Digitale meettechnieken als basis voor BIM-modellen: Scan2BIM en fotogrammetrie

Wanneer de term BIM valt, denken we vaak aan complexe projecten waarbij termen als ‘clashcontrole’ en ‘digitale oplevering’ veelvuldig worden gebruikt tijdens het bouwproces. Er zijn echter ook toepassingen die niet noodzakelijk een impact hebben op het volledige bouwproces of onze samenwerking met bouwpartners. Eén daarvan is het gebruik van digitale meettechnieken om een bestaande toestand op te meten. In dit artikel maken we de vergelijking tussen Scan to BIM en fotogrammetrie …

Scan to BIM (Scan2BIM)

Scan to BIM: wat is het?

De term ‘Scan to BIM’ wekt misschien de illusie dat er na de 3D-laserscan meteen een bruikbaar BIM-model ter beschikking staat, maar zo eenvoudig is het niet. Een 3D-laserscan wordt via software omgezet in een zogenoemde ‘puntenwolk’. Die wolk mag je vrij letterlijk voorstellen als een massa gemeten puntjes met XYZ-coördinaten die samen een 3D-object vormen, eventueel aangevuld met een intensiteits- of kleurwaarde. Deze puntenwolk kan dan op zijn beurt met behulp van verwerkings- en modelleersoftware omgezet worden naar een BIM-model.

Meshing

Als je uit een puntenwolk snel een 3D-model wil genereren, dan kan een meshmodel waardevol zijn als tussenstap naar het echte BIM’men. Een mesh is een netwerk van geometrische vormen dat wordt gebruikt om oppervlakken en objecten in een driedimensionale ruimte weer te geven.

Hierbij geldt het principe ‘hoe meer meetpunten, hoe meer driehoeksvlakken, hoe nauwkeuriger het model’. Een mesh geeft echter de grenzen tussen verschillende gescande onderdelen moeilijk weer. Zo zal bijvoorbeeld een zichtbare betonnen kolom in een gemetste wand in een puntenwolkviewer gemakkelijk te herkennen zijn, terwijl deze twee elementen in de mesh met elkaar zullen versmelten tot één geheel. Meshing heeft met andere woorden veel beperkingen en is niet handig voor het visualiseren van gebouwen met veel bouwkundige details. Een grondige ‘opkuis’ van de puntenwolk is voor het maken van een mesh heel belangrijk.

De puntenwolk

Het efficiënt en correct inzetten van 3D-scanning vereist zowel kennis als ervaring. Het omzetten van een puntenwolk naar een BIM-model vraagt technische expertise en creativiteit. De 3D-scanning genereert oppervlaktes met 3D-informatie, maar de gegevens over de 'restruimte' – zoals muur-, wand- en plafonddiktes – zijn alleen veronderstellingen. Gedetailleerde informatie over de samenstelling of opbouw van de structuren wordt niet verstrekt.

Een van de meest genoemde voordelen van digitale meettechnieken is dat ze efficiënter werken dan traditionele werkmethodes en bovendien is de kostprijs ervan ook eenvoudiger te monitoren.

De 3D-scan levert een enorme hoeveelheid data aan die ook later raadpleegbaar blijft. Snel naar de site gaan om de hoogte van dat ene dakraam op te meten is op die manier verleden tijd.

Scan to BIM: aan de slag

Zoals vaak is het van belang vooraf duidelijk na te gaan welke informatie je nodig hebt. Op deze manier kan de landmeter een exacte offerte opmaken en vermijd je onnodig zware bestanden. Een voorafgaandelijk gesprek waarin volgende criteria aan bod komen kan daarbij nuttig zijn:

