Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik
Hochschule Mainz - University of Applied Sciences

Evaluierung eines modernen Messverfahrens zur Deformationsanalyse flächenhafter Ingenieurbauwerke

Im dritten Semester des Masterstudiengangs Geoinformatik und Vermessung ist von den Studierenden ein Projekt als Gruppenarbeit im Rahmen von ca. 540 Arbeitsstunden pro Studierendem durchzuführen. Es besteht die Möglichkeit für die Studierenden während einer solchen Projektphase neuartige und alternative Auswerteverfahren für bestehende geodätische Problemstellungen zu entwickeln und auf ihre Tauglichkeit hin zu überprüfen.

In den letzten Jahren ist ein Trend erkennbar, dass 3D-Laserscanner zunehmend leistungsfähiger und flexibel einsetzbar sind. Laserscanner lassen sich bereits mit einer Genauigkeit von wenigen mm in Abhängigkeit von der Entfernung einsetzen. Die Qualität der entstehenden Punktwolke wird sowohl durch das Messsystem selber als auch den verwendeten Softwareprodukten und Algorithmen bestimmt. Ein großer Vorteil ist, dass mit Hilfe eines Laserscanners innerhalb kurzer Zeit Bauwerke flächenhaft mit einem Raster von 3D-Koordinaten erfasst werden können und keine diskreten Punkte vorab auszuwählen sind. In dieser Projektarbeit gilt es zu überprüfen, unter welchen Voraussetzungen es möglich ist, einen Laserscanner zur Deformationsanalyse von flächenhaften Ingenieurbauwerken zu verwenden.

Als Testobjekt dienen die Ennepetalsperre, die vom Ruhrverband betrieben wird, und ein eigenentwickelter Laboraufbau an der Hochschule Mainz, der die Geometrie einer Talsperre simuliert. Die Messungen der Null- und Folgeepochen werden unter Berücksichtigung von theoretischen Annahmen bezüglich der Deformationsanalyse an der Ennepetalsperre und im Labor durchgeführt. Dabei gilt es zu beachten, dass die Punktwolke als Ergebnis des Laserscans zunächst in jeder Epoche im gleichen Bezugssystem zu lagern ist und die Anschlusspunkte selbst sich nicht bewegen dürfen. Für die Deformationsanalyse und statistischen Auswerteverfahren sind zu jeder Epoche diskrete Punkte gegenüberzustellen. Bei einer Netzmessung, als bisher übliches geodätisches Überwachungsverfahren, werden solche Punkte durch Prismen am Objekt realisiert. Reflektorlose Verfahren lassen eine zweimalige Messung eines identischen Punktes nicht zu. Neben dieser Problematik reicht die Einzelpunktmessgenauigkeit eines Laserscanners selten aus um geringe Deformationsbeträge zu detektieren. Deshalb wurde eine Auswertestrategie entwickelt, die einen Vergleich von Laserscandaten zwischen einzelnen Epochen in einer sinnvollen Genauigkeit ermöglicht.

Die einzelnen Arbeitsschritte werden wie folgt kurz beschrieben und sind ebenfalls in der Grafik dargestellt. Zu Beginn des Aufbaus eines Überwachungssystems an einer Talsperre ist einmalig ein virtuelles Blockgittermodell zu berechnen, das ab diesem Zeitpunkt für die komplette Überwachungskampagne von mehreren Jahren stabil bleibt. Das Blockgittermodell wird auf Grundlage von Regelgeometrien (Ebenen, Kugeln, Ellipsoide, Zylinder, Kegel) berechnet. Die Talsperre ist augenscheinlich in seine einzelnen konstruktionstechnischen Komponenten zu zerlegen. Die selektierten Bereiche werden danach einer mathematischen Formermittlung (Quadrik) unterzogen und anschließend werden die Formparameter einer passenden Regelgeometrie mittels Ausgleichungsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet. Für jede Messepoche werden die Laserscanpunkte den einzelnen Blöcken zugeordnet und je Block wird eine ausgleichende Ebene geschätzt. Der Schwerpunkt einer jeden Ebene repräsentiert den Punkt, der einen Vergleich zwischen den einzelnen Epochen möglich macht. Durch die Schätzung einer bestanpassenden Ebene wird darüber hinaus die innere Genauigkeit des Messverfahrens enorm gesteigert, was die Möglichkeit eröffnet bei sachgerechter Georeferenzierung Deformationen im Sub-cm-Bereich statistisch sicher nachzuweisen. Die Ergebnisse der entworfenen Strategie für das Laserscanning wurden an der Ennepetalsperre mittels tachymetrischer Netzmessungen, im Labor durch Photogrammetrie auf ihre Einsatzfähigkeit hin überprüft. Das Verfahren im Labor lässt sich erfolgreich umsetzen. An der Talsperre selber gilt es noch Probleme mit der Georeferenzierung zu lösen, was durch Änderung der Messanordnung möglich ist. Mit Hilfe von simulierten Daten kann auch jetzt schon an der Talsperre ein ordnungsgemäßer Einsatz der Auswertemethode nachgewiesen werden.

Neben dem Vorteil, dass innerhalb kürzester Zeit eine Vielzahl von Objektpunkten durch das Laserscanning zur Verfügung stehen, soll auch gezeigt werden, dass weitere Auswertemöglichkeiten in der Nachbereitung der Messung bestehen. Die Punktwolke beschreibt das komplette Bauwerk und nicht nur einzelne Bereiche für bestimmte Auswertezwecke. So lassen sich die Daten beispielsweise für die Berechnung von Radien in verschiedenen Schnitten der Talsperre nutzen, ohne dass eine weitere Aufnahme vor Ort notwendig ist

Eckdaten

Zeitraum:     01.09.2015 - 29.02.2016
Beteiligte:
  • – Michael Müller (B. Sc.)
  • – Fabian Schmenger (B. Sc.)
  • – Daniel Schröder (B. Sc.)
  • – Kira Zschiesche (B. Eng.)