Bild 2: 3D-Viewer

In Zusammenarbeit mit der Vermessungsabteilung des Bau- und Verkehrsdepartements Kanton Basel-Stadt wurden im Auftrag des Schweizer Bundesamts für Strassen (ASTRA) Bestandsmodelle als Planungsgrundlage für den BIM-Piloten „Rheintunnel Basel“ entwickelt. Ziel des ASTRA-Großprojekts sind die Engpassbeseitigung der Osttangente Basel (A 2) und die Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Nationalstraßennetzes. Für diese Maßnahme realisierte AKG Software unterschiedliche Aufgaben im Rahmen eines Customizing-Auftrags.

In Zusammenarbeit mit der Vermessungsabteilung des Bau- und Verkehrsdepartements Kanton Basel-Stadt wurden im Auftrag des Schweizer Bundesamts für Strassen (ASTRA) Bestandsmodelle als Planungsgrundlage für den BIM-Piloten „Rheintunnel Basel“ entwickelt. Ziel des ASTRA-Großprojekts sind die Engpassbeseitigung der Osttangente Basel (A 2) und die Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Nationalstraßennetzes. Für diese Maßnahme realisierte AKG Software unterschiedliche Aufgaben im Rahmen eines Customizing-Auftrags.
Ausgangssituation
Federführend bei der Auswahl geeigneter Messmethoden, bei der Planung, Organisation und Durchführung interner und externer Vermessungsleistungen sowie Ansprechpartner bei allen vermessungstechnischen Themen war das Bau- und Verkehrsdepartement des Kantons Basel-Stadt: Tiefbauamt, Dokumentation und Vermessung.
AKG Software übernahm als Dienstleister die Aufgabe der Ableitung von Bruchkanten aus Punktwolken und die Erzeugung großflächiger digitaler Geländemodelle (DGM) sowie die Erstellung von Volumenkörpern für Straße und Kanal zur Bereitstellung der Daten in einem kantonalen BIM-Projektraum (siehe Bilder 2 und 3).
Grundlagendaten
Als Grundlage für die Auswertung standen Daten aus verschiedenen Quellen zur Verfügung: Airborne­Laserscanning (ALS), Mobiles Laserscanning (MLS), Ergänzungsmessungen, Stereovideo-/Kamerasysteme sowie hochauflösende Orthophotos u. a. aus Drohnenbefliegungen (siehe Bild 4).
Insgesamt galt es, im Zeitraum von sechs Monaten, rund 50 km Bestand auszuwerten (Brückenober- und -untersichten, Tunnel, Autobahnen, Stadtstraßen, Parkanlagen, Tram- und Bahngleise). Als Auswertungssystem wurde unter Berücksichtigung der Datenweitergabe die Planungssoftware VESTRA INFRAVISION auf DWG-Basis festgelegt. Da im Kanton Basel-Stadt alle jemals erfassten Punktwolken in einer PostgreSQL-Datenbank vorliegen, entschied man sich mithilfe einer dafür bereitgestellten Anwendungsschnittstelle (API), die Punktwolkendatenbank projektspezifisch abzufragen. Die resultierende „handlichere“ und projektrelevante Punktwolkendatei wurde anschließend mit der VESTRA-INFRAVISION-Punktwolke zur weiteren Verwendung in der Software aufbereitet.
Im Zuge der Projektplanung wurde ein für das Projekt passender Workflow entwickelt, mit dem man präzise, schnell und zuverlässig Bruchkanten aus den bereitgestellten Punktwolken ableiten kann. Die wesentlichen Abläufe sind nachfolgend beschrieben:
1    Achsen und Profilbreiten
Die Festlegung von Achsen und Profilbreiten erfolgte durch das Bau- und Verkehrsdepartement Kanton Basel-Stadt innerhalb des Projektbereichs, das vorgegebene Auswertegebiet bestand aus fünf Abschnitten: Birsfelden, Hagnau, Klybeck, Badischer Bahnhof und Wiese. Diese wurden von ortskundigen Mitarbeitern des Kantons Basel-Stadt in insgesamt 125 Achsen mit Profilbreiten von 10 bis 80 m unterteilt. Diese Basisarbeit war der Grundstein für das Abrufen und Aufbereiten der Punktwolkenbereiche sowie für die eigentliche Auswertung:  die Ableitung von Bruchkanten aus Punktwolken. Analog zu einem großen Straßenbauprojekt konnten die Zuordnung und Auswertung mit mehreren Mitarbeitern über
die fünf Auswertegebiete und über die eindeutigen Achsbereiche erfolgen. Die Dokumentation des Projektfortschritts sowie die Qualitätssicherung waren durch die Aufteilung in Achsen denkbar einfach.
