Alles, was Sie über SLAM und mobiles Mapping wissen müssen

Was ist SLAM?

Wie funktioniert es und warum ist es so wichtig für mobiles Mapping?

Grundlagen

SLAM steht für Simultaneous localization and mapping (auf Deutsch: Simultane Positionsbestimmung und Kartierung) und ist keine Software im eigentlichen Sinne oder gar ein einzelner Algorithmus. Stattdessen handelt es sich um einen Oberbegriff für eine Technologie, die bereits in den 80er Jahren entwickelt wurde, um es Robotern zu ermöglichen, ohne Karte autonom durch neue Umgebungen zu navigieren.

Um das zu bewerkstelligen, muss der Roboter sich selbst verorten können, gleichzeitig aber auch eine Karte seiner Umgebung erstellen. Das ist keine leichte Aufgabe: Um den eigenen Standort ermitteln zu können, braucht der Roboter eine Karte der Umgebung; um eine Karte erstellen zu können, muss er allerdings vorher seinen eigenen Standort kennen.

Die Katze beißt sich hier also in den Schwanz und es ergibt sich ein nicht enden wollender Kreis von Abhängigkeiten.

Wie funktioniert SLAM?

Es ist wichtig festzuhalten, dass es bei SLAM keinen Königsweg gibt, sondern viele verschiedene Herangehensweisen. Dennoch funktionieren alle weitestgehend nach dem gleichen Prinzip:

Beim Starten des Roboters werden die von den eingebauten Sensoren aufgenommenen Daten mit der SLAM-Technologie verknüpft und dann mithilfe von Computer-Vision-Algorithmen verarbeitet, um Strukturen in der Umgebung zu erkennen. Auf diese Weise kann eine grobe Karte erstellt und eine erste Schätzung der Position des Roboters abgegeben werden.

Wenn sich der Roboter weiterbewegt, übernimmt der SLAM-Algorithmus diese anfängliche Positionsschätzung, sammelt mit Hilfe der eingebauten Sensoren neue Daten und liefert eine neue (und verbesserte) Positionsschätzung. Sobald diese neue Positionsschätzung bekannt ist, wird die Karte wiederum aktualisiert, womit der Vorgang abgeschlossen ist.

Durch die kontinuierliche Wiederholung dieser Schritte wird die Trajektorie des Roboters erfasst und mitverfolgt, während dieser sich durch die Anlage bewegt. Gleichzeitig wird eine detaillierte Karte erstellt.

Wie hat sich SLAM weiterentwickelt?

Aufgrund des rasanten Wachstums der Rechenleistung seit den 80er Jahren - ganz zu schweigen von der Verfügbarkeit von frei herunterladbarem Code von Unternehmen wie Google - wird SLAM heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Bei praktisch jeder Maschine, die eine aktuelle 3D-Karte ihrer Umgebung benötigt, spielen SLAM-Algorithmen eine große Rolle.

Hier sind einige wichtige Anwendungsfälle:

• Dronen und Staubsaugerroboter
• Autonomes Fahren
• Augmented-Reality-Apps
• Mobile 3D-Mappingsysteme
  
  

SLAM und mobiles Mapping

Sprechen wir endlich über die Anwendung von SLAM, die uns am wichtigsten ist: mobile Mappingsysteme. Im Grunde handelt es sich dabei um Laserscanner, die darauf ausgelegt sind, den Scanning-Workflow für die Erfassung von Gebäuden stetig zu optimieren.

Um bestmögliche Ergebnisse beim Erfassen der Umgebung zu erreichen, wird bei mobilen Mappingsystemen auf eine Kombination aus präzisen Sensoren und SLAM-Technologie gesetzt. Mit einem solchen mobilen Mappingsystem können 3D-Punktwolken und Panoramabilder im Vorbeigehen erfasst werden und Dokumenationen für große Anlagen, Bürogebäude oder komplexe Umgebungen wie Fabriken erstellt werden.

