Laserscanning: vom Punkt zur Wolke zum Dreieck

10.06.2011

„Wohnen Sie auch in Bergedorf?“, fragt Professor Thomas Schramm. Doch die Lehrer vom Gymnasium Lohbrügge (Gyloh) schütteln die Köpfe. „Leider nicht,“ sagt Geografielehrerin Barbara Lorenz und blickt auf einen blühenden Rhododendron. „Wenn man das hier so sieht.“ Das hier ist die Hamburger Sternwarte in Bergedorf, ein idyllischer Park mit hohen Bäumen und neobarocken Kuppelbauten. Die Kuppeln lassen sich öffnen und geben den Blick frei auf die Himmelskörper. Für den besseren Durchblick sorgen Hebebühnen und Großteleskope, die inzwischen selbst Geschichte, aber immer noch funktionsfähig sind.

Profilübergreifende Kompetenzen

Doch die vier Lehrer sind keine Sternegucker. Sie sind am Freitagnachmittag in die Sternwarte gekommen, um eine Unterrichtseinheit für das kommende Physikprofil abzustimmen: Gebäudevermessung und Modellierung in 3D verspricht das Modul, das die Fächer Physik, Mathematik, Informatik und Geografie verbindet und in Zusammenarbeit mit Geomatikern der HafenCity Universität HCU realisiert werden soll. Dabei steht der Begriff Geomatik für die digitale Erfassung, Auswertung und Visualisierung von raumbezogenen Informationen – und ein Berufsbild, das die Bereiche Immobilienbewertung, Risikoabsicherung und Fehlervermeidung verbindet.

Laserscanning
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Virtuelle Begehungen

„Die Lasertechnik bringt Lösungen, die eine moderne Bildtechnik allein nicht schafft“, erklärt Diplomingenieur Walter Sieh vom Landesbetrieb Geoinformation und Vermessung. Der LGV und damit die Stadt Hamburg unterstützt das neue Hochschulmodul zum Thema Vermessung. „Wir benutzen das 3D-Stadtmodell etwa für die Sichtachsenanalyse“, nennt Sieh ein Beispiel: So dürfen die Hamburger Kirchtürme nicht verbaut werden oder muss die Uhr vom Michel von der Mönckebergstraße aus sichtbar bleiben. Aber auch Versicherungen fragen nach 3D – zur Risikoanalyse von Events. Oder Triathlon-Teilnehmer, die sich auf das Sportereignis vorbereiten wollen: „Die Teilnehmer können den Weg vorab schon einmal virtuell ablaufen.“

Vereinigung der MINT-Fächer

Das ist spannend, finden die Lehrer und damit hat Walter Sieh gleich einen Job mehr: Der Ingenieur soll die Schüler in einem Einführungsvortrag dreidimensional einstimmen. Im nächsten Schritt kommt die Physik zum Zuge und erklärt die Grundlagen der Lasertechnik. Nach dem Messtag in der Praxis zusammen mit HCU-Mitarbeitern werden die gescannten Daten in Mathematik und Informatik zu einem 3D-Modell bearbeitet und in der Geografie mit Koordinaten kartografisch verarbeitet. So weit der Plan. Was die Schüler aber genau vermessen sollen, steht noch in den Sternen.

Wissenschaftspark im Aufbau

Allerdings nicht, wenn es nach Professor Schramm geht: Die Schüler sollen die historischen Gebäude von innen und außen vermessen und dann die Daten der Ausstellung „100 Jahre Sternwarte“ im Jahre 2012 zur Verfügung stellen. „Hier wird mal ein Wissenschaftspark entstehen“, sagt Schramm, der ganz in der Nähe aufgewachsen ist, zwölf Jahre lang vor Ort gearbeitet hat und seine Doktorarbeit in der „schönsten Bibliothek Norddeutschlands“ einstellen durfte, wie er mit einem Schmunzeln verrät.

