3D Streifenlicht-Scannen am Ende der Welt

3D Streifenlicht-Scannen der Historischen Hütten
von Scott und Shackleton

KO21 ist eine langfristig angelegte multidisziplinäre Forschungsstudie, die unter anderem die Auswirkungen des biologisch und nicht-biologisch bedingten Verfalls auf die historischen Hütten der berühmten britischen Antarktisforscher Robert
Falcon Scott und Ernest Shackleton auf Ross
Island untersucht. 

Zielsetzung und Messobjekt

Im Januar 2011 machten sich Mitglieder der Firma Geometria und der Universität Waikato (ebenfalls Neuseeland) auf den Weg nach Ross Island (Antarktis), um dort mit Hilfe von Streifenlicht- und Laserscannern ein umfassendes Projekt zur dreidimensionalen Erfassung von Scotts Hütten am Hut Point und am Cape Evans sowie Shackletons Hütte am Cape Royds durchzuführen. Die Holzhütten, in England vorfabri-ziert und während dieser heroischen Ära zur Erforschung der Antarktis vor Ort aufgestellt, symbolisieren eines der großen Zeitalter voll menschlichen Bemühens und Durchhaltevermögens. Die gewonnenen Scandaten werden nicht nur für Untersuchungen unterschiedlichster Fachrichtungen einen nützlichen Beitrag leisten, sondern auch als Basis zur Entwicklung interpretativer Modelle für ein breiteres Publikum dienen. Obgleich die Holzunterkünfte als denkwürdige Zeitzeugen dieser berühmten Britischen Antarktisexpedition Terra Nova (1910-1913) über ein Jahrhundert lang in einer der rauesten und ungastlichsten Umgebungen der Welt jeglicher Art von Wind und Wetter ausgesetzt waren, sind sie doch in erstaunlich gutem Zustand.

Seit sie vor etwa 100 Jahren aufgegeben wurden, waren die Hütten aufgrund ihrer Abgeschiedenheit keinen größeren menschlichen Einflüssen ausgesetzt, abgesehen von vereinzelten jüngeren wissenschaftlichen Untersuchungen im Hinblick auf Verfall sowie Maßnahmen zur Erhaltung der Gebäude und ihrer Inhalte. Die kulturhistorische Relevanz dieser Fundorte gepaart mit ihrer geographischen Unzugänglichkeit erfordert nicht nur ihre digitale Repräsentation und Modellierung, sondern auch aus der Ferne realisierbare Analysen und Interpretationen für eingehende wissenschaftliche Studien.

Messsystem und Aufbau

Breuckmanns Streifenlicht-Scanner smartSCAN ^3D-HE wurde gewählt, um ein herausforderndes 3D-Scanprojekt dieser Größenordnung unter den gegebenen rauen antarktischen Bedingungen zu meistern und somit eine technologisch realisierbare Lösung mit beständiger, zuverlässiger Leistung wie auch die Generierung hochpräziser Daten zu bieten. Das smartSCAN ^3D-HE besteht aus einer Projektoreinheit in der Mitte der Scannerbasis, welche mit dem Funktionsprinzip der Miniaturisierten Projektionstechnik (MPT, Patent der Breuckmann GmbH) in hochfrequenten Abständen eine hohe Anzahl von Streifenlichtmustern auf das Messobjekt projiziert. An den Endstücken der Scannerbasis befinden sich hochauflösende Farbdigitalkameras
(5 Megapixel), die jeden einzelnen Projektionspunkt des auf der Objektoberfläche generierten Lichtmusters aufnehmen. Anschließend führt ein spezieller Algorithmus eine Triangulationsberechnung durch, um die exakte Position jedes Punkts auf dem Streifenlichtmuster zu ermitteln – wobei für jede Scanaufnahme bis zu Millionen von Punkten verarbeitet werden.

