Vom Kölner Dom zum »3Dom«

Modernste Vermessungstechnik trifft auf historisches Bauwerk

Wer sich Köln nähert, sieht meist zuerst ihn: Über 157 m ragt der ­Kölner Dom in den Himmel über der Stadt – er ist Weltkulturerbe, Kölner Wahr­zeichen und ein Wunder sakraler Baukunst. Mit bis zu 20.000 ­Besuchern pro Tag ist Europas zweithöchstes Kirchengebäude eine der meistbesuchten Sehenswürdigkeiten Deutschlands. Doch Witterung, Luftverschmutzung, Besucherströme und Vandalismus ­setzten der Kathedrale stetig zu. Modernste Vermessungstechnik hilft nun bei der Daueraufgabe, das Gotteshaus für die Zukunft zu erhalten, und bringt den Dom dafür digital in die »Cloud«.

 

»Wenn der Dom fertig ist, geht die Welt unter«, so besagt es zumindest ein kölsches Sprichwort. Allzu große Sorgen über den Weltuntergang macht man sich am Rhein allerdings nicht, denn seit Baubeginn im Jahr 1248 ist und bleibt die Hohe Dom­kirche St. Petrus eine Dauerbaustelle. Bis heute dauert beispiels­weise die Behebung von Kriegsschäden aus dem Zweiten Welt­krieg an; ohne die ständigen Bau- und Reparaturmaßnahmen der Kölner Dombauhütte wäre das Kölner Wahrzeichen innerhalb weniger Jahre sogar akut gefährdet.

In einem Gemeinschaftsprojekt der Kölner Hochschule Fresenius, der Heriot-Watt University Edinburgh und der Kölner Dombau­verwaltung wurde die Kathedrale mit Unterstützung der Firma Zoller + Fröhlich nun erstmals komplett digital vermessen, um ei­ne vollständige 3-D-Bestandsaufnahme des drittgrößten Kir­chen­­gebäudes der Welt zu erhalten. »Der Dom ist wirklich gigantisch. Jeder Winkel stellte eine besondere Herausforderung dar«, so Prof. Chris Wickenden, Mitinitiator und Studiengangs­leiter des Studiengangs 3D-Mind & Media an der privaten Hoch­schule Fresenius in Köln. Innerhalb eines Jahres haben seine Studenten gemeinsam mit Douglas Pritchard, Professor an der schottischen Heriot-Watt University, und mit Experten von Zoller + Fröhlich den gesamten Dom von innen und außen digi­tal vermessen. »Ziel des Projektes war es, ein identisches Abbild der Kathedrale zu erhalten, mit minimalen messtechnischen Abweichungen«, so Pritchard.

Wie anspruchsvoll diese Aufgabe werden würde, war zunächst nicht absehbar, als sich Wickenden und Pritchard auf einer Fachtagung kennenlernten. Pritchard engagiert sich seit vielen Jah­ren für die amerikanische Institution CyArk, die weltweit Kultur­erbestätten digitalisiert, und hat u. a. bereits Mount Rushmore und St Michael’s Mount für das digitale CyArk-Archiv gescannt. So entstand die fixe Idee, »das müsste man unbe­dingt auch mit dem Kölner Dom machen«. Pritchard kannte den Dom bereits von einem früheren Besuch in Köln. »Bei unserer Begehung des Kölner Doms war er dann aber doch etwas geplättet«, erinnert sich Jörg Sperner von der Kölner Dombauverwal­tung, die zu­nächst etwas zurückhaltend auf die Idee der beiden Professoren reagierte. »Immer wieder kommt eine Universi­tät auf uns zu mit der Idee, den Dom digital nachzubauen. Das verläuft aber meist nach zwei Monaten im Sande, weil dann oft klar wird, dass es eben ein komplexes Bauwerk ist und keine Wand von 45 m Breite und Höhe. Da steckt wesentlich mehr Arbeit dahinter. Aufgrund der Größe, der Schwierigkei­ten und der Zugäng­lichkeiten hat einfach irgendwann jeder ge­sagt: Das ist eine Hausnummer zu groß«, so Sperner, der das Projekt für die Kölner Dombauverwaltung betreut.

