenunterschied, sondern auch auf den Preis, etwaige Wartungsarbeiten und das mitzubringende Know-how. Dafür kann man bedeutend größere Projekte angehen und bei richtiger Anwendung erhält man auch Punktwolken mit einer inneren Genauigkeit im Millimeterbereich.

Die Wahl der richtigen Messmethodik liegt wie immer in der geplanten Anwendung. Ich würde das Smartphone bevorzugen, wenn es darum geht, innerhalb von Minuten ein kleines Ergebnis zu generieren. Beispielsweise könnte es zur stichprobenartigen Kontrolle eines Lageplanes oder zur umfassenden Beweissicherung an einem Bauteil dienen. Wir versuchen, die Technologie in der Hausanschlussaufnahme einzusetzen, wo wir geringe Genauigkeitsanforderungen und kleine Aufnahmegebiete, allerdings auch geringe Budgets haben. Der Laserscan lohnt sich, sobald es etwas genauer werden soll oder darum geht, große Areale aufzunehmen.

Welche praktischen Vorteile bietet der Scan mit dem Smartphone für die Weiterverarbeitung der Daten in CAD oder GIS?

Es hat uns positiv überrascht, dass die Punktwolken verhältnismäßig leicht handelbar sind. Aus der Vaira-Umgebung, in welcher wir uns versucht haben, ließen sich die originale Punktwolke und ein daraus abgeleitetes Oberflächenmodell exportieren. Als Folge der kleinen Aufnahmen haben beide eine umgängliche Speichergröße und ließen sich somit zügig in unsere Messprogramme einladen.

Gegenüber der konventionellen Vermessung ist der große Vorteil von Laserscans die allumfassende Aufnahme. Bei der Bearbeitung der Messdaten schaut man nicht mehr auf einzelne Punkte und Linien, sondern auf eine gesamte Umgebung. Es fällt bedeutend leichter, die Daten zu interpretieren. Lediglich Sachdaten wie z.B. Muffen- und Kabeltypen müssen weiterhin als Text mitgegeben werden.

Wir erhoffen uns den Wegfall von bislang notwendigen Vorauswertungen durch den vermessungstechnischen Außendienst, wenn wir die Technologie einsetzen. Das Konzept muss jedoch noch erprobt und optimiert werden.

Welche Risiken oder Einschränkungen bestehen bei der digitalen Vermessung mit dem Smartphone?

Es braucht durchaus ein gewisses Grundverständnis, um eine saubere Messung zu realisieren. Man muss sich der Sensibilität der Sensoren bewusst sein, sollte dementsprechend Erschütterungen des Gerätes während der Aufnahme vermeiden und sich der Fehlerpotenziale bewusst sein. So ist eine Aufnahme von reflektierenden Oberflächen zum Beispiel nicht zu empfehlen.

Ein weiterer Knackpunkt ist, dass es Probleme bei größeren Aufnahmen geben könnte. So ist die Akkuleistung begrenzt und auch der Speicher könnte beim Scannen an seine Grenzen stoßen.

Bezüglich der Interpretation der Punktwolken wird es mit dem Aufkommen dieser Technologie auch umso wichtiger, auf die Güte der Punktwolke zu verweisen. Wer ein beeindruckendes Gesamtbild sieht und denkt, dass dahinter auch eine Genauigkeit von wenigen Millimetern steht, könnte in die Irre geführt werden. Denn in Wahrheit ist mit Abweichungen im Zentimeterbereich zu rechnen.

Früher wurde die Smartphone-Vermessung hauptsächlich für Hausanschlüsse oder Netzdokumentation genutzt. Welche neuen Anwendungsbereiche eröffnen sich jetzt?

Unser Hauptaugenmerk liegt weiterhin auf der Anwendung in der Leitungsdokumentation. Der Fantasie möchte ich jedoch keine Grenzen setzen. Dank der Scanfunktion bieten sich Einsatzmöglichkeiten jetzt überall, wo es um eine detaillierte Aufnahme kleiner Objekte geht.

Als Beispiel fallen mir Entwässerungspumpen in Kläranlagen ein. Es gibt viele verschiedene Modelle, die sich stellenweise nur minimal unterscheiden. Zudem erfährt jede Pumpe im Verlaufe ihres Lebens individuelle Verformungen. Hier würde sich ein Scan um die einzelne Pumpe anbieten. Anschließend nimmt man die nächstgelegenen Wände mit in den Scan auf, weil man vielleicht überprüfen möchte, ob noch eine Wasserleitung zwischen Pumpe und Wand Platz hätte oder ob alle Sicherheitsabstände eingehalten wurden. Das Prinzip lässt sich bestimmt auf viele Situationen übertragen. 

