TECHNIK TECHNIK Modernste Vermessungstechnik trifft auf historisches Bauwerk Vom Kölner Dom zum »3Dom« W er sich Köln nähert, sieht meist zuerst ihn: über 157 Meter ragt der Kölner Dom in den Himmel über der Stadt – er ist Weltkulturerbe, Kölner Wahrzeichen und ein Wunder sakraler Baukunst. Mit bis zu 20.000 Besuchern pro Tag ist Europas zweithöchstes Kirchengebäude eine der meistbesuchten Sehenswürdigkeiten Deutschlands. Doch Witterung, Luftverschmutzung, Besucherströme und Vandalismus setzten der Kathedrale stetig zu. Modernste Vermessungstechnik hilft nun bei der Daueraufgabe, das NIKLAS MÖRING | FORUM REDAKTION MARTIN PILHATSCH | FACHLICHE BERATUNG Gotteshaus für die Zukunft zu erhalten und bringt den Dom dafür digital in die »Cloud«. 42 43 3 3 TECHNIK TECHNIK Wie anspruchsvoll diese Aufgabe werden würde, war zunächst nicht absehbar, als sich Wickenden und Pritchard auf einer Fachtagung kennenlernten. Pritchard engagiert sich seit vielen Jahren für die Amerikanische Institution CyArk, die weltweit Kulturerbestätten digitalisiert, und hat unter anderem bereits Mount Rushmore und St. Michaels Mount für das digitale CyArk-Archiv gescannt. So entstand die fixe Idee, »das müsste man unbedingt auch mit dem Kölner Dom machen.« Pritchard kannte den Dom bereits von einem früheren Besuch in Köln. »Bei unserer Begehung des Kölner Doms war er dann aber doch etwas geplättet«, erinnert sich Jörg Sperner von der Kölner Dombauverwaltung, die zunächst etwas zurückhaltend auf die Idee der beiden Professoren reagierte: »Immer wieder kommt eine Universität auf uns zu mit der Idee, den Dom digital nachzubauen. Das verläuft aber meist nach zwei Monaten im Sande, weil dann oft klar wird, dass es eben ein komplexes Bauwerk ist und keine Wand von 45 Metern Breite und Höhe. Da steckt wesentlich mehr Arbeit dahinter. Aufgrund der Größe, der Schwierigkeiten und der Zugänglichkeiten hat einfach irgendwann jeder gesagt: »Das ist eine Hausnummer zu groß«, so Sperner, der das Projekt für die Kölner Dombauverwaltung betreut. Hubgerüst mit Scanner »Wenn der Dom fertig ist, geht die Welt unter«, so besagt es zumindest ein kölsches Sprichwort. Allzu große Sorgen über den Weltuntergang macht man sich am Rhein allerdings nicht, denn seit Baubeginn im Jahr 1248 ist und bleibt die Hohe Domkirche St. Petrus eine Dauerbaustelle. Bis heute dauert beispielsweise die Behebung von Kriegsschäden aus dem II. Weltkrieg an; ohne die ständigen Bau- und Reparaturmaßnahmen der Kölner Dombauhütte wäre das Kölner Wahrzeichen innerhalb weniger Jahre sogar akut gefährdet. In einem Gemeinschaftsprojekt der Kölner Hochschule Fresenius, der Heriot-Watt University Edinburgh und der Kölner Dombauverwaltung wurde die Kathedrale mit Unterstützung der Firma Zoller + Fröhlich nun erstmals komplett digital vermessen, um eine vollständige 3D-Bestandsaufnahme des drittgrößten Kirchengebäudes der Welt zu erhalten. »Der Dom ist wirklich gigantisch. Jeder Winkel stellte eine besondere Herausforderung dar«, so Prof. Chris Wickenden, Mitinitiator und Studiengangsleiter des Studiengangs 3D-Mind & Media an der privaten Hochschule Fresenius in Köln. Innerhalb eines Jahres haben seine Studenten gemeinsam mit Douglas Pritchard, Professor an der Schottischen Heriot-Watt-University, und mit Experten von Zoller + Fröhlich den gesamten Dom von innen und außen digital vermessen. »Ziel des Projektes war es, ein identisches Abbild der Kathedrale zu erhalten, mit minimalen messtechnischen Abweichungen«, so Pritchard. Pritchard aber war sich seiner Sache sicher, es sei »eine tolle Herausforderung, ein Gebäude dieses Ausmaßes zu scannen«. Im Mai 2015 begannen mit Unterstützung des Allgäuer Familienunternehmens