2    Datenabruf
Der Abruf projektrelevanter Daten erfolgte aus der globalen Punktwolkendatenbank über eine API. Jede der Achsen liegt koordinatenmäßig eindeutig fest.
Ziel ist es, einen Achskorridor als Umgrenzung für die API bereitzustellen, sodass die Punkte der Punktwolke nur in diesem Bereich als Datei zurückgegeben werden. Dies wurde über eine Standard-Funktionalität der Planungssoftware und die Ausgabe einer Excel-Tabelle gelöst. Am Ende erhielt jede Achse ihre eigene, für ihren Auswertebereich passende Punktwolke.
3    Achsbezogene Bruchkantenerfassung über Querprofile
Jede Achse besitzt im Prinzip ihre eigene Punktwolke. Im Querschnitt kann für jede Achse eine Punktwolke temporär dargestellt werden. Diese Transformation der Punktwolke auf die Achse geschieht für jede Querprofilstation „on the fly“, ebenso die Einstellung von Details wie Punktdichte, Breitenangaben etc. Mithilfe des Horizontlinieneditors können nun Linienhorizonte auf der Vorlage der Punktwolke digitalisiert werden (siehe Bild 5).
Mit Blick auf das DGM wird bei Bauwerken jeweils ein Linienhorizont zur Erfassung der Ober- und Untersicht und im Tunnel-/Unterführungsbereich je ein Linienhorizont für Decke und Boden benötigt. Die Seitenwände wurden im Projekt dem Boden zugeordnet. Apropos Wände: Die Ober- und Unterkanten werden mit wenigen Millimetern (≥ 1 mm) seitlichen Abstands zueinander erfasst, damit sie später bei der DGM-Berechnung vermascht und dargestellt werden können.
Die Stützpunkte der im Querschnitt digitalisierten Linienhorizonte erhalten in jedem Profil ihren eindeutigen Punktnamen. Im Detail kommt es darauf an, dass man innerhalb von Stationsbereichen für jede dieser Stationen eine identische Punktanzahl mit identischer Punktnummer vergibt. Das ist entscheidend, da bei der Übernahme der Querprofilpunkte in den Lageplan die Linienbildung in Längsrichtung über die identischen Punktnamen erfolgt. Das erklärt auch, warum man eine Achse bei der Auswertung in einzelne Abschnitte unterteilt.
Wie Bild 5 zeigt, erhält der Stützpunkt der „Oberkante Seitenwand“ an jeder erfassten Profilstation den Punktnamen 1, die Unterkante den Punktnamen 2. Insgesamt gibt es im Beispiel acht thematisch zu vergebende Punktnamen. Beim Kunstkörperimport in den Lageplan werden damit alle Punkte mit Punktname 1 in Längsrichtung verbunden, alle mit Punktname 2 bis 8 analog. In der Summe entstehen acht dreidimensionale Linien im Lageplan, die anschließend die Grundlage der DGM-Berechnung bilden. Im Anschluss an die DGM-Berechnung finden in VESTRA die Fehlerbetrachtung und Korrektur statt. Zur optischen Kontrolle bietet sich der BIM-Viewer an, mit dem gegebenenfalls neben den automatisch gesetzten Attributen noch weitere Attribute hinzugefügt und/oder bestehende geändert werden können. Die Methode der Ableitung von Bruchkanten über Querprofile eignet sich hervorragend für Ober- und Untersichten von Ingenieurbauwerken wie Brücken und Tunnel, aber auch für Bereiche mit abschnittsweise regelmäßigen Querprofilen (z. B. Außerortsstraßen).
