Restaurierung einer ikonischen holländischen Windmühle mit Artec 3D-Scanning und KI-Photogrammetrie

Von Paul Hanaphy

3D-Scanner

Herausforderung: Digitalisierung einer kompletten Windmühle von innen und außen, damit ein niederländischer Spezialist für Infrastruktursanierung die geplanten Restaurierungsarbeiten unter schwierigen Bedingungen durchführen konnte.

Lösung: Artec Leo, Artec Ray II, KI-Photogrammetrie, Artec Studio, DJI Drohne

Ergebnis: Ein vollständiges 3D-Modell, das sowohl die äußere Struktur als auch die inneren Mechanismen der Windmühle abbildet und mit ausreichender Genauigkeit für Messungen und das mögliche Reverse Engineering von Ersatzteilen erfasst wurde.

Warum Artec 3D? Scans des LiDAR-Scanners Ray II mit seiner großen Reichweite können mit KI-Photogrammetriedaten kombiniert werden, um vollständige 3D-Modelle von massiven, schwer zugänglichen Objekten zu erstellen. Der drahtlose schnelle Leo kann anschließend eingesetzt werden, um feine Details zu erfassen. Das Ergebnis sind digitale Zwillinge, die eine unglaubliche Detailtreue aufweisen, und dabei leicht und einfach zu exportieren sind.

Das endgültige 3D-Modell der Windmühle Roelofarendsveen von 4C. Bild mit freundlicher Genehmigung von 4C

Präzision ist in der Welt der Architektur absolut unerlässlich, vor allem wenn es um die Renovierung historischer Gebäude und anderer wertvoller Baudenkmäler geht, die alle mit großer Sorgfalt behandelt werden müssen.

Übliche Infrastruktur-„Lifting“-Verfahren wie Aufstockung, Erweiterung, Verstärkung oder Facelifting können geschwächte, brüchige und ungleichmäßige Strukturen schlimmstenfalls zum Einsturz bringen, wenn sie nicht ordnungsgemäß ausgeführt werden. Aus diesem Grund führen Ingenieure vor Beginn der Arbeiten Vermessungen durch, um mögliche Risiken abzuwägen.

In der Regel handelt es sich dabei um ein terrestrisches Laser- oder LiDAR-Scanning. Viele Geräte sind jedoch auf die Erfassung von Geometrien (ohne Farben) beschränkt. Außerdem liefern sie in der Regel datenintensive Punktwolken und keine Polygonnetze, was die Arbeit mit Software von Drittanbietern erschwert. Und das größte Problem von allen? Die Sichtlinienmessung, die die Erfassung auf das beschränkt, was sie sehen können.

Bei der Erstellung eines 3D-Modells eines kleinen Alltagsgegenstands wäre dies kein Problem. Doch bei der Erfassung von industrieller Infrastruktur ist das Scannen von hoch gelegenen, unerreichbaren Oberflächen eine echte Notwendigkeit, und die Arbeit mit unvollständigen digitalen Zwillingen kann zu kostspieligen Projektfehlern führen.

Mit genau diesem Problem konfrontiert, wandte sich ein niederländischer Restaurierungsexperte an 4C Creative CAD CAM Consultants (4C) und erkundigte nach einer Lösung, mit der das Innere und Äußere einer Windmühle im Maßstab 1:1 erfasst werden konnte, um eine weitere Renovierung vorzubereiten. Die Lösung? Digitalisierung des Außenbereichs mit dem LiDAR Artec Ray II, des Innenbereichs mit Ray II und dem kabellosen Artec Leo sowie des Dachs durch Einspeisung von Drohnendaten in den KI-Photogrammetrie-Algorithmus von Artec Studio.

Das Dach der Windmühle, digital rekonstruiert mit KI-Photogrammetrie. Bild mit freundlicher Genehmigung von 4C

Erfassung einer Windmühle aus allen Blickwinkeln

Nachdem das 4C-Team beauftragt worden war, einem Kunden bei der Renovierung einer historischen Windmühle in den Niederlanden zwischen Amsterdam und Den Haag zu helfen, traf es an einem kühlen Morgen Anfang 2025 vor Ort ein.