Zoller + Fröhlich die ersten Vermessungsarbeiten. In kleinen Teams arbeiteten sich Pritchard, Experten von Zoller + Fröhlich und Studenten der Hochschule durch den Innenraum des Doms, zum Einsatz kamen zwei terrestrische Laserscanner – Z+F IMAGER® 5010C und Z+F IMAGER® 5010X. Die Scanner wurden zunächst durch den gesamten Innenraum bewegt, dann entlang des Triforiums und an den Schnittpunkten der Rippengewölbe sowie oben auf der Empore. Sperner: »So haben wir versucht, die Informationsdichte in der gesamten Punktwolke gleichmäßig zu verteilen. Das ist uns nicht überall gelungen. Wir sind aber schon jetzt sehr zufrieden damit, dass »3Dom« in Zahlen 660 hochauflösende Laserscans 50 Mitarbeiter, Studenten und Helfer Klettern bis auf 130 Höhenmeter 2 Terrabyte an Daten 6 Milliarden Punkte 60 Stunden Filmmaterial 44 45 3 3 TECHNIK TECHNIK Messpunkte am Dom und den benachbarten Gebäuden wir den jetzigen Zustand in der aktuellen Auflösung haben. Gescannt haben wir von umgebenden Gebäuden, von oben nach unten und umgekehrt, durch die Gewölbekappen hindurch, im Triforium mit unserer Ameise (siehe Foto: Hubgerüst) in 40 Metern Höhe. So hatten wir möglichst viele Bereiche, die der Scanner erreichen konnte, die Verschattung wurde dadurch weitestgehend reduziert.«. Eine der Herausforderungen dabei war es, die Arbeiten bei normalem Betrieb im Dom durchzuführen, in dem täglich fünf Gottesdienste stattfinden: »Da mussten wir tatsächlich Bereiche sperren, auch, um in Ruhe arbeiten zu können. Denn viele Besucher wollten natürlich wissen, was dort passiert«, so Sperner. Dieter Claus, der das Projekt für die Hochschule begleitet und dokumentiert hat: »Wir hatten deshalb überlegt, in Schichten zu arbeiten. Denn die Arbeit ging oft früh los – schon vor 6 Das Projekt wurde von einem studentischen Filmteam begleitet, dessen Film spektakuläre Aufnahmen vom Dom, einen Blick hinter die Kulissen des Projektes und Ergebnisse der Arbeiten zeigt. www.youtube.com/watch?v=YyTEiEvzd7g Uhr – und Douglas war mit seinem Scanner zum Teil noch deutlich nach 22 Uhr im Dom. Es gab drei Scan-Teams und ein FilmTeam, das das Projekt filmisch begleitet hat«, insgesamt waren etwa 50 Studenten aus drei Semestern der Hochschule an dem Projekt beteiligt. Eine weitere Herausforderung war der Scan des nördlichen Domturms, an dem es keine geeignete Plattform und auch kein vorhandenes Außengerüst gab. Norman Jankowski, Student an der Hochschule Fresenius, kam dabei seine Kletterausbildung zur Hilfe (siehe Foto Seite 48). Mit dem 9 Kilo schweren Laserscanner auf dem Rücken stieg er bis in luftige Höhe, eine Außenleiter in schwindelerregende Höhe hinauf. Eine einmalige Erfahrung für den gebürtigen Kölner, der zuvor keinerlei Erfahrungen mit Vermessungstechnik hatte. Vom Turm aus wurde der Scanner zuerst auf den Boden ausgerichtet, um die darunterliegenden Dächer und Türme zu erfassen und danach auf die Turmspitze. Jankowski: »Das ganze Thema ist unglaublich interessant. Nicht nur im Hinblick auf Vermessung, sondern vor allem auch im Hinblick auf den virtuellen Raum, den ich fast ohne Abweichungen digital abbilden und mit dem ich später arbeiten kann.« Die Erstauswertung der Scans erfolgte mit der Software Z+F LaserControl®, die die Daten sowohl registrieren als auch filtern 46 47 3 3 TECHNIK TECHNIK darüber, dass unsere Vorfahren im 19. Jahrhundert so oft die Kamera gezückt haben und den Dom von allen Ecken aus fotografiert haben. Denn jetzt können wir auf dieses Bildmaterial zurückgreifen. Zwar in einer relativ schlechten Qualität, aber wir haben zumindest eine Idee, wie Teile des Gebäudes vor dem II. Weltkrieg ausgesehen haben. Das ist bei vielen älteren Teilen nicht möglich. Beispielsweise weiß man bei den Wasserspeiern, die zum Teil nur noch zur Hälfte da sind, nicht, wie sie im Mittelalter ausgesehen haben. Nicht nur wegen des II. Weltkriegs, sondern auch wegen Witterungsschäden, Vandalismus und Ähnlichem. Deshalb ist es so wichtig, dass wir jetzt – 2016 – einmal einen Ist-Zustand dokumentiert haben.