• Afbakening van de opdracht (wat?)
  • Wat is het te scannen object?
  • Vormt de omgeving ook een onderdeel van de scan of is het gebouw alleen voldoende? En zo ja, wat is de perimeter?
  • Zijn zowel interieur- als exterieuraspecten van belang? En is voor beide aspecten dezelfde detailgraad en precisie van de scan noodzakelijk?
• Bepaling van vereisten (waarom?)
  • Wat zijn de beoogde BIM-toepassingen waarvoor de scan gebruikt zal worden? Betreft het bijvoorbeeld enkel informatie voor het opmaken van een voorontwerp?
  • Wordt de scaninformatie ook gebruikt voor de detailuitwerking (bijvoorbeeld van een verregaande renovatie van een historisch monument)?
  • Wat moet er geleverd worden: 2D-tekeningen, een 3D-model, een 3D-model inclusief alle relevante documentatie en gegevens?
• Scannen (hoe?)
  • Wat zijn de verschillende opstellingspunten van de scanner?
  • Wat is de benodigde resolutie, rekening houdend met de gewenste informatie (zie punt 1) en wat is het gevolg voor de grootte en verwerkbaarheid van het scanbestand?
  • Kan alles met een statische scanner gebeuren of is een mobiele scanner wenselijk?
  • Zijn alle opstellingspunten bereikbaar? Hou er rekening mee dat een scanner alles capteert, ook bomen, auto’s en (straat-)meubilair.

Een 3D-scanning verzekert een perfecte, maatvaste vastlegging van grote en complexe volumes. Het resultaat is een weergave van de bestaande toestand waarop je metingen kan verrichten. Een extra pluspunt is dat niet alles in één keer gescand moet worden; je kunt gefaseerd te werk gaan want een koppeling met scans die eerder of later gemaakt worden is altijd mogelijk.

Opgelet: om geld uit te sparen zijn er landmeters die de vertaling van de puntenwolk door een buitenlandse firma laten uitvoeren. Die hebben niet allemaal de juiste technische achtergrond of voldoende voeling met onze manier van bouwen, waardoor de vertaling van de puntenwolk vaak te wensen overlaat.

Scan to BIM: conclusie

• Inmeten gaat sneller, beter en correcter dan bij traditionele metingen.
• Volledige opname van de werkelijkheid in kleur.
• Complete basis voor 2D-tekenwerk en 3D-modellen.
• Ideale basis voor opmaken as-builtdossiers.
• Alles wordt gescand, maar wat niet zichtbaar is, kan ook niet worden gescand. Toch maken extra metingen op de scan het nodig om minder aanvullende metingen op locatie te doen, wat gemiddeld 10 tot 25% verborgen kosten bij traditionele metingen bespaart.
• Maakt fasering van het werk en spreiding kosten mogelijk.

Fotogrammetrie

Fotogrammetrie: wat is het?

In tegenstelling tot 3D-scanning, werkt fotogrammetrie met foto’s van het gebouw of de site, genomen vanuit verschillende hoeken, om de geometrie en afmetingen van volumes te reconstrueren. Met andere woorden, de driedimensionale vorm van het gedigitaliseerde object wordt 'geschat' op basis van beelden die vanuit meerdere perspectieven zijn vastgelegd. Fotogrammetrie is een waardevol alternatief voor 3D-scanning in situaties waar tijd en snelheid essentieel zijn of waar het plaatsen van scanners of stellingen niet mogelijk is.

Fotogrammetrie: hoe werkt het?

Drones

Bij fotogrammetrie worden 2D-foto’s omgezet naar 3D-informatie. De nauwkeurigheid is afhankelijk van de kwaliteit van de foto’s en van de afstand tot het te meten object. Fotogrammetrie kreeg met de komst van drones een nieuwe rol in het opmeten van gebouwen. Op de drone wordt een camera met hoge resolutie gemonteerd. Andere, gespecialiseerde drones, zijn al met zo’n camera uitgerust.

Drones zijn niet standaard uitgerust met apparatuur voor locatiebepaling. Naast de camera worden daarom extra sensoren, zoals gps of IMU, geplaatst om de positie van de drone en daarmee de camera te registreren. Alle bewegingen worden gelogd en constant vergeleken met vooraf geprogrammeerde waypoints – softwarematig vastgelegde posities. De drone volgt het waypointpatroon om een complete dekking van het op te meten object te garanderen.