Solche Systeme werden oft unterschiedlich bezeichnet:

• mobile Indoor-Mappingsysteme
• Walkaround Mappingsysteme
• SLAM-Laserscanner

Aber im Wesentlichen meinen alle das Gleiche.

Diese Geräte sind jedoch nicht zu verwechseln mit mobilen Systemen, welche zum Scannen großer Outdoor-Projekte auf einem Fahrzeug montiert werden.

Wie unterstützen SLAM-Algorithmen
mobiles Mapping?

SLAM ist die „Geheimzutat“, mit der es möglich wird, ein Mappingsystem ohne Stativ zu nutzen.

Dabei werden die von den Gerätsensoren aufgenommenen Daten zusammengeführt und verarbeitet, um die jeweils aktuelle Position zu bestimmen. Jede Position auf dieser Bewegungsbahn kann man sich als „virtuelles Stativ“ vorstellen, das die Software während der Datenprozessierung verwendet, um sicherzustellen, dass sich jeder Punkt in der Punktwolke an der richtigen Stelle befindet.

Vorteile

Erst die SLAM-Technologie hat die Entwicklung mobiler Mappingsysteme erst möglich gemacht, so dass es auch im Bereich Gebäudedokumentation Anwendung findet.

Lange Zeit wurden Baudokumentationen manuell erstellt, beispielsweise mit Zollstock oder Theodoliten. In den 80er Jahren kamen dann die ersten Tachymeter auf, die einzelne Punkte deutlich schneller und mit extrem hoher Präzision erfassen konnten. Mit terrestrischen Laserscannern (TLS), die etwa in den 2000er Jahren auf den Markt gebracht wurden, konnten sogar Millionen von Punkten gleichzeitig erfasst und Gebäude so noch schneller gescannt werden.

Im Jahr 2015 gelang mit den ersten SLAM-basierten mobilen Mappingsystemen ein weiterer Durchbruch: Im Gegenteil zu terrestrischen Laserscannern (TLS) sind diese nicht ortsgebunden und können stattdessen während des Scannens problemlos durch den Raum bewegt werden. Dabei erfassen sie kontinuierlich Millionen von Punkten aus verschiedenen Perspektiven und sammeln weitere Daten, wie z. B. 360°-Bildern, die mit Hilfe von integrierten RGB-Kameras aufgenommen werden.

SCHNELLE ERFASSUNG

Wer bereits einmal mit einem TLS gearbeitet hat, weiß, dass der Scanner während eines einzigen Projektes dutzende, wenn nicht sogar hunderte Male neu positioniert werden muss. Beim mobilen Mapping entfällt dieser Arbeitsschritt komplett, wodurch der ganze Scanprozess beschleunigt wird: Mit einem mobilen Mappingsystem kann eine typische Umgebung ca. zehnmal schneller gescannt werden als mit einem TLS.

SCHNELLERE REGISTRIERUNG

Da ein TLS nur einen kleinen Bereich auf einmal erfassen kann, müssen die einzelnen Scans miteinander verbunden werden, um die finale Punktwolke zu erzeugen. Dafür müssen sich die Scans allerdings überlappen, was die Entfernung einschränkt, die ein TLS zum nächsten Messort bewegt werden kann. Alternativ kann mit Zielmarken gearbeitet werden, was jedoch komplex und zeitaufwändig ist.

Ein mobiles Gerät scannt kontinuierlich - in manchen Fällen bis zu 3.000 m²  - bevor  ein weiterer Scan begonnen werden muss. So kann bei geringem Arbeitsaufwand eine vollständige Erfassung sichergestellt werden.

LÜCKENLOSE DATENSÄTZE

Da jeder Laserscanner nur das erfassen kann, was sich in seinem Sichtfeld befindet, muss ein TLS bei einem Hinderniss manuell auf eine neue Position bewegt werden, da sonst unerwünschte Lücken in den Datensätzen entstehen können. Mit einem mobilen Gerät hingegen kann ein Hinderniss einfach im Vorbeigehen erfasst werden, ohne das Gerät neu positionieren zu müssen.