« Denn: »Wir haben alle gelernt, dass solche Bauwerke auch von Kriegen und anderen Dingen bedroht sind.« CyArk in den USA stelle sicher, dass bedeutende Bauwerke im Falle ihrer Zerstörung zumindest virtuell erhalten blieben. »Diese Daten können dann in den unterschiedlichsten Bereichen verwendet werden – vom Wiederaufbau bis zu einer virtuellen Darstellung am Computer.« Auf dem Weg nach oben: Norman Jankowski und Douglas Pritchard und auswerten kann. Da die Daten zum einen für technische Anwendungen und zum anderen für multimediale Zwecke aufbereitet wurden, kam daneben Spezialsoftware wie Autodesk ReCap 360 für die As-Built Dokumentation, Autocad/Revit für 3D-CAD Daten und 3D Studio Max und Thinkbox Sequoia für Animationen zum Einsatz. Claus: »Die Rolle von Zoller + Fröhlich war dabei schon ungeheuer wichtig. Und am Ende waren auch die Kollegen genauso fasziniert von dem Projekt und dem Objekt, wie wir alle.« Im Frühsommer 2016 präsentierte das Projektteam nach 225 Stunden Arbeit am Dom über zwei Terrabyte an Daten, 660 hochauflösende Scans und 360° Panoramen für die Kolorierung, 6 Milliarden Punkte und mehr als 60 Stunden Filmmaterial. Das Projekt ist für alle Seiten ein voller Erfolg, Pritchard will aber trotzdem noch einige ergänzende Scans durchführen: »Das Bauwerk ist zwar schon jetzt außerordentlich gut gescannt, im Innenraum müssen wir aber noch einige Korrekturen vornehmen und vielleicht noch 10 Scans von außen durchführen. Aber ich gebe zu, dass ich ein klein wenig besessen von der Idee bin, absolut perfekte und präzise Daten zu liefern.« Für Sperner ist die kleine Festplatte mit den Scandaten schon jetzt von immenser Bedeutung: »Diese Dokumentation ist für uns ganz wichtig, da wir ja mit und an einem Gebäude arbeiten, das sich täglich verändert. Und im Moment sind wir froh Vom Schlimmsten will in Köln aber niemand ausgehen, viel naheliegender ist der praktische Nutzen der Daten für die tägliche Arbeit. Sie haben das Potenzial, die Arbeit der Restauratoren und Architekten, Steinmetze und Dachdecker, Gerüstbauer, Elektriker, Schlosser, Schreiner, Maler, Glasrestauratoren, Glasmaler und Kunstglaser zu erleichtern und zu beschleunigen. So kann nun besser überprüft werden, ob es am Dom Bereiche gibt, in denen die Dombauhütte aktiv werden muss: Dank thermografischer Aufnahmen können z. B. Wassereinbrüche oder Wärmebrücken erkannt werden, die im Wechsel der Jahreszeiten zu Problemen führen können. Durch die Positionsdaten kann man feststellen, ob es Setzungen, Kippungen oder Veränderungen in den Pfeilern gibt. »Solche Fragen wollen wir in Zukunft dank dieser Technologie beantworten, aber bis dahin ist es noch ein Weg. Ich hoffe, dass wir in etwa 5 Jahren dort sein werden«, so Sperner. Für Pritchard liegt es nahe, mit regelmäßigen Scans besonders kritischer Bereiche präzise zu dokumentieren und zu analysieren, ob und welche Maßnahmen erforderlich sein könnten. »Die Software kann die Veränderungen am Gebäude genau berechnen.