Keine Limits für Punktwolken
Das Potsdamer Start Up Point Cloud Technology ermöglicht die Echtzeit-Nutzung von 3D-Punktwolken via Standard-Browser im Internet.
3D-Punktwolken zählen zu den wichtigsten Neuerungen der Vermessungstechnik der letzten zehn Jahre. Die dreidimensionalen Messpunkte stellen ein digitales Abbild von Objekten, Bauwerken, Städten oder Ländern dar und besitzen eine bisher unerreichte Informationstiefe. Zudem machen es neue Sensoren möglich, diese immer einfacher, schneller und kostengünstiger aufzunehmen. Doch die Vermessungs-Revolution ist bisher noch nicht vollends in die Praxis eingedrungen. Der Grund: 3D-Punktwolken haben einen immensen Datenumfang. Projekte in der Tera-Byte-Größenordnung sind keine Seltenheit. Der „Datenschatz“ kann nicht gehoben werden und bleibt auf speziellen Laufwerken oder Festplatten gefangen.
Nun hat das Potsdamer Unternehmen Point Cloud Technology GmbH (PCT) einen Schlüssel entwickelt, um die „Schatzkiste“ zu öffnen. Das Spin-Off des bekannten Hasso-Plattner-Instituts (HPI) hat eine Technologie entwickelt, mit der beliebig große Punktwolken via Internet schnell und einfach visualisiert und ausgewertet werden können. So ist es zum Beispiel möglich, die 3D-Punktwolke von Berlin im Web anzuschauen und eine intuitive User Experience zu erleben. Die nackten Zahlen machen deutlich, welche Dimension die Entwicklung hat. Die Berliner Punktwolke umfasst mehr als 80 Milliarden Punkte – auf einem Stadtgebiet von rund 900 Quadratkilometern entspricht dies einer Dichte von fast 100 Punkten je Quadratmeter. Mit der Echtzeit-Visualisierung kann der Nutzer via Internet fast spielerisch selbst Details erkennen. „Die integrierte Echtzeit-Visualisierung von massiven 3D-Punktwolkendaten geschieht dabei zusammen mit georeferenzierten Texturdaten“, beschreibt Geschäftsführer Rico Richter. Die datentechnischen Limitierungen der 3D-Punktwolke werden so obsolet. Das Berlin-Beispiel hat PCT auf der Homepage hinterlegt. Zentrales Produkt der Firma ist die Point Cloud Engine, in der die wesentlichen Entwicklungen stecken, die die bisherigen Grenzen für die Datennutzung sprengen. Neben der Speicherung der Rohdaten besitzt sie jeweils eine Schnittstelle für Integration, Aktualisierung und Zugriff auf die Rohdaten der Punktwolke. Der Schlüssel dazu ist eine hierarchische Strukturierung der Daten, die geometrische Eigenschaften der Punkte und ihrer Umgebung nutzt, um so zu einer Art semantischen Strukturierung zu kommen.
Die Daten sind dazu innerhalb einer sogenannten LOD-Datenstruktur gespeichert. Diese beschreibt verschiedene Aggregations- und Detailebenen der jeweiligen Punkte. Während die erste Ebene die geometrischen Rohdaten enthält, kommen auf jeder weiteren LOD-Ebene zusätzliche semantische Strukturen hinzu. Diese hierarchische Strukturierung der Daten ist der Schlüssel, um hocheffiziente Zugriffs- und Analyseschritte für 3D-Punktwolken umzusetzen und unterscheidet sich von den bisher bekannten Methoden, um riesige 3D-Punktdaten handhabbar zu machen. Diese Methode wird zusammen mit dem HPI stetig weiter entwickelt und bildet den Kristallisationspunkt der Firmenentwicklung von PCT. „In der Evaluationsphase schaut das HPI sehr genau auf den aktuellen Forschungsstand und verfolgt lediglich Konzepte, die einerseits ein hohes Innovationspotenzial versprechen und die andererseits forschungstechnisch noch nicht bearbeitet wurden“, erklärt Richter. An der LOD-Struktur setzen dann die 3D-Rendering-Techniken und alle weiteren Auswerte-, Visualisierungs- und Simulationsverfahren an. Sie arbeiten demnach direkt auf 3D-Punktwolkenrohdaten, sind aber trotzdem effizient.
„Der Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass die Verarbeitung immer auf den unmittelbaren Rohdaten basiert und nicht wie bei anderen Verfahren eine Reduktion der Dichte oder Genauigkeit durchgeführt werden muss“, erläutert Richter.
Die Plattform verfolgt zusätzlich das Konzept der Out of Core-Visualisierung. Dabei werden verschiedene Schritte des Renderings optimiert. Da die Anwendung so nicht mehr vom verfügbaren Speicher des Grafikprozessors abhängig ist, kann die IT-Infrastruktur beliebig skaliert werden. „Die IT-Leistungsparameter sind damit quasi unerschöpflich und können einfach an die jeweilige Anwendung angepasst werden“, so Richter. Die Vorteile der Technologie liegen auf der Hand. Um die Vermessungsdaten von vielen Mitarbeitern nutzen zu können, bedarf es keiner langwierigen Verarbeitungs- und Auswerteprozesse. Die Daten können unmittelbar in Echtzeit genutzt werden. Dies gilt gleichermaßen für Auswertungen. So ermöglicht es die Software beispielsweise auch, Massendaten ebenso schnell auszuwerten.
Auch Analysen profitieren dabei von der hierarchischen Datenmodellierung aus der Datenvorverarbeitung. Zum Beispiel bei der Vegetationsanalyse. Die Point Cloud Engine kann etwa den Standort einzelner Bäume aus den Oberflächenstrukturen der 3D-Punktwolken ermitteln und Merkmale wie Höhe, Kronendurchmesser, Volumen und charakteristische Farbe bestimmen. Anhand der homogenen Farbwerte von Baumkronen und der räumlichen Verteilung der Punkte werden die Punktwolkendaten hierarchisiert.
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PCT spricht dabei von der thematischen Attributierung der Punktwolke. Diese Daten werden dann in einem beliebigen Austauschformat exportiert und beispielsweise in ein GIS überführt. Ebenso können geometrische Strukturen (Laternen, Schilder Schlaglöcher etc.) in die Datenstruktur „eingebrannt“ und dann für weitere Workflows extrahiert oder Datenbestände bereinigt werden. Daher gehören auch Anwendungen rund um das Mobile Mapping zu den bisherigen Referenzen der Firma. „Gerade die Identifikation von Objekten aus dem Straßenraum geht sehr schnell und einfach“, so der Geschäftsführer.
Aufgrund der barrierefreien Handhabung der Punktwolken können auch Anwendungen wie Change Detection viel schneller durchgeführt werden. „Die Plattform ermöglicht die Berücksichtigung des Erfassungszeitpunktes als vierte Dimension, so dass Aufnahmen zu verschiedenen Zeitpunkten bequem gegeneinander analysiert werden können“, beschreibt Richter. Rechenintensive Analysen wie etwa die Change Detection gibt es schon seit längerem, neu bei PCT ist der freie Zugang über Internet für verschiedenste Nutzergruppen und die Möglichkeit, diese in Workflows und Applikationen einzubinden.