Pritchard aber war sich seiner Sache sicher, es sei »eine tolle He­rausforderung, ein Gebäude dieses Ausmaßes zu scannen«. Im Mai 2015 begannen mit Unterstützung des Allgäuer Familienunternehmens Zoller + Fröhlich die ersten Vermessungs­arbeiten. In kleinen Teams arbeiteten sich Pritchard, Experten von Zoller + Fröhlich und Studenten der Hochschule durch den Innenraum des Doms, zum Einsatz kamen zwei terrestrische La­serscanner – Z+F IMAGER® 5010C und Z+F IMAGER® 5010X. Die Scanner wurden zunächst durch den gesamten Innenraum bewegt, dann entlang des Triforiums und an den Schnittpunkten der Rippengewölbe sowie oben auf der Empore. Sperner: »So haben wir versucht, die Informationsdichte in der gesamten Punktwolke gleichmäßig zu verteilen. Das ist uns nicht überall gelungen. Wir sind aber schon jetzt sehr zufrieden damit, dass wir den jetzigen Zustand in der aktuellen Auflösung haben. Ge­scannt haben wir von umgebenden Gebäuden, von oben nach unten und umgekehrt, durch die Gewölbekappen hindurch, im Triforium mit unserer Ameise (siehe Foto: Hubgerüst) in 40 m Höhe. So hatten wir möglichst viele Bereiche, die der Scanner erreichen konnte, die Verschattung wurde dadurch weitestgehend reduziert.«.

Eine der Herausforderungen dabei war es, die Arbeiten bei normalem Betrieb im Dom durchzuführen, in dem täglich fünf Got­tesdienste stattfinden: »Da mussten wir tatsächlich Bereiche sperren, auch, um in Ruhe arbeiten zu können. Denn viele Besu­cher wollten natürlich wissen, was dort passiert«, so Sperner. Dieter Claus, der das Projekt für die Hochschule begleitet und dokumentiert hat: »Wir hatten deshalb überlegt, in Schichten zu arbeiten. Denn die Arbeit ging oft früh los – schon vor 6 Uhr – und Douglas war mit seinem Scanner zum Teil noch deutlich nach 22 Uhr im Dom. Es gab drei Scan-Teams und ein Film-Team, das das Projekt filmisch begleitet hat, insgesamt waren etwa 50 Studenten aus drei Semestern der Hochschule an dem Projekt beteiligt.«

Eine weitere Herausforderung war der Scan des nördlichen Dom­turms, an dem es keine geeignete Plattform und auch kein vor­handenes Außengerüst gab. Norman Jankowski, Student an der Hochschule Fresenius, kam dabei seine Kletterausbildung zu­gute (siehe Foto Seite 48). Mit dem 9 kg schweren Laserscan­ner auf dem Rücken stieg er eine Außenleiter bis in schwindelerregende Höhe hinauf. Eine einmalige Erfahrung für den ge­bürtigen Kölner, der zuvor keinerlei Erfah­rungen mit Vermessungstechnik hatte.

Vom Turm aus wurde der Scanner zuerst auf den Boden ausgerichtet, um die darunterliegenden Dächer und Türme zu erfassen, und danach auf die Turmspitze. Jankowski: »Das ganze Thema ist unglaublich interessant. Nicht nur im Hinblick auf Ver­messung, sondern vor allem auch im Hinblick auf den vir­tuellen Raum, den ich fast ohne Abweichungen digital abbilden und mit dem ich später arbeiten kann.«

Die Erstauswertung der Scans erfolgte mit der Software Z+F LaserControl®, die die Daten sowohl registrieren als auch filtern und auswerten kann. Da die Daten zum einen für techni­sche Anwendungen und zum anderen für multimediale Zwecke aufbereitet wurden, kam daneben Spezialsoftware wie Auto­desk ReCap 360 für die As-Built-Dokumentation, Autocad/Revit für 3-D-CAD-Daten und 3D Studio Max und Thinkbox Sequoia für Animationen zum Einsatz. Claus: »Die Rolle von Zoller + Fröhlich war dabei schon ungeheuer wichtig. Und am Ende waren auch die Kollegen genauso fasziniert von dem Projekt und dem Objekt wie wir alle.«