INTUITIVE, FOTOREALISTISCHE DOKUMENTATION

Die besten mobilen Mappingsysteme nutzen eine Kombination aus Lidar-Sensoren und RGB-Kameras, um einen farbigen, fotorealistischen 3D-Datensatz des Gebäudes zu erfassen. Einen solchen digitalen Zwilling können aber nicht nur Profis nutzen: Auch Laien können die 3D-Modelle navigieren, erkunden und für Messungen nutzen.

FEEDBACK IN ECHTZEIT

Führende mobile Mappingsysteme verfügen über ein Touch-Display, auf dem ein Echtzeit-Feedback angezeigt wird, mit dessen Hilfe die Qualität des Scans live bewertet werden kann. Sie haben etwas übersehen? Nicht erfasste Bereiche werden Ihnen auf dem Display angezeigt, sodass Sie dies umgehend korrigieren können.

Mobiles Mapping vs terrestrisches Laserscanning

Worin sich die beiden Workflows unterscheiden und welcher Scanner sich besser für Ihr Projekt eignet

Um die Vorteile von SLAM und mobilen Mapping-Systemen zu verdeutlichen, sollten wir uns zunächst einmal ansehen, wie sie bei der Dokumentation einer typischen Büroumgebung im Vergleich zu einem TLS  abschneiden.

Unten sehen Sie, wie der Laserscanner aufgestellt werden müsste, um diesen komplexen Raum mit einem TLS und zielmarken-basierter Registrierung zu erfassen. Für eine Cloud-to-Cloud-Registrierung müssten Sie den Scanner zusätzlich noch in jedem Türrahmen aufstellen, wenn Sie nicht noch zusätzlich Zeit aufwenden wollen, Zielmarken einzurichten. Wird die Sicht des Scanners durch Hindernisse wie etwa Möbelstücke blockiert oder wollen Sie Details wie Fensterrahmen erfassen, muss der Scanner noch einige Male neu positioniert werden.

Im günstigsten Fall könnte man diesen Raum mit einem TLS in etwa 20 Minuten scannen, aber angesichts der oben aufgeführten zusätzlichen Umstände ist es wahrscheinlich, dass man mehr Zeit dafür benötigen wird.

Mit einem mobilen Mapping-Workflow hingegen können Sie getrost auf das Stativ verzichten und den Raum einfach mit dem Gerät abgehen. Sie können sich schnell fortbewegen und trotzdem sicher sein, dass Sie alles aufgenommen haben, was Sie brauchen.

Welchen Mehrwert bringt mobiles Mapping?

SLAM-Technologie und mobiles Mapping ermöglichen Ihrem Unternehmen völlig neue Möglichkeiten. Dank des schnellen und flexiblen Workflows können Sie neue Kunden gewinnen, bereits bestehenden Kunden einen noch besseren Service bieten, um Ihr Angebot weiter auszubauen.

HÖHERE EFFIZIENZ

Mit einem mobilen Mappingsystem schaffen Sie mehr Projekte in kürzerer Zeit - und das bei geringeren Kosten.

GERINGERE AUSFALLZEITEN

Gerade in Branchen wie dem Gesundheitswesen oder der Fertigung ist es essenziell, die Unterbrechung des Betriebs auf ein Minimum zu reduzieren. Wenn Sie in diesem Bereich Fuß fassen wollen, ist die kurze Erfassungszeit eines mobilen Scanners Gold wert.

BREITERES KUNDENANGEBOT

Dank Ihres mobilen Scanners können Sie Ihren Kunden außerdem immersive 360°-Rundgänge anbieten und sich so von Ihrer Konkurrenz abheben.

MEHR FLEXIBILITÄT

Auch Kunden mit einem geringeren Budget können Sie hochqualitative Datensätze zu niedrigen Preisen anbieten.

WETTBEWERBSVORTEIL

Dank höherer Effizienz, mehr Flexibilität und kürzeren Scanzeiten können Sie Ihr Angebot erweitern und sich so von Ihrer Konkurrenz abheben.