Luftbildbasierte Zustandsüberwachung Herausforderungen bei … · Building Information Modeling (BIM) – Digitale Methode „BIM im Bestand“ Dipl.-Ing. Norman Hallermann B a u

Luftbildbasierte Zustandsüberwachung

Herausforderungen bei der Integration von Bestandsdaten in BIM

Dipl.-Ing. Norman Hallermann

Bauhaus-Universität Weimar, Professur Modellierung und Simulation – Konstruktion

Dipl.-Ing. Norman HallermannB a u h a u s - U n i v e r s i t ä t W e i m a r

� � �BWK-Fortbildungs- und Diskussionsveranstaltung 2017, Magdeburg29. Juni 2017

Inhalt

• Einführung und Motivation

• Unbemannte Flugsysteme (UAS)

• UAS-basierte Zustandsüberwachung von Bauwerken

• UAS – BIM

• Zusammenfassung



Kurzvorstellung – Norman Hallermann

Beruflicher Werdegang

10/2002 – 04/2006 Diplomstudiengang Bauingenieurwesen und Umwelttechnik an der Universität der Bundeswehr München

05/2006 – 03/2009 Kompaniechef Pioniermaschinen- und Baukompanie in Holzminden

04/2009 – 06/2011 Infrastrukturoffizier im Infrastrukturstab Nord in Hannover

seit 07/2011 Wissenschaftlicher Mitarbeiter Bauhaus-Universität Weimar, Professur Modellierung und Simulation – Konstruktion

Bisherige Arbeiten

seit 2012 Umfangreiche UAS-basierte (manuell, automatisch) Datenerfassung an verschiedenen Bauwerken (Ingenieurbauwerke, historische Bauwerke)

05/2013 – 06/2015 Forschungsprojekt Zukunft Bau „Unbemannte Fluggeräte zur Zustandsermittlung von Bauwerken“ (SWD-10.08.18.7-13.05)

seit 11/2016 Forschergruppe „Digital Engineering für Planungs- und Revitalisierungsprozesse von Stadtquartieren“ (2016 FGR 0026)



Einführung und Motivation

Building Information Modeling (BIM) – Digitale Methode

„BIM im Bestand“



Einführung und Motivation

Ziel: Sicherstellung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit



Zustandserfassung und Überwachung von Ingenieurbauwerken (DIN 1076)

• Visuelle, handnahe Prüfung

• Größe und Zugänglichkeit des Bauwerks

• Spezielle Zugangstechnik

• Einsatzrisiken

• Nutzungseinschränkungen

• Logistischer-, zeitlicher-, personeller Aufwand

• Subjektive Bewertung der Schäden

• Unzureichende, lückenhafte Dokumentation

(Luft)Bildbasierte Zustandserfassung

Qualität Effizienz

Einführung und Motivation UAS-basierter Bauwerksaufnahme



Flugsystem: V-Form OctocopterFlugzeit: 12 - 22 Min.Windstabilität: bis 15 m/sNutzlast: 850gMax. Fluggewicht: 2,3 kgKamerahalterung: aktiv stabilisierend

Kamera: Sony Alpha 7Rspiegellose Systemkamera (DSLM)

Sensor: CMOS Vollformat (36 � 24 mm)Auflösung: 7360 � 4912 Pixel (36,4 MP)Pixelgröße: 4,89 � 4,89 �mBrennweite: 35 mmKalibrierung: ohne, konstant

Unbemannte Flugsysteme (UAS)



Sony Alpha 7R(36 MP, Vollformat)

Sony Camcorder PJ810E (Full HD Video)

FLIR TAU 2 640 withPanasonic Lumix TZ61 orSony Camcorder PJ810E

(AscTec IR Raw Data Logger)

Weitere Nutzlasten: Sony Alpha 6000, Sigma DP1 Merrill, 46 MP, RGB Schichten, FOVEON X3

Tetracam ADC Micro, 3,2 MP CMOS Sensor, multispektral (520–920 nm)

Flugsystem AscTec Falcon 8 – Nutzlastkonzept

Unbemannte Flugsysteme (UAS)


� �BWK-Fortbildungs- und Diskussionsveranstaltung 2017, Magdeburg29. Juni 2017

Mehr Informationen: https://www.youtube.com/watch?v=u_oBNH8Olz8

Luftbildbasierte visuelle Zustandsermittlung

UAS-basierte Zustandsüberwachung von Bauwerken



Luftbildbasierte visuelle Zustandsermittlung – Manuelle Datenerfassung




Schaden (Riss, Abplatzung, Verformung)... ?