Im Frühsommer 2016 präsentierte das Projektteam nach 225 Stun­den Arbeit am Dom über 2 Terabyte an Daten, 660 hoch ­aufgelöste Scans und 360°-Panoramen für die Kolorierung, 6 Milliarden Punkte und mehr als 60 Stunden Filmmaterial. Das Projekt ist für alle Seiten ein voller Erfolg, Pritchard will aber trotzdem noch einige ergänzende Scans durchführen: »Das Bau­werk ist zwar schon jetzt außerordentlich gut gescannt, im Innenraum müssen wir aber noch einige Korrekturen vornehmen und vielleicht noch zehn Scans von außen durchführen. Aber ich gebe zu, dass ich ein klein wenig besessen von der Idee bin, absolut perfekte und präzise Daten zu liefern.«

Für Sperner ist die kleine Festplatte mit den Scandaten schon jetzt von immenser Bedeutung: »Diese Dokumentation ist für uns ganz wichtig, da wir ja mit und an einem Gebäude arbei­ten, das sich täglich verändert. Und im Moment sind wir froh darüber, dass unsere Vorfahren im 19. Jahrhundert so oft die Kamera gezückt haben und den Dom von allen Ecken aus foto­grafiert haben. Denn jetzt können wir auf dieses Bildmate­rial zurückgreifen. Zwar in einer relativ schlechten Qualität, aber wir haben zumindest eine Idee, wie Teile des Gebäudes vor dem Zweiten Weltkrieg ausgesehen haben. Das ist bei vielen älteren Teilen nicht möglich. Beispielsweise weiß man bei den Wasserspeiern, die zum Teil nur noch zur Hälfte da sind, nicht, wie sie im Mittel­alter ausgesehen haben. Nicht nur wegen des Zwei­ten Weltkriegs, sondern auch wegen Witterungsschäden, Vandalis­mus und Ähnlichem. Deshalb ist es so wichtig, dass wir jetzt – 2016 – einmal einen Istzustand dokumentiert haben.« Denn: »Wir haben alle gelernt, dass solche Bauwerke auch von Kriegen und ande­ren Dingen bedroht sind.« CyArk in den USA stelle si­cher, dass bedeutende Bauwerke im Falle ihrer Zerstörung zumindest vir­tuell erhalten blieben. »Diese Daten können dann in den unter­schiedlichsten Bereichen verwendet werden – vom Wie­deraufbau bis zu einer virtuellen Darstellung am Computer.«

Vom Schlimmsten will in Köln aber niemand ausgehen, viel naheliegender ist der praktische Nutzen der Daten für die tägliche Arbeit. Sie haben das Potenzial, die Arbeit der Restauratoren und Architekten, Steinmetze und Dachdecker, Gerüstbauer, Elek­triker, Schlosser, Schreiner, Maler, Glasrestauratoren, Glasmaler und Kunstglaser zu erleichtern und zu beschleunigen. So kann nun besser überprüft werden, ob es am Dom Bereiche gibt, in denen die Dombauhütte aktiv werden muss: Dank thermografischer Aufnahmen können z. B. Wassereinbrüche oder Wär­mebrücken erkannt werden, die im Wechsel der Jah­res­zeiten zu Problemen führen können. Durch die Positionsda­ten kann man feststellen, ob es Setzungen, Kippungen oder Ver­ände­run­gen in den Pfei­lern gibt. »Solche Fragen wollen wir in Zukunft dank dieser Technologie beantworten, aber bis dahin ist es noch ein Weg. Ich hof­fe, dass wir in etwa fünf Jahren dort sein werden«, so Sperner. Für Pritchard liegt es nahe, mit regel­mäßigen Scans besonders kritischer Bereiche präzise zu dokumentieren und zu analysieren, ob und welche Maßnahmen erforderlich sein könn­ten. »Die Software kann die Veränderungen am Gebäude genau berechnen.«

Noch ist dies aber Zukunftsmusik: »Wir haben jetzt angefangen, uns zu informieren, wie wir überhaupt mit dieser riesigen Punkt­wolke umgehen können. Unser Steintechniker ist gerade dabei und hat Kollegen angesprochen – in Ulm arbeitet man z. B. mit einem solchen Scansystem, auch wenn sie dort keinen kompletten Scan des Bauwerks haben. Dort beschränken sie sich auf ihre Baustellen. Aber sie träumen nun davon, in Zukunft auch das zu bekommen, was wir in Köln jetzt haben. Dafür können sie dort im Gegensatz zu uns aus den Punktwolken schon 2-D-Pläne erstellen. Wir sind mit der Fresenius-Hochschule jetzt auch im Gespräch, ob wir ein Seminar dazu machen können. Denn es bringt nichts, wenn die Daten im Regal liegen, wir sie aber nicht nutzen können. Deshalb müssen wir jetzt aufrüsten – in Soft- und Hardware. Und wir werden einen Mitarbeiter spe­ziell schulen, der dann mit diesen Daten auch arbeiten kann.«