« Bildunterschrift Bildunterschrift Noch ist dies aber Zukunftsmusik: »Wir haben jetzt angefangen, uns zu informieren, wie wir überhaupt mit dieser riesigen Punktwolke umgehen können. Unser Steintechniker ist gerade dabei und hat Kollegen angesprochen – in Ulm arbeitet man z. B. mit einem solchen Scansystem, auch wenn Sie dort keinen kompletten Scan des Bauwerks haben. Dort beschränken sie sich nur auf ihre Baustellen. Aber Sie träumen nun davon, in Zukunft auch das zu bekommen, was wir in Köln jetzt haben. Dafür können sie dort im Gegensatz zu uns aus den Punktwolken schon 2D-Pläne erstellen. Wir sind mit der Fresenius-Hochschule jetzt auch im Gespräch, ob wir ein Seminar dazu machen können. Denn es bringt nichts, wenn die Daten im Regal liegen, wir sie aber nicht nutzen können. Deshalb müssen wir jetzt aufrüsten – 48 49 3 3 TECHNIK TECHNIK zeug, für die Bildung, Informationsvermittlung, vielleicht auch zur Unterhaltung? Heute verschwimmen die Grenzen dabei, wir setzen klassische Vermessungswerkzeuge ein und kombinieren die Ergebnisse mit anderen Ideen – Denkmalschutz, Konservierung oder 3D-Animationen sind nur drei Beispiele.« EINSATZ IM DENKMALSCHUTZ ????? in Soft- und Hardware. Und wir werden einen Mitarbeiter speziell schulen, der dann mit diesen Daten auch arbeiten kann.« Auch für die Hochschule waren die immensen Datenmengen zunächst ein Problem. »Es war für uns alle wie eine Expedition ins Ungewisse – um zu gucken, was man mit diesen Daten eigentlich alles machen kann. Prof. Wickenden und ich haben dann relativ schnell – jeder in seinem Fachbereich – die Möglichkeiten entdeckt, die sich aus dem Scan auch weiterführend ergeben«, so Claus. Interessant sei dabei, dass Aspekte aus dem ingenieurwissenschaftlichen Vermessungswesen und dem Bereich Design zusammenkommen. Für die Dozenten an der Hochschule war vieles genauso neu, wie für ihre Studenten. Claus: »Weil Prof. Wickenden und mich diese Technik so interessiert hat, haben wir Anfang des Jahres einen Kurs gemacht und können jetzt – sehr rudimentär – scannen. Wir fanden es wichtig, die Gerätschaften näher kennenzulernen und auch, damit arbeiten zu können. Und wir haben mehrere Workshops gemacht, um zu lernen, wie man mit der Software und Punktwolken umgeht.« Bei den Studierenden hat das Projekt das Interesse am Thema Laserscanning geweckt und viel Kreativität freigesetzt: »Es gab am Anfang, als den Studierenden langsam die Grundsätze von Point-Clouds und Mesh-Systemen klar wurden, die Idee, man könnte doch ein Game entwickeln im virtuellen Dom und den Papst entführen«, erinnert sich Claus lachend. »Die jungen Leute gehen da sehr unbeschwert ran und sehen zahlreiche Möglichkeiten, vielleicht viel mehr, als wir mit unserem eher technischen Blick auf die Dinge. Aber als wir mit der 3D-Technik und dem Laserscanning in Kontakt kamen, war uns schnell klar: das sind Systeme, die man natürlich für all das nutzen kann. Nicht nur für die reine Vermessung, auch im Bereich Design kann man mit diesen Daten wunderbar arbeiten. Zum einen künstlerisch, zum anderen aber auch im Bereich Konstruktionen, im Bereich Film. Beispielsweise mit einem 3D-Flug durch den Dom, den man über das Internet erleben könnte. Die Möglichkeiten, die die 3D-Technik als Basis bietet, sind ja immens.« Pritchard will die Daten in Schottland zu konventionelleren Zwecken nutzen. »An unserer Hochschule werden Studenten in den Fächern Architektur und Ingenieurwesen mit den Daten arbeiten. Wir können damit die Struktur und Architektur des Gebäudes durchdringen. Wie steht das Bauwerk so stabil? Die Scandaten sind für uns wie ein Röntgenbild, auf dem man die strukturellen Komponenten genau analysieren kann. Indem wir die unterschiedlichen Scans kombinieren, verfügen wir erstmals über absolut präzise Daten – vom tiefsten bis zum höchsten Punkt des Bauwerks. Mit diesen hochpräzisen Daten können wir die Dombauverwaltung bei ihrer Arbeit unterstützen. Meine Herausforderung als Hochschullehrer ist aber auch: wie können wir die Nutzung der vorhandenen Technologie vorantreiben? Wie