…Erkennen ?

…Lokalisieren ?

…Messen ?

…Dokumentieren ?


Luftbildbasierte visuelle Zustandsermittlung



Bild(hoch aufgelöst, geo- und zeitlich referenziert)

Kamera UAS

Automatisierte Datenerfassung

Computer Vision Virtual Reality

Automatisierte Schadens…(Riss, Verformung, Abplatzung, Verfärbung)

… Erkennung, Lokalisierung, Vermessung

Dokumentation

Automatisierte (Luft)Bildbasierte Zustandserfassung




Luftbildbasierte visuelle Zustandsermittlung – Deformationsmonitoring

UAS-basierte Zustandsüberwachung von Bauwerken – Anwendungsbeispiele



• Konventionelle Überwachung/ Prüfung

� visuell basiert (Prüfingenieur)

• Sehr kleine Veränderungen/ Verschiebungen über lange Zeit

� kleine lokale oder globale Deformationen bleiben oft unentdeckt

� konventionelle Messung mit Tachymeter

• Messpunktbasierte Überwachung extrem zeitaufwendig

� sehr hohe Kosten, längere Inspektionsintervalle

Luftbildbasierte visuelle Zustandsermittlung – Deformationsmonitoring




Automatisierte Aufnahme auf vorgeplanten GPS-Flugrouten




• Stereoskopische Bildauswertung überlappender Bilder

• Structure-from-Motion (SfM), Bündelausgleich, Stereo Image Matching

• 3D-Modellierung und Texturierung der Oberfläche (Originalbilder)

Photogrammetrische Auswertung




• Kamera: Sony Alpha 7R (36MP, Vollformat)

• Luftbilder: 280 (4 Streifen mit je 70 Bildern)

• Aufnahmezeit: 40 Minuten

• Messpunkte: > 1,87 Mrd. !!

• Auflösung am Objekt: ~ 1,6 mm/Pixel

• Positionsgenauigkeit: � 1,0 mm / � 6,0 mm

Ziel: 54 Bilder, Sony Alpha7R 55mm,Distanz ca. 60m (außerhalb der Fahrbahn + Sicherheitsabstand), Aufnahme mit AscTec Trinity Autopilot, Verformungsdetektion < 10 mm.

� Aufnahmezeit 5 Minuten !!!

Vollständige Aufnahme der Stützwand




• Change Detection mit farbcodierten Punktwolkenvergleichen

Automatische Detektion von Veränderungen




Mehr Informationen: https://www.youtube.com/watch?v=u_oBNH8Olz8


Luftbildbasierte visuelle Zustandsermittlung – Schadenserfassung


� �� BWK-Fortbildungs- und Diskussionsveranstaltung 2017, Magdeburg29. Juni 2017




UAS-basiertes Monitoring: Erfassung komplexer Bauwerksgeometrien


3D-Rekonstruktion Brückenpfeiler

3D-Punktwolke: ~ 100 Mio. Pkte. Aufnahmeabstand: 4,5 mPunktdichte: 17 Punkte/cm² Anzahl Bilder: ca. 1250Genauigkeit: ~ 1,7 mm Bildauflösung: 0,6 mm/Pixel

Ca. 30m




UAS-basiertes Monitoring: Erfassung komplexer Bauwerksgeometrien



UAS und BIM ????

