Entwicklung eines Verfahrens für die Koregistrierung von Bildverbänden und Punktwolken mit digitalen Bauwerksmodellen

Aufgrund der weiter fortschreitenden Digitalisierung verändern sich die seit langer Zeit etablierten Prozesse im Bauwesen. Dies zeigt sich zum Beispiel in der stetig steigenden Bedeutung des Building Information Modelings (BIM). Eine der wesentlichen Grundideen von BIM besteht darin, das zentrale Modell über den gesamten Lebenszyklus des Bauwerks zu verwenden. Das digitale Bauwerksmodell stellt somit eine der zentralen Komponenten der BIM-Methode dar. Neben den rein geometrischen Ausprägungen des Bauwerks werden im Modell auch eine Vielzahl an semantischen Informationen vorgehalten. Da insbesondere bei größeren Bauwerken ein fortlaufender Veränderungsprozess stattfindet, muss das Modell entsprechend aktualisiert werden, um dem tatsächlichen Istzustand zu entsprechen. Diese Aktualisierung betrifft nicht nur Veränderungen in der Geometrie, sondern auch in den verknüpften Sachdaten. Bezüglich der Aktualisierung des Modells kann die Photogrammetrie mit ihren modernen Messverfahren wie zum Beispiel Structure-from-Motion (SfM) und daraus abgeleiteten Punktwolken einen wesentlichen Beitrag zur Datenerfassung des aktuellen Zustands leisten. Für die erfolgreiche Verknüpfung des photogrammetrisch erfassten Istzustands mit dem durch das Modell definierten Sollzustand müssen beide Datentöpfe in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen. In der Regel werden zur Registrierung photogrammetrischer Produkte im Bauwerkskoordinatensystem definierte Passpunkte verwendet. Der Registrierprozess über Passpunkte ist jedoch mit einem erheblichen manuellen Aufwand verbunden. Um den Aufwand der Registrierung möglichst gering zu halten, wurde daher in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt, das es ermöglicht, kleinräumige Bildverbände und Punktwolken automatisiert mit einem digitalen Bauwerksmodell zu koregistrieren. Das Verfahren nutzt dabei geometrische Beziehungen zwischen aus den Bildern extrahierten 3D-Liniensegmenten und Begrenzungsflächen, die aus dem digitalen Bauwerksmodell gewonnen werden. Die aufgenommenen Bilder des Objektes dienen zu Beginn als Grundlage für die Extraktion von zweidimensionalen Linienstrukturen. Auf Basis eines über SfM durchgeführten Orientierungsprozesses können diese zweidimensionalen Kanten zu einer Rekonstruktion in Form von 3D-Liniensegmenten weiterverarbeitet werden. Die weiterhin benötigten Begrenzungsflächen werden aus einem mit Hilfe der Industry Foundation Classes (IFC) definierten BIM-Modell gewonnen. Das entwickelte Verfahren nutzt dabei auch die von IFC bereitgestellten Möglichkeiten der räumlichen Aggregationshierarchien. Im Zentrum des neuen Koregistrieransatzes stehen zwei große Komponenten. Dies ist einerseits der mittels eines Gauß-Helmert-Modells umgesetze Ausgleichungsvorgang zur Transformationsparameterbestimmung und andererseits der im Vorfeld der Ausgleichung angewandten Matching-Algorithmus zur automatischen Erstellung von Korrespondenzen zwischen den 3D-Liniensegmenten und den Begrenzungsflächen. Die so gebildeten Linien-Ebenen-Paare dienen dann als Beobachtung im Ausgleichungsprozess. Da während der Parameterschätzung eine durchgängige Betrachtung der stochastischen Informationen der Beobachtungen erfolgt, ist am Ende des Registrierprozesses eine Qualitätsaussage zu den berechneten Transformationsparametern möglich. Die Validierung des entwickelten Verfahrens erfolgt an zwei Datensätzen. Der Datensatz M24 diente dabei zum Nachweis der Funktionsfähigkeit unter Laborbedingungen. Über den Datensatz Eibenstock konnte zudem nachgewiesen werden, dass das Verfahren auch in