können wir sie für Neues nutzen? Als kreatives Werk- Aktuell nutzt die Kölner Dombauverwaltung die erfassten Daten bei einer ersten Baumaßnahme am Dom. Sperner: »Eine Restaurierung des Strebewerks an der Südseite des Domes ist die erste Baustelle, die wir jetzt mit Hilfe des 3D-Scans – zusammen mit herkömmlichen Methoden der klassischen Vermessung – bearbeiten werden«. Dass bei der Visualisierung die erfassten 3D-Daten und HDR-Fotos zusammenkommen und ausgesprochen detailreiche und realitätsnahe Bilder entstehen, ist ein großer Vorteil der Methode. Die zahlreichen unterschiedlichen Materialien, Oberflächen und Formen können präzise erfasst werden – auch die unzähligen und oftmals sehr detailreichen Skulpturen am Dom. Das hilft beispielsweise den Steinrestauratoren, denen für viele Bereiche noch keine oder nur unvollständige Planmaterialien vorliegen. Dank der Daten aus den Laserscans soll die Arbeit in Zukunft einfacher, schneller und besser werden. Für Sperner hat deshalb »die Denkmalpflege insgesamt sicherlich auch ein großes Interesse am Laserscanning, die Kollegen sind irrsinnig begeistert davon und finden das toll – bis zum Punkt Kosten. Und dann hört es auf, weil dafür eben kein Geld da ist. Da stehen wir leider auf einem sehr schwierigen Feld.« Das Projekt hat die Dombauverwaltung insgesamt 35.000 Euro gekostet – für einen außerplanmäßigen Haushaltsposten keine geringe Summe. Und dennoch ein kaum zu unterbietender Preis, der nur dank des großen ideellen Einsatzes der Dozenten, Studierenden und der Mitarbeiter des Geräteherstellers Zoller + Fröhlich möglich wurde. Pritchard ist trotz solcher Finanzierungsfragen von einer großen Zukunft für den Bereich 3D-Scanning überzeugt: »Es wird immer einfacher werden, hochwertige 3D-Aufnahmen durchzuführen. Schon heute ist dank eines Smartphones vieles möglich, denken wir nur daran, das eigene Haus in 3D aufzunehmen und damit zu spielen. Aber es wird eine immer höhere Nachfrage nach verlässlichen und genauen Daten geben. Wenn Sie als Laie ein 3D-Modell betrachten, können Sie unmöglich sagen, ob und wie präzise es ist. Sie brauchen dafür einen Experten, der ihnen die Korrektheit der Daten garantieren kann. Wir Vermesser sind also in einer guten Position, denn die professionelle Nutzung von 3DDaten ist ohne uns Experten nicht möglich und unsere Kunden zahlen nicht für ein 3D-Modell, das nur gut aussieht. Sie bezahlen für präzise und vor allem rechtssichere Daten. Deshalb denke ich, dass wir uns auf künftige Technologien in diesem Bereich freuen können – und sie nicht als Bedrohung empfinden sollten.« ???? Gerade im Bereich Denkmalschutz arbeiten viele Vermessungsbüros schon seit Jahren mit dem Laserscanverfahren, das ein verformungsgerechtes Aufmaß garantiert und den notwendigen Detailreichtum besitzt. Doch gerade bei solch komplexen Bestandsaufnahmen wie in Köln ist viel vermessungstechnisches Fachwissen gefordert: Diese Expertise beginnt bei der Planung und Durchführung einer effizienten und umfassenden Messkampagne, welche den vereinbarten Detailgrad und die Genauigkeit gewährleistet und der Registrierung aller Scans mit Beurteilung der Ausgleichungsergebnisse. Die Erstellung der erforderlichen Abgabeprodukte beginnt mit der Interpretation und Digitalisierung der Punktwolke für die Ableitung detailgenauer 2D-Ansichten, Schnitte, Grundrisse oder Detailzeichnungen. Das FORUM wird das spannende Kölner Projekt weiter begleiten und darüber berichten, ob es dort gelingt, die originäre Punktwolke für die klassischen Aufgabenstellungen selbst zu nutzen und welche Folgeprojekte und -verwendung sich in Zukunft ergeben wird. Niklas Möring FORUM-Redaktion moering@bdvi.de 50 51 3 3