Het uitvoeren van metingen met een drone vergt zorgvuldige voorbereiding. Drones mogen niet overal vrij vliegen, wat betekent dat je vaak vooraf de nodige vergunningen moet aanvragen. Bovendien is de privacywetgeving ook van toepassing op het maken van luchtbeelden.

Meestal wordt de drone handmatig in de juiste positie gebracht, waarna de automatische piloot het overneemt en de drone autonoom langs vooraf ingestelde waypoints vliegt.

Geolocatie

De camera maakt een reeks foto's die het gps-systeem van locatiegegevens voorziet. Dankzij de overlap tussen de beelden worden ze onderling afgestemd. Vervolgens laad je de foto's in een softwarepakket dat ze op basis van de gps-gegevens aan elkaar koppelt. Deze overzichtsfile exporteer je als een mesh (vlakkenmodel) of een puntenwolk, die vervolgens – net zoals bij 3D-scanning – als onderlegger voor het BIM-model dient.

Fotogrammetrie: aan de slag

Nauwkeurigheid

3D-scans zijn nauwkeuriger dan fotogrammetrie. Veel hangt af van de referentiepunten op de grond en de vliegcondities. De hoogste nauwkeurigheid bereik je met:

• een high-end professionele drone;
• goede waypointsoftware die de drone de beste route laat vliegen:
• GCP-targets - Ground Control Points-targets - die op de grond uitgezet worden en die zichtbaar zijn vanuit de lucht.

Fotogrammetrie: conclusie

• Een zeer gedegen techniek voor het inmeten van 3D-objecten.
• De meetnauwkeurigheid is gewoonlijk lager dan die van 3D-scanners
• Meestal ingezet op plaatsen waar scannen niet mogelijk is of in combinatie met 3D-scanners.
• Omdat fotogrammetrie werkt met foto’s, is daglicht essentieel voor het uitvoeren van metingen.

Een beeldoverlap tot 75% kan nodig zijn voor een hoge nauwkeurigheid, wat leidt tot grote datafiles. Daarom is het cruciaal om goede software te gebruiken, en krachtige hardware is noodzakelijk om deze enorme hoeveelheden data efficiënt te verwerken.

Niet louter meten!

Digitale meettechnieken zijn veelzijdig inzetbaar.

Crane-camera

Een apparaat in de werfkraan maakt op vastgestelde momenten scans van de werf. Deze worden vergeleken met het BIM-model om de voortgang te monitoren en dienen als basis voor vorderingsstaten.

Clash-controle

Door de puntenwolk van een scan te vergelijken met het BIM-model, kunnen afwijkingen tussen het ontwerp en de gebouwde werkelijkheid worden opgespoord.

Technische controle

Drones worden ingezet om hoge gebouwen, (industriële) constructies, of installaties te inspecteren op technische schade. Een spectaculaire toepassing is het controleren van windmolens op zee.

Enkele bedenkingen

Gesprekken met enkele professionals brengen enkele belangrijke inzichten naar voren.

Om een volledig resultaat te bekomen, wordt 3D-scannen met statische en mobiele toestellen vaak gecombineerd met drone-fotogrammetrie.

Bij nieuwbouwprojecten levert dit nauwkeurigere resultaten op (as-built dossier) dan bij renovaties of restauraties. De software kan vervormingen in oude muren of vloeren tijdens de dataverwerking soms corrigeren of zelfs 'interpreteren', wat kan leiden tot kleine onjuistheden.

Daarnaast is het belangrijk op te merken dat de meegeleverde software van scanners kleine fouten kan opstapelen tot afwijkingen, vooral in hoogtemetingen bij grotere gebouwen. Daarom combineren sommige scanbedrijven 3D-scanning en fotogrammetrie met een topografische veelhoeksmeting volgens het Lambert-coördinatenstelsel. De puntenwolk wordt dan ter controle ingepast in deze meting.

Met dank aan Bruno Van Dessel (ADM Group) en Nic Kerkhof (NX2) voor het leveren van alle input