4. Bruchkantenerfassung im Lageplan mit der 4-View-Lupe
Für eine achsunabhängige Erfassung von Bruchkanten ist die 4-View-Lupe ein bewährtes Werkzeug. Es gibt hierbei unterschiedliche Möglichkeiten der Herangehensweise. Letztendlich ist das Prinzip aber immer dasselbe: Bruchkanten werden in erster Näherung digitalisiert, anschließend wird die exakte Lage- und Höhenbestimmung mittels der Lupe vorgenommen. Die Lupe wird über „Neu zeichnen“ oder „Linieneditor“ auf der Registerkarte „DGM“ aufgerufen und zeigt den im Lageplan rot markierten Linienpunkt in den maximal vier korrespondierenden Ansichten an. Jede Ansicht hat ihre eigenen Einstellungen bezüglich Darstellung von Originalpunkten, Korridor und Ausdehnung. Durch Klicken mit der Maus in der Ansicht wird der Punkt in Lage und Höhe verschoben. Mit Doppelklick wird die neue Koordinate an den aktuellen Linienstützpunkt übergeben (siehe Bild 6).
Die Verwendung der Lupe eignet sich besonders gut dort, wo es einen permanenten Wechsel der Bestandssituation gibt z. B. im Innerortsbereich oder wo eindeutige Kanten wie Borde, Mauern usw. ersichtlich sind. Man digitalisiert z. B. als erste Näherung in der Lage auf einem hochauflösenden Orthophoto und vergibt anschließend eine Zirkahöhe. Nebenbei bemerkt, liefern Drohnen hierbei eine hervorragende Auflösung. Die exakte Lage- und Höhenbestimmung erfolgt dann, wie oben beschrieben, im Nachhinein in der Lupe selbst (Linieneditor). Die digitalisierte Lage und die vergebene Zirkahöhe vereinfachen das Handling mit der Lupe enorm, weil sich dadurch das Fadenkreuz der Lupe bereits sehr nahe an der Zielkoordinate befindet und die Feinjustierung der endgültigen Lage- und Höhenkoordinate präzise durchgeführt werden kann. Interessant ist die Anwendung der Lupe auch in Kombination mit dem Software-Befehl „Parallele zu Linie (mit Höhenversatz)“. Mauern, Inseln und Borde lassen sich damit sehr schnell abbilden. Im Projekt wurden die über das Querprofil erfassten Bruchkanten im Übrigen häufig nachträglich über den Linieneditor nochmals verdichtet, korrigiert oder erweitert.
Aus den Bruchkanten wurden für jeden Projektabschnitt möglichst großflächige, thematisch zusammenhängende DGM berechnet. Dieses Ziel stellte eine große Herausforderung dar, da im Basler Verkehrsnetz oft mehrere übereinanderliegende Ebenen für Fußgänger-, Radfah-rer-, Straßenbahn- und Autoverkehr vorzufinden sind (siehe Bild 7).
Ein Blick in die zu Beginn erfasste Tunnelröhre verdeutlicht die Komplexität der erstellten Modelle (siehe Bilder 8). Die erzeugten DGM wurden zur Qualitätskontrolle und zur kantonsinternen Veröffentlichung an den GeoViewer-Kartendienst und nach Autodesk BIM 360 übergeben. Im GeoViewer werden alle bestehenden Grundlagendaten (Kataster, Bestandsvermessungen, Punktwolken, Befahrungsvideos, Rheinüberwachung, Gebäudetiefen, Orthophotos, Kanalbestand u. v. m.) zentral in einer Datenbank verwaltet (siehe Bild 9).
Die 3D-Datenbankkomponente macht es zudem möglich, BIM-Modelle zu verwalten und anzuzeigen. Einem parallel durchgeführten Customizing-Projekt ist es zu verdanken, dass auch die bestehende Kanaldatendank (Oracle) in VESTRA INFRAVISION migriert werden konnte und daraus Volumenkörper für Schächte und Haltungen erzeugt wurden. Zur Darstellung von Bestand und Vorplanung wurden in der Planungssoftware schließlich auch die Planungsentwürfe nachkonstruiert und ebenfalls als Volumenkörper bereitgestellt. Sowohl im GeoViewer als auch in Autodesk BIM 360 wird der hohe Detaillierungsgrad des Gesamtprojekts in beeindruckender Weise sichtbar.

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