Um das Äußere des Gebäudes zu erfassen, setzten die Experten zunächst Artec Ray II ein. Mit einer Reichweite von bis zu 130 Metern kann das auf einem Stativ montierte Gerät leicht aufgestellt werden, um ganze Szenen zu scannen und mithilfe seines visuellen Trägheitssystems das Tracking selbständig aufrechtzuerhalten. In diesem Fall lieferte Ray II einen sehr detaillierten Scan des Schaufelrads und der Ziegelfassade der Mühle, doch fehlte noch das Dach.

Der Eigentümer von 4C, Edwin Rappard, entschloss sich daher, eine DJI-Drohne einzusetzen. Die Videokompatibilität von KI-Photogrammetrie machte die Erfassung des Daches dabei unglaublich einfach. Selbst als Drohnen-Amateur entdeckte Rappard, dass es möglich war, brillante Ergebnisse zu erzielen, indem er einfach um das Gebäude herumflog und auf Aufnahme drückte.

Der schließlich entstandene Datensatz umfasste jedoch nicht umfänglich das Innere der Windmühle, in dem sich ein kompliziertes System von Zahnrädern, die das Rotationssystem der Mühle antreiben, befindet. Um dies alles noch zu digitalisieren, musste Artec Leo eingesetzt werden, ein kabelloses tragbares Gerät, das 35 Millionen Datenpunkte pro Sekunde erfasst. Leo ermöglichte es, direkt in den kalten, beengten Raum zu klettern und alles mit schnell und genau zu scannen.

Dort, wo im Inneren der Mühle etwas Platz zur Verfügung stand, setzte das Team auch Ray II ein, um Daten in Höchstgeschwindigkeit zu erfassen. Das Team tat dies in dem Wissen, dass die Daten von verschiedenen Scannern in Artec Studio problemlos kombiniert werden können. Laut Bart Wever, einem 3D-Scanspezialisten bei 4C, der in das Innere der Windmühle kletterte, meisterten die Artec-3D-Scanner die Aufgabe perfekt und erfassten alle erforderlichen Präzisionsprüfdaten.

Das fertige 3D-Modell von 4C zeigt das Innere der Windmühle Roelofarendsveen. Bild mit freundlicher Genehmigung von 4C

„Die größte Herausforderung bestand darin, die beiden Datensätze von innen und außen aufeinander abzustimmen, da die Mühle nur sehr wenige Öffnungen hatte. Es gab eine kleine Vorder- und eine Hintertür, so dass es gar nicht einfach war, Scans von innen und außen zu erhalten, um sie anschließend korrekt auszurichten“, erklärt Wever. „Doch mit Ray II konnten wir die Arbeit ohne große Probleme erledigen. Am Ende reichte das aus, um ein perfekt ausgerichtetes, vollständiges 3D-Modell zu erstellen.“

"Wir erreichten eine hervorragende Ausrichtung, ohne dass wir irgendwelche Schachbrettmuster oder Markierungen benötigten. Das integrierte VIS-System von Ray II funktionierte perfekt. Da gab es gar keine Probleme!"

Zusammenführung von Datensätzen in Artec Studio

Man könnte meinen, dass die Zusammenführung von drei sehr unterschiedlichen Datensätzen schwierig sein würde, doch in Artec Studio ist der gesamte Ablauf unkompliziert. Der Algorithmus der Software für die Fusion von Scans mit mehreren Auflösungen ermöglichte es dem Team von 4C, ein unglaublich detailliertes Modell zu erstellen, wobei aus jedem Scan jeweils die Daten mit der höchsten Auflösung verwendet wurden. Mit Hilfe der Photogrammetrie wurde dann ein Polygonnetz des Dachs erstellt, das mit dem detaillierteren Datensatz zusammengeführt wurde.