In welchen Fällen ist eine aufwändigere Vermessung weiterhin unverzichtbar?

Überall, wo Millimeterarbeit gefordert ist, wird man umfangreichere Arbeiten nicht umgehen können. Auch beim Scannen großer Objekte würde ich nach jetzigem Stand vom Smartphone abraten.

Um bei meinem Beispiel aus der vorigen Frage zu bleiben: Das Klärwerk selbst – also wenn es um das gesamte Gelände geht – würde ich wieder mit einem unserer Laserscanner aufnehmen.

Welche Funktionen haben sich noch verbessert und wie verändern diese Tools die Messungen im Gelände oder im Innenraum?

Eine Funktion, die beim letzten Mal noch in den sprichwörtlichen Kinderschuhen steckte und sich nun entwickelt, ist die Möglichkeit, das Smartphone mit einem RTK-Aufsatz zu koppeln. Dies ermöglicht uns Aufnahmen über weitere Bereiche, selbst wenn das Gelände für den SLAM-Algorithmus keine Anhaltspunkte liefern sollte. Dadurch lassen sich bei bestehender Satellitenverbindung auch über längere Strecken ausreichende Genauigkeiten erzielen. Die Telekom setzt beispielsweise bei der Dokumentation ihrer Glasfaserleitungen stark auf diese Methodik.

In der App gibt es mittlerweile auch die Möglichkeit, Hintergrundkarten einblenden und mit der Messung exportieren zu lassen. Diese Funktion empfehle ich jedoch eher bei der Aufnahme diskreter Einzelpunkte im Feld, um Betrachtern eine Einordnung in die Umgebung zu ermöglichen. Unter den dichten Punktwolken eines Scans ist diese Karte nicht mehr sichtbar.

Die Möglichkeit, Punktwolken zu generieren ist tatsächlich die größte Neuerung. Darum betrachten wir nicht nur Leitungsaufnahmen, sondern untersuchen auch Möglichkeiten an anderen Objekten. Mit einer vollendeten Scanfunktion hat man mit dem Smartphone plötzlich GNSS, Tachymeter und Laserscanner in einem. Trotz aller Einschränkungen ist das beeindruckend.

Wie wichtig sind globale Koordinaten für die Genauigkeit moderner Smartphone-Vermessung?

Das kann schon einen Unterschied machen. Überall wo eine ausreichende Verbindung besteht, werden die globalen Koordinaten zur Positionierung gegenüber den SLAM-Daten bevorzugt. Dadurch ist die Genauigkeit nicht mehr abhängig von der Gebietsausdehnung der Aufnahme. Bricht die Verbindung ab, arbeitet nur noch der SLAM-Algorithmus. Es geht also auch ohne, aber von da an läuft man Gefahr, mit jedem Meter Strecke auch größere Ungenauigkeiten in seine Aufnahme zu bringen.

Welche neuen Entwicklungen und Trends erwartet ihr in den nächsten Jahren im Bereich (Smartphone-)Vermessung?

Wir gehen davon aus, dass sich das Smartphone auch in unserem Fachgebiet weiter etablieren wird. Es findet bereits jetzt Anwendung in verschiedenen Bereichen. Eine weitere Verbesserung der Softwareperformance ist wünschenswert – das hängt manchmal noch ein wenig.

Wenn das Smartphone andere Messgeräte endgültig abschaffen soll, wird es hardwaretechnisch zu weiteren Entwicklungen kommen, um geforderte Genauigkeiten einhalten zu können. Obwohl es sich hierbei um eine Bedürfnisnische handelt, könnte sich der dahingehende Markt weiterentwickeln. Privat leisten sich die wenigsten Menschen einen LiDAR-Sensor im Handy, bei der vermessungstechnischen Anwendung scheint er mir (im Sinne der Brauchbarkeit der Ergebnisse) sogar essenziell. Die bisherigen Geräte, die die notwendige Hardware mitbringen, sind entsprechend selten. Wir lassen uns überraschen.

Vielen Dank für die interessanten Einblicke!