Arbeitsablauf

Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen sowie stetig zunehmender Besucherzahlen bedürfen sowohl die Strukturen der Hütten als auch deren Inhalte gründlicher wissenschaftlicher Untersuchungen sowie der Archivierung und Modellierung zu interpretativen Zwecken. Angesichts des beschränkten Zeitrahmens von nur 12 Feldtagen ist die umfassende und somit zeitintensive 3D-Erfassung eines so umfangreichen Messobjekts eine besondere Herausforderung. Nichtsdestotrotz gelangen den Mitgliedern der Expedition zahlreiche Aufnahmen der Hütten, sowohl der externen Baustrukturen wie auch der diversen Artefakte der Innenräume. Die hochauflösenden Farbkameras des smartSCAN ^3D-HE machen es möglich, sämtliche Objekte nicht nur mit äußerst hoher Genauigkeit und Detailtreue, sondern auch in ihren tatsächlichen Farben aufzunehmen. Aufgrund der störenden Einflüsse durch das Umgebungslicht stellte das Scannen außerhalb der Hütten die größte Herausforderung dar: Im antarktischen Sommer mit 24 Stunden Tageslicht kommt das Licht aus allen Richtungen; darüber hinaus wird es durch Schnee reflektiert. Sämtliche Scanaufgaben der äußeren Hütten-Oberflächen mussten daher unter großflächigem, behelfsmäßig zusammengefügtem Lichtschutz durchgeführt werden, der nicht in allen Fällen gleichermaßen problemlos verfügbar war oder hergestellt werden konnte. Bei zukünftigen Scanprojekten in der Antarktis plant das Team mit vorfabrizierten, faltbaren Lichtabdeckungen zu arbeiten, anstatt vor Ort mit Plastikplanen und Bettlaken
zu improvisieren.

Das Scangerät wurde bei extrem kalten Temperaturen von -2°C bis -12°C eingesetzt, was jedoch keinerlei Auswirkungen auf das System selbst oder die Qualität der Scandaten zeigte: Das solide arbeitende smartSCAN ^3D-HE ist somit der ideale Partner für Arbeiten in rauer und anspruchsvoller Umgebung!

Ergebnis

Das Verfahren des dreidimensionalen Weißlicht-Scannens ermöglicht hochpräzise, authentische Aufnahmen des aktuellen Zustands der externen Hüttenstrukturen wie auch ihrer Inneneinrichtungen. Die im Rahmen dieses Projekts erzeugten digitalen Daten sind ein wichtiger Teil für fortlaufende Erhaltungsplanung und -umsetzung für diese bemerkenswerten Stätten. Des Weiteren dienen sie als Grundlage zur wissenschaftlichen und bildungsrelevanten Interpretation der Polarforscher-Hütten; eine Verbreitung dieser Daten ermöglicht einem weiten Anwenderkreis individuelle Analysen und Interpretationen. Archäologen, Kulturgutschützer, Restauratoren von Architekturstätten und Mikrobiologen sind gleichermaßen interessiert an Analyse und Auslegung unterschiedlichster Aspekte sowohl der kulturerblichen Bedeutung als auch der geschichtlichen Entwicklung dieser Fundstätten.

Referenz

“Durch den Einsatz des smartSCAN ^3D-HE Systems von Breuckmann war es uns möglich, die Projekt-
zielsetzungen für unsere Feldeinsatz-Saison 2011 anforderungsgemäß zu erfüllen. Wir bezeugen daher nur zu gerne die Leistungsfähigkeit dieser Ausrüstung, Scandaten in der von unseren Projektpartnern geforderten hohen Auflösung zu erfassen. Noch wichtiger zu bemerken sind die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit, die das smartSCAN ^3D-HE in den rauen Umgebungsbedingungen der Antarktis unter Beweis gestellt hat – gerade dort, wo Systemausfälle an der Tagesordnung sind”. (Russell Gibb, Geometria Ltd.)

Wir bedanken uns bei den Mitarbeitern von der Firma Geometria für die
freundliche Bereitstellung des Informations- und Bildmaterials zur Erstellung dieses Anwenderberichtes. Eine Literaturliste zu diesem Thema stellen wir Ihnen
gerne zur Verfügung.