Interessanterweise stellte Wever fest, dass er mit Hilfe der nutzerfreundlichen Werkzeuge in Artec Studio die erfassten Daten in zusammenhängende Teile zerlegen und diese nach dem Import wieder zusammenfügen konnte. So konnte er sicherstellen, dass die Daten nicht zu dicht waren, als dass sein PC sie hätte verarbeiten können. Die Scan-Reduzierung von Artec Studio kann ebenfalls für einen ähnlichen Effekt genutzt werden, indem die Polygonanzahl vermindert wird, um das 3D-Modell leichter verarbeitbar und nutzbar zu machen.

Das Windmühlenmodell von 4C im Röntgenmodus in Artec Studio. Bild mit freundlicher Genehmigung von 4C

Ein weiterer Vorteil des gewählten Ansatzes besteht darin, dass die Photogrammetrie-Daten auf die Größe der Ray II Scans skaliert werden konnten, was zu einem echten originalgetreuen Modell mit lebendigen Texturen führte.

Insgesamt lieferte die Kombination der Datensätze eine äußerst beeindruckende Detailerfassung. Von den schmalen Lücken zwischen den Schaufelblättern bis hin zu den einzelnen Zahnrädern und den drei einzelnen Etagen des Windrads ist alles deutlich zu erkennen. Sollte das Mühlensystem gewartet werden müssen, könnten die Daten laut Wever derart genau erfasst werden, dass sie für das Reverse Engineering und die Fertigung von Ersatzteilen verwendet werden könnten.

„Bei dieser Art von Gebäuden gelten Toleranzen von einem Millimeter bereits als ziemlich hoch, so dass Leo mehr als scharf genug ist, um ein 3D-Modell zu erfassen und einzelne Zahnräder zu reproduzieren“, erklärt Wever. „Außerdem sind die Teile ziemlich groß – ein riesiges Zahnrad dreht die gesamte Struktur. Wir reden hier also nicht über winzige Teile. Wenn er hineinpassen würde, bin ich überzeugt, dass Ray II allein ausgereicht hätte.“

Weitere Möglichkeiten in der Architektur?

Letztendlich konnte das 4C-Team ausreichend genaue Daten für die Renovierung der Windmühle ihres Kunden erfassen. Aber das ist noch nicht alles, denn die Spezialisten sehen noch in anderen Bereichen der Infrastruktur ein beträchtliches Potenzial für die einzigartige Kombination von 3D-Scannern und Photogrammetrie von Artec 3D.

Das Windmühlenmodell von 4C in Artec Studio. Bild mit freundlicher Genehmigung von 4C

Rappard beschreibt KI-Photogrammetrie als „die perfekte Ergänzung zum 3D-Scannen“ und sagt, dass „kein anderes Paket auf dem Markt“ verschiedene 3D-Datensätze so gut kombinieren kann wie Artec Studio. Durch die Verwendung vollständiger, hochdetaillierter 3D-Polygonnetze anstelle von schwerfälligen Punktwolkendaten werden Architekten und Bauingenieure seiner Meinung nach die Vermessung bald auf ein neues Niveau heben können.

„Der Einsatz von Ray II zusammen mit einer Drohne – und natürlich Leo – eignet sich ideal für die digitale Erfassung von Kulturdenkmälern, kann aber auch im Bauwesen nützlich sein, einem Markt, in dem wir noch viel Potenzial für 3D-Scanner sehen“, so Rappard abschließend. „Als wir mit dem 3D-Scannen begannen, waren wir wie Missionare (die die Kunde von den Vorteilen des Verfahrens verbreiteten). Jetzt ist es wie eine Rückbesinnung. Die Technologie hat sich durchgesetzt, aber in der Baubranche hat sie immer noch diesen ‚Wow-Faktor‘!“

Es liegt auf der Hand, dass die traditionellen Technologien das Bauwesen nach wie vor gefragt sind. Dank 3D-Scanning-Experten wie denen von 4C ist es jedoch nur eine Frage der Zeit, bis sich das breit gefächerte Angebot von Artec für die 3D-Datenerfassung eine eigene Nische in der sich modernisierenden Branche erobern wird.