praxisnahen Umgebungen auf einer realen Baustelle zum Einsatz kommen kann. Für beide Fälle konnte eine gute Registriergenauigkeit im Bereich weniger Zentimeter nachgewiesen werden.:Kurzfassung 3 Abstract 4 1. Einleitung 7 1.1. Photogrammetrie und BIM 7 1.2. Anwendungsbezug und Problemstellung 7 1.3. Zielsetzung und Forschungsfragen 9 1.4. Aufbau der Arbeit 10 2. Grundlagen 12 2.1. Photogrammetrie 12 2.1.1. Structure-from-Motion (SfM) 12 2.1.2. Räumliche Ähnlichkeitstransformation 14 2.2. Building Information Modeling (BIM) 16 2.2.1. Besonderheiten der geometrisch / topologischen Modellierung 18 2.2.2. Industry Foundation Classes (IFC) 19 2.3. Parameterschätzung und Statistik 21 2.3.1. Nicht lineares Gauß-Helmert-Modell mit Restriktionen 21 2.3.2. Random Sample Consensus (RANSAC) 23 2.3.3. Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN) 24 3. Stand der Forschung 26 4. Automatische Koregistrierung von Bildverbänden 30 4.1. Überblick 30 4.2. Relative Orientierung des Bildverbandes und Extraktion der 3D-Liniensegmente 33 4.2.1. Line3D++ 33 4.2.2. Stochastische Informationen der 3D-Liniensegmente 36 4.3. Ebenenextraktion aus dem digitalen Gebäudemodell 37 4.4. Linien-Ebenen-Matching 42 4.4.1. Aufstellen von Ebenenhypothesen 42 4.4.2. Analyse und Clustern der Normalenvektorhypothesen 43 4.4.3. Erstellung von Minimalkonfigurationen 44 4.5. Berechnung von Näherungswerten für die Transformationsparameter 46 4.6. Implementiertes Ausgleichungsmodell 49 4.6.1. Funktionales Modell 49 4.6.2. Stochastisches Modell 50 4.7. Entscheidungskriterien der kombinatorischen Auswertung 51 5. Validierung der Methoden 56 5.1. Messung Seminarraum M24 HTW Dresden 56 5.1.1. Untersuchung des Einfluss der SfM2BIM -Programmparameter 59 5.1.2. Ergebnisse der Validierung 64 5.2. Messung LTV Eibenstock 71 6. Diskussion der Ergebnisse 81 6.1. Bewertung der erzielten Genauigkeit 81 6.2. Bewertung der Automatisierbarkeit 82 6.3. Bewertung der praktischen Anwendbarkeit 83 6.4. Beantwortung der Forschungsfragen 85 7. Zusammenfassung und Ausblick 88 Literaturverzeichnis 90 Abbildungsverzeichnis 94 Tabellenverzeichnis 96 A. Anhang 97 A.1. Systemarchitektur SfM2BIM 97 A.2. Untersuchung SfM2BIM Parameter 97Due to the ongoing digitalization, traditional and well-established processes in the construction industry face lasting transformations. The rising significance of Building Information Modeling (BIM) can be seen as an example for this development. One of the core principles of BIM is the usage of the model throughout the entire life cycle of the building. Therefore, the digital twin can be regarded as one of the central components of the BIM method. Besides of the pure geometry of the building the corresponding model also contains a huge amount of semantic data. Especially in large building complexes constant changes are taking place. Consequently, the model also has to be updated regularly in order to reflect the actual state. These actualizations include both changes in geometry and in the linked technical data. Photogrammetry with its modern measuring and reconstruction techniques like structure from motion can help to facilitate this update process. In order to establish a link between the photogrammetric recorded present state and the nominal state specified by the building model both datasets have to be available in a common reference frame. Usually ground control points are used for registering the photogrammetric results with the building coordinate system. However, using ground control points results in a very labor-intensive registration process. In order to keep the required effort as low as possible this work proposes a novel concept to automatically co-register local