BIMAGE - Building Information Management based on Geospatial 3D Imagery

Zusammenfassung

Das Informationsmanagement im Hochbau, insbesondere im Immobilien- und Facility Management, erfolgt grösstenteils noch ohne aktuelle digitale Inventare oder digitale Plangrundlagen – dies im Gegensatz zum Infrastrukturmanagement im Tiefbau bzw. im Aussenraum, wo Geoinformationssysteme heute eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Hauptgründe für die fehlende bzw. langsame Adaption raumbezogener digitaler Inventare im Gebäudebereich sind unter anderem der hohe zeitliche und finanzielle Aufwand für die 3D-Geometrieerfassung sowie die (zu) anspruchsvolle Nutzung der 3D-Daten. Mit den Innovationen aus dem BIMAGE-Projekt erhalten zukünftige Kunden und Fachpersonen die Möglichkeit einer effizienten und kostengünstigen 3D-Informationserfassung und vor allem ein einfach zu bedienendes, intuitiv verständliches virtuelles Fenster in ihre realen Liegenschaften und Infrastrukturen – alles auf der Basis eines browserbasierten Cloud Services.

Projektziele

Mit dem Forschungsprojekt BIMAGE sollen die bestehenden 3D-Geobilddienste «infra3D» der Industriepartnerin iNovitas AG für das Infrastrukturmanagement im Aussenraum schrittweise auf neue Anwendungen im Innenbereich erweitert werden. Dabei müssen zahlreiche neue Herausforderungen, wie etwa die fehlende GNSS-Positionierung, neue Navigations- und Orientierungskonzepte oder die anspruchsvollen Beleuchtungsverhältnisse, gemeistert werden.

In einer ersten Phase soll daher ein Prototyp eines portablen Erfassungssystems für den Innen- und Aussenraum entwickelt werden, um umfangreiche Testdaten erfassen zu können. Diese dienen als Basis für die Entwicklung neuer Softwarekomponenten für die cloudbasierte Datenprozessierung mit einem starken Fokus auf der bildbasierten Georeferenzierung.

Für die zukünftige Aktualisierung und Anreicherung von 3D-Bilddiensten sollen Bilddaten, welche mit einem Smartphone oder einem Tablet aufgenommen wurden, automatisiert integriert werden. Da die Positionierungssensorik der Erfassungsgeräte nur grobe Näherungswerte liefert, soll auch hier der genaue Raumbezug über die Bilddaten berechnet werden.

Schliesslich soll die Architektur des Webdienstes an die erhöhten Anforderungen für Dienste im Innenraum angepasst werden. Neben der gesteigerten Komplexität und der grösseren Datenmenge betrifft dies vor allem die Navigation im dreidimensionalen Raum, welche auch für Laien einfach und intuitiv sein soll.

Projektergebnisse

Teilprojekt «CapturePro»

Entwicklung eines portablen Kamera-basierten 3D-Erfassungssystems BIMAGE Backpack mit Navigations- und Umgebungssensorik zur kinematischen Datenerfassung im Innen- und Aussenraum. Mit der integrierten Panoramakamera können pro Auslösung sechs Einzelbilder erfasst und anhand von LiDAR-SLAM-Algorithmen im 3D-Raum lokal positioniert und orientiert werden. Die Onboard-Erfassungssoftware erlaubt eine Fortschritts- und Qualitätskontrolle in Echtzeit auf einem mitgeführten Tablet (Blaser et al., 2018b). Entwicklung einer Simulationssoftware zur Evaluation optimaler Mehrkopf-Kamerakonfigurationen und Panoramagenerierung im Innen- und Aussenbereich.

BIMAGE Backpack

Teilprojekt «CaptureMobile»

Entwicklung von Software-Komponenten für die Co-Registrierung von Smartphone-Aufnahmen mit einer 3D-Referenzbilddatenbasis mit dem Ziel einer zukünftigen Aktualisierung von 3D-Bilddatenbanken. Im Rahmen des Projekts wurden wertvolle Grundlagenentwicklungen geleistet, die Machbarkeit nachgewiesen, das enorme Anwendungs- und das hohe Genauigkeitspotential sowohl im Innen- als auch im Aussenraum aufgezeigt (Rettenmund et al., 2018). Realisierung eines ersten Augmented Reality-Frameworks für die Bildorientierung. Damit wird eine Bestimmung von Näherungsposen der Smartphone-Aufnahmen erzielt, womit eine erhebliche Einschränkung der möglichen Zuordnungsbilder und damit eine Zuverlässigkeitssteigerung erreicht wird. Im Projekt wurden auch die Möglichkeiten und aktuellen Grenzen von Deep Learning Ansätzen zur Bildorientierung untersucht und aufgezeigt.