Auch für die Hochschule waren die immensen Datenmengen zunächst ein Problem. »Es war für uns alle wie eine Expedition ins Ungewisse – um zu gucken, was man mit diesen Daten ei­gent­­­lich alles machen kann. Prof. Wickenden und ich haben dann relativ schnell – jeder in seinem Fachbereich – die Mög­lichkeiten entdeckt, die sich aus dem Scan auch weiterführend ergeben«, so Claus. Interessant sei dabei, dass Aspekte aus dem ingenieur­wissenschaftlichen Vermessungswesen und dem Be­reich Design zusammenkommen. Für die Dozenten an der Hoch­schule war vieles genauso neu wie für ihre Studenten. Claus: »Weil Prof. Wickenden und mich diese Technik so interessiert hat, haben wir Anfang des Jahres einen Kurs gemacht und können jetzt – sehr rudimentär – scannen. Wir fanden es wichtig, die Ge­rät­schaften näher kennenzulernen, und auch, damit arbeiten zu können. Und wir haben mehrere Workshops gemacht, um zu lernen, wie man mit der Software und Punktwolken um­geht.«

Bei den Studierenden hat das Projekt das Interesse am Thema Laserscanning geweckt und viel Kreativität freigesetzt: »Es gab am Anfang, als den Studierenden langsam die Grundsätze von Point Clouds und Mesh-Systemen klar wurden, die Idee, man könnte doch ein Game entwickeln im virtuellen Dom und den Papst entführen«, erinnert sich Claus lachend. »Die jungen Leute gehen da sehr unbeschwert ran und sehen zahlreiche Möglich­keiten, vielleicht viel mehr als wir mit unserem eher techni­schen Blick auf die Dinge. Aber als wir mit der 3-D-Technik und dem Laserscanning in Kontakt kamen, war uns schnell klar: Das sind Systeme, die man natürlich für all das nutzen kann. Nicht nur für die reine Vermessung, auch im Bereich Design kann man mit diesen Daten wunderbar arbeiten. Zum einen künstlerisch, zum anderen im Bereich Konstruktionen, im Bereich Film. Bei­spielsweise mit einem 3-D-Flug durch den Dom, den man über das Internet erleben könnte. Die Möglichkeiten, die die 3-D-Technik als Basis bietet, sind ja immens.«

Pritchard will die Daten in Schottland zu konventionelleren Zwecken nutzen. »An unserer Hochschule werden Studenten in den Fächern Architektur und Ingenieurwesen mit den Daten arbeiten. Wir können damit die Struktur und Architektur des Gebäudes durchdringen. Wie steht das Bauwerk so stabil? Die Scandaten sind für uns wie ein Röntgenbild, auf dem man die strukturellen Komponenten genau analysieren kann. Indem wir die unterschiedlichen Scans kombinieren, verfügen wir erstmals über absolut präzise Daten – vom tiefsten bis zum höchsten Punkt des Bauwerks. Mit diesen hochpräzisen Daten können wir die Dombauverwaltung bei ihrer Arbeit unterstützen. Mei­ne He­rausforderung als Hochschullehrer ist aber auch: Wie können wir die Nutzung der vorhandenen Technologie voran­trei­ben? Wie können wir sie für Neues nutzen? Als kreatives Werk­zeug, für die Bildung, Informationsvermittlung, vielleicht auch zur Unterhaltung? Heute verschwimmen die Grenzen dabei, wir setzen klassische Vermessungswerkzeuge ein und kombinieren die Ergebnisse mit anderen Ideen – Denkmalschutz, Konser­vie­rung oder 3-D-Animationen sind nur drei Beispiele.«