image blocks with a digital building model. The procedure makes use of geometric relationships between 3D-linesegments that get extracted from the input images and bounding surfaces that are derived from the building model. At first the captured images are used to extract two-dimensional line patterns. These edges get further processed to 3D line segments based on an orientation estimation using structure from motion. The additionally required bounding surfaces are derived from a building model defined by the Industry Foundation Classes (IFC). The spatial aggregation structures defined in the IFC are used for alleviating the procedure. Two big components form the core piece of the novel approach. On the one hand this is the adjustment calculation for the estimation of transformation parameters using a full Gauß-Helmert-Model and the developed matching algorithm for establishing line-plane-correspondences on the other hand. The so formed correspondences serve as the observation for the adjustment process. During the parameter estimation stochastic information of the observations is completely considered. Therefore, quality predictions can be made upon completion of the registration process. The validation of the developed was conducted using two datasets. The dataset M24 served as primary validation source since the results of the algorithm could be checked under laboratory conditions and compared with results obtained by ground control points. By examine the Eibenstock dataset it could be demonstrated that the procedure also works in practical conditions on a real construction site. For both cases the registration accuracy averages to a few centimeters.:Kurzfassung 3 Abstract 4 1. Einleitung 7 1.1. Photogrammetrie und BIM 7 1.2. Anwendungsbezug und Problemstellung 7 1.3. Zielsetzung und Forschungsfragen 9 1.4. Aufbau der Arbeit 10 2. Grundlagen 12 2.1. Photogrammetrie 12 2.1.1. Structure-from-Motion (SfM) 12 2.1.2. Räumliche Ähnlichkeitstransformation 14 2.2. Building Information Modeling (BIM) 16 2.2.1. Besonderheiten der geometrisch / topologischen Modellierung 18 2.2.2. Industry Foundation Classes (IFC) 19 2.3. Parameterschätzung und Statistik 21 2.3.1. Nicht lineares Gauß-Helmert-Modell mit Restriktionen 21 2.3.2. Random Sample Consensus (RANSAC) 23 2.3.3. Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN) 24 3. Stand der Forschung 26 4. Automatische Koregistrierung von Bildverbänden 30 4.1. Überblick 30 4.2. Relative Orientierung des Bildverbandes und Extraktion der 3D-Liniensegmente 33 4.2.1. Line3D++ 33 4.2.2. Stochastische Informationen der 3D-Liniensegmente 36 4.3. Ebenenextraktion aus dem digitalen Gebäudemodell 37 4.4. Linien-Ebenen-Matching 42 4.4.1. Aufstellen von Ebenenhypothesen 42 4.4.2. Analyse und Clustern der Normalenvektorhypothesen 43 4.4.3. Erstellung von Minimalkonfigurationen 44 4.5. Berechnung von Näherungswerten für die Transformationsparameter 46 4.6. Implementiertes Ausgleichungsmodell 49 4.6.1. Funktionales Modell 49 4.6.2. Stochastisches Modell 50 4.7. Entscheidungskriterien der kombinatorischen Auswertung 51 5. Validierung der Methoden 56 5.1. Messung Seminarraum M24 HTW Dresden 56 5.1.1. Untersuchung des Einfluss der SfM2BIM -Programmparameter 59 5.1.2. Ergebnisse der Validierung 64 5.2. Messung LTV Eibenstock 71 6. Diskussion der Ergebnisse 81 6.1. Bewertung der erzielten Genauigkeit 81 6.2. Bewertung der Automatisierbarkeit 82 6.3. Bewertung der praktischen Anwendbarkeit 83 6.4. Beantwortung der Forschungsfragen 85 7. Zusammenfassung und Ausblick 88 Literaturverzeichnis 90 Abbildungsverzeichnis 94 Tabellenverzeichnis 96 A. Anhang 97 A.1. Systemarchitektur SfM2BIM 97 A.2. Untersuchung SfM2BIM Parameter 9