UAS – BIM

• Entwurfsphase

� Bestandsdatenerfassung

• Konstruktionsphase

� Baufortschrittsanalyse

• Nutzungsphase

� Zustandserfassung



UAS – BIM

Bestandsdatenerfassung

• Georeferenzierte Gelände- und Bauwerksmodelle

• Grundlage für Simulationen (Variantenuntersuchungen, Verkehr, Baustellenlogistik, Sonnenstand, Hochwasser)

• Visualisierung in VR-Umgebungen



UAS – BIM

Bestandsdatenerfassung



FORSCHERGRUPPE

Digital Engineering fürPlanungs- und Revitalisierungsprozesse

von Stadtquartierenhttps://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/forschung-und-kunst/forschergruppe/

UAS – BIM

Nutzungsphase



UAS – BIM

Anspruch: Unterstützung von Bewertungs-, Planungs- und Entscheidungsprozessen in Bauwesen, Städtebau und Raumplanung mit Hilfe digitaler Methoden der Bauwerkserfassung, Datenauswertung und -visualisierung



UAS – BIM

Bestandsdatenerfassung und -bewertung, Überführung und Integration in BIM



UAS – BIM




UAS – BIM




UAS – BIM




VergangeneBeurteilungen/Bewertungen

Sensordaten

IFC-basierter Datensatz

BilddatenBauwerks-geometrie

UAS – BIM

Integration von Bestands- und Monitoringdaten in BIM



• UAS-gestützte automatisierte IST-Aufnahme des Schulgeländes

• 3D-Modellierung (grob) des Geländes und der Bauwerke für die Flugroutenplanung

• UAS-gestützte automatisierte Detailaufnahme der Bauwerke

• 3D-Modellierung (fein) der Bauwerkshüllen und Erstellung eines „BIM-Modells“

• Thermografieaufnahme zur energetischen Bewertung und Simulation

• Installation von Sensornetzen zur Erfassung physikalischer Kennwerte (Temperaturen)

• Automatische Schadenserfassung an der Bauwerksoberfläche

• Visualisierung der Ergebnisse in Virtuellen Umgebungen

Was ist geplant und (zukünftig) möglich?

UAS – BIM



UAS – BIM

Rekonstruktion von Gebäudegeometrien aus Bilddaten



Mehrskalen-Ansatz: „Vom Groben ins Kleine“

1. GPS-Wegpunkt-basierte Befliegung

2. Analyse / Optimierung / Ausdünnen der Bilddaten � Erstes 3D Übersichtsmodell

UAS – BIM



UAS – BIM



Automatische Erkennung und Verortung von Schäden

• Große Datenmengen

• Objekt + Hintergrund

• Variierende Aufnahmebedingungen und Objekte/Oberflächen

UAS – BIM



Automatische Erkennung und Verortung von Schäden

UAS – BIM



Position der Kamera durch Rekonstruktion bekannt

• Verortung direkt möglich

• direktes Messen im 3D-ModellPosition?

Maßstab?

UAS – BIM



Luftbild-Thermografie – Energetische Bewertung (Einzelbauwerk und Quartier)

UAS – BIM



Referenzbauwerk – „Schule an der Hart“: erste Arbeiten



• UAS Sensorplattform

• Mobil, extrem windstabil, sicher und effizient einsetzbar

• Automatische Aufnahme großer Flächen und schwer zugänglicher Stellen

• Reproduzierbar und extrem windstabil

Datenerfassung

Zusammenfassung

• 2D-Bilddaten

• Photogrammetrische Aufnahmen, georeferenziert, Zeitstempel

• Hochaufgelöste Bilder zur Schadenerkennung und -messung

• 3D-Objektdaten

• Vollautomatische Rekonstruktion von hochaufgelösten Punktwolken und dichten 3D-Oberflächen

• Gigapixel-Orthophotos zur Erstellung von 2D-Bildplänen für die Schadenskartierung

Datenauswertung

Datenmengen und -schnittstellen• Integration und Verwaltung von Bestandsdaten in BIM

• Konsistente Datenspeicherung



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Documents

Luftbildbasierte Zustandsüberwachung Herausforderungen bei … · Building Information Modeling (BIM) – Digitale Methode „BIM im Bestand“ Dipl.-Ing. Norman Hallermann B a u