Teilprojekt «ImageBasedGeoreferencing»

In diesem Teilprojekt wurden Software-Komponenten für die hochgenaue bildbasierte Georeferenzierung konzipiert und umgesetzt. Damit können die mit der Panoramakamera erfassten Bilddaten genau und präzis in einem übergeordneten globalen Koordinatenreferenzsystem orientiert werden. Gegenüber der verbreitet eingesetzten LiDAR-basierten Positionierung erlaubt das neu entwickelte Verfahren eine Genauigkeitssteigerung um ca. einen Faktor 10 – typischerweise von Dezimeter- zu Zentimetergenauigkeit. Entsprechend der Kundenanforderungen können damit die erfassten Daten in einem Postprocessing-Schritt weitgehend vollautomatisch verbessert bzw. ‘geometrisch’ veredelt werden.

3D-Kartierung der 11 Stockwerke des alten FHNW Campus Muttenz mit dem BIMAGE Backpack (Abb. links) und Kartierung des komplexen Versuchsstollens Hagerbach (rechts) mit einer Genauigkeitssteigerung mit Hilfe der BIMAGE ImageBasedGeoreferencing von ursprünglich 14 cm auf 1-2 cm.

Teilprojekt «Navigation & Interaction»

Entwicklung eines neuen hocheffizienten Datenformats für die Speicherung und das Streaming von 3D-Bilddaten. Aus der Einführung des neuen Datenformats aus dem BIMAGE-Projekt ergibt sich eine geschätzte Kosteneinsparung beim Industriepartner im Bereich von 30 bis 40 Prozent. Parallel dazu wurde in diesem Teilprojekt ein neuartiges Datenzugriffs- und Navigationskonzept entworfen und implementiert. Damit können sich Benutzende intuitiver in infra3D-Diensten bewegen, neu auch mit komplexen 3D-Bilddaten in Innenräumen interagieren und trotzdem präzise 3D-Messungen in den Bilddaten vornehmen. Schliesslich wurde in diesem Teilprojekt ein Demonstrator mit einem infra3D-Viewer und überlagertem BIM-Modell konzipiert, implementiert und demonstriert. BIM-Objekte können dabei dynamisch von einem openBIM Server geladen, selektiert und zusammen mit ihrer Semantik visualisiert werden. Dieser Demonstrator erlaubt somit bereits heute eine Qualitäts- und Vollständigkeitskontrolle von BIM-Modellen auf der Basis der infra3D-Bilddienste.

Publikationen

• Blaser, S., Cavegn, S., Rettenmund, D. & Nebiker, S., 2018c. Innosuisse-Projekt BIMAGE – Cloudbasierte 3D-Bilddienste für das Gebäudemanagement. Geomatik Schweiz, 116(9), S. 260-263.
• Blaser, S., Cavegn, S. & Nebiker, S., 2018b. Development of a Portable High Performance Mobile Mapping System Using the Robot Operating System. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. IV-1, pp. 13-20. https://doi.org/10.5194/isprs-annals-IV-1-13-2018
  
• Rettenmund, D., Fehr, M., Cavegn, S. & Nebiker, S., 2018. Accurate Visual Localization in Outdoor and Indoor Environments Exploiting 3D Image Spaces as Spatial Reference. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XLII-1, pp. 355-362. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-1-355-2018
  
• Cavegn, S., Blaser, S., Nebiker, S. & Haala, N., 2018. Robust and Accurate Image-Based Georeferencing Exploiting Relative Orientation Constraints. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. IV-2, pp. 57-64. https://doi.org/10.5194/isprs-annals-IV-2-57-2018
  
• Blaser, S., Nebiker, S. & Cavegn, S., 2018a. On a Novel 360° Panoramic Stereo Mobile Mapping System. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 84(6), pp. 347-356. https://doi.org/10.14358/PERS.84.6.347
  
• Nebiker, S., 2017. 3D Imagery for Infrastructure Management – Mobile Mapping meets the Cloud. Photogrammetric Week 2017, Stuttgart, Germany. http://www.ifp.uni-stuttgart.de/phowo/2017/PDF/28-Nebiker-Abstract.pdf
  
• Holdener, D., Nebiker, S. & Blaser, S. 2017. Design and Implementation of a Novel Portable 360° Stereo Camera System with Low-Cost Action Cameras. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XLII-2/W8, pp. 105-110. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W8-105-2017
  
• Blaser, S., Nebiker, S. & Cavegn. S., 2017. System Design, Calibration and Performance Analysis of a Novel 360° Stereo Panoramic Mobile Mapping System. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. IV-1/W1, pp. 207-213. https://doi.org/10.5194/isprs-annals-IV-1-W1-207-2017
  
• Best Paper Award für Beitrag Blaser, S., Cavegn, S. & Nebiker, S., 2018b. Development of a Portable High Performance Mobile Mapping System Using the Robot Operating System an ISPRS-Konferenz in Karlsruhe (10.-12.10.2018) http://tc1-symposium2018.ipf.kit.edu/
  

Eckdaten des Projekts

Projektpartner

Finanzierung