Laserscanning
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Führung vom Experten

Schon merkwürdig, die Sternwarte hat inklusive Bibliothek und Kuppelbauten das Zeug zum Weltkulturerbe und ist doch in Hamburg und selbst am nicht weit entfernten „Gyloh“ weitgehend unbekannt. Nur für Thomas Schramm ist sie ein Stück Heimat: „Ich habe hier früher Führungen gemacht, wenn ich also zu viel rede, müssen Sie mir das sagen.“ Aber die Lehrer sagen nichts, sie lachen nur und lassen sich führen: „Man hat mir auch gleich den Generalschlüssel gegeben. Die Verantwortung lastet auf mir“, so der Professor im „Führungsmodus“, wie er sagt.

Verregnete Pläne

Zunächst besichtigt die Gruppe das „Äquatoreal”, das älteste in Bergedorf aufgestellte Fernrohr und mit einer Brennweite von drei Metern das größte seiner Art. „Eigentlich hatten wir hier den Außendienst geplant“, sagt der Astrophysiker. Nur, das Wetter spielt nicht so ganz mit, es hat schon geregnet und das schadet sowohl dem rund 80.000 Euro teuren Gerät als auch den Scans selbst: „Regentropfen bereiten definitiv Probleme“. 

Erste Scan-Versuche

Dafür steht der 3D-Scanner jetzt im „Großen Refraktor“, einem imposanten Gebäude mit einem riesigen Teleskop. Diplomingenieur Carlos Acevedo markiert die Wände mit schwarz-weißen Kalibrierungsmustern, dann stellt er die Auflösung ein, 30 Sekunden für die niedrigste, zwölf Minuten für die höchste Qualität. In dieser Zeit dreht sich der Laser um die eigene Achse, misst im Schnitt 800.000 Rasterpunkte pro Sekunde und setzt diese zu einem Schwarz-Weiß-Bild der sichtbaren Umgebung zusammen – unter und über dem Gerät kommt der Laserstrahl nicht hin, Gegenstände, die von anderen verdeckt werden, können nicht erfasst werden.

Laserscanning
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Schüler sollen selbstständig messen

„Die Schüler müssen sich überlegen, wo sie das Gerät am besten aufstellen und wie viele Scanplätze sie benötigen“, sagt Professor Schramm. Das dürfte noch die einfachste Übung sein. Schwieriger wird es, die physikalischen Hintergründe bei dem Phasendifferenzverfahren zu verstehen, das mit mehreren sinusförmigen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge arbeitet. Noch schwieriger, aus den vielen Rohdaten, „Punktwolken“, wie die Messtechniker sagen, mit Hilfe der aufgeklebten Marken ein 3D-Modell zu modulieren. „Das müssen wir didaktisch-methodisch noch genau durchleuchten“, so Schramm.

Starkes Profil

Dafür hat der Professor die Profis aus dem Lohbrügger Gymnasium an der Seite. Physiklehrerin Vera Borchert sorgt sich ein wenig um die Beteiligung aller Schüler, sollte das kommende Profil tatsächlich 30 Schüler stark werden. Schramms Idee: es gibt sechs Arbeitsgruppen zu fünf Personen, eine Gruppe scannt, ein zweite kontrolliert die Daten, eine dritte scannt kleinere Objekte mit einem anderen Verfahren – und das ganze durchgeführt mit zwei Geräten der HCU und zusätzlich zwei David-Scannern: „Die müssten wir allerdings noch anschaffen“, sagt Schramm mit Blick auf die Initiative NaT, die für die Entwicklung der Module den bundesweiten Wettbewerb „Nachhaltige Hochschulstrategien für mehr MINT- Absolventen“ gewonnen hatte.

Schule oder Sternwarte?

Bleibt noch die Frage, welches Gebäude gescannt werden soll. Geografielehrerin Lorenz plädiert für das Schulgebäude selbst. „Das ist näher an der Lebenswirklichkeit der Schüler und man kann zugleich ein Wärmebild erzeugen.“ Das wäre dann vielleicht der Anfang für ein Energiesparkonzept an der Schule und würde die Homepage auf jeden Fall aufwerten. Professor Schramm zeigt sich ein wenig enttäuscht. „Ich habe nun mal ein Bein in der Sternwarte."