Einsatz im Denkmalschutz

Aktuell nutzt die Kölner Dombauverwaltung die erfassten Da­ten bei einer ersten Baumaßnahme am Dom. Sperner: »Eine Res­taurierung des Strebewerks an der Südseite des Domes ist die erste Baustelle, die wir jetzt mithilfe des 3-D-Scans – zusammen mit herkömmlichen Methoden der klassischen Vermessung – be­arbeiten werden.« Dass bei der Visualisierung die erfassten 3-D-Daten und HDR-Fotos zusammenkommen und ausgespro­chen detailreiche und realitätsnahe Bilder entstehen, ist ein großer Vorteil der Methode. Die zahlreichen unterschied­lichen Materialien, Oberflächen und Formen können präzise erfasst werden – auch die unzähligen und oftmals sehr detail­reichen Skulpturen am Dom. Das hilft beispielsweise den Steinrestauratoren, denen für viele Bereiche noch keine oder nur unvollständige Planmaterialien vorliegen. Dank der Daten aus den La­serscans soll die Arbeit in Zukunft einfacher, schneller und bes­ser werden. Für Sperner hat deshalb »die Denkmalpflege ins­ge­samt si­cherlich auch ein großes Interesse am Laserscanning, die Kolle­gen sind irrsinnig begeistert davon und finden das toll – bis zum Punkt Kosten. Und dann hört es auf, weil dafür eben kein Geld da ist. Da stehen wir leider auf einem sehr schwierigen Feld.« Das Projekt hat die Dombauverwaltung insgesamt 35.000 Euro gekostet – für einen außerplanmäßigen Haushalts­posten kei­ne geringe Summe. Und dennoch ein kaum zu unter­bietender Preis, der nur dank des großen ideellen Einsatzes der Dozenten, Studierenden und der Mitarbeiter des Geräteherstellers Zoller + Fröhlich möglich wurde.

Pritchard ist trotz solcher Finanzierungsfragen von einer großen Zukunft für den Bereich 3-D-Scanning überzeugt: »Es wird immer einfacher werden, hochwertige 3-D-Aufnahmen durch­zu­führen. Schon heute ist dank eines Smartphones vieles möglich, denken wir nur daran, das eigene Haus in 3-D aufzunehmen und damit zu spielen. Aber es wird eine immer höhere Nachfrage nach verlässlichen und genauen Daten geben. Wenn Sie als Laie ein 3-D-Modell betrachten, können Sie unmöglich sagen, ob und wie präzise es ist. Sie brauchen dafür einen Experten, der ihnen die Korrektheit der Daten garantieren kann. Wir Vermesser sind ­also in einer guten Position, denn die professionelle Nutzung von 3-D-Daten ist ohne uns Experten nicht möglich und unsere Kunden zahlen nicht für ein 3-D-Modell, das nur gut aussieht. Sie be­zah­len für präzise und vor allem rechtssichere Daten. Des­halb denke ich, dass wir uns auf künftige Technologien in diesem Be­reich freuen können – und sie nicht als Bedrohung empfin­den sollten.«
Gerade im Bereich Denkmalschutz arbeiten viele Vermessungs­büros schon seit Jahren mit dem Laserscanverfahren, das ein verformungsgerechtes Aufmaß garantiert und den notwendigen Detailreichtum besitzt. Doch gerade bei solch komplexen Bestandsaufnahmen wie in Köln ist viel vermessungstechni­sches Fachwissen gefordert: Diese Expertise beginnt bei der Planung und Durchführung einer effizienten und umfassenden Mess­kam­pagne, welche den vereinbarten Detailgrad und die Ge­nauig­­keit gewährleistet, und der Registrierung aller Scans mit Beurteilung der Ausgleichungsergebnisse. Die Erstellung der erforderlichen Abgabeprodukte beginnt mit der Interpretation und Digitalisierung der Punktwolke für die Ableitung detailge­nauer 2-D-Ansichten, Schnitte, Grundrisse oder Detailzeich­nun­gen. Das FORUM wird das spannende Kölner Projekt wei­ter begleiten und darüber berichten, ob es dort gelingt, die ori­ginäre Punktwolke für die klassischen Aufgabenstellungen selbst zu nutzen, und welche Folgeprojekte und -verwendung sich in Zu­kunft ergeben werden.

 

 

Autor

Niklas Möring
FORUM-Redaktion
moering@bdvi.de