Anwendungsbeispiele mit der Trimble VX Spatial Station

S. Müller
1 Motivation
Die Vermessung stellt sich permanent neuen Aufgaben.
Während die Kombination von GPS/GNSS und Tachymetrie
bereits zum Tagesgeschäft des Geodäten zählt, bietet
Trimble seinen Kunden mit der Integration der photogrammetrischen
Aufnahmeverfahren einen zusätzlichen
Nutzen für die vielseitigen Aufgaben im Feld. Aufbauend
auf der Trimble S6 Totalstation ist als weiterer Messsensor
eine digitale Messkammer im Fernrohrträger implementiert.
Damit stehen neben allen tachymetrischen Messfunktionen
und den Scanningmöglichkeiten zusätzlich
auch photogrammetrische Aufnahmeverfahren zur Verfügung.
Als eines der Entwicklungsziele des Systems stand u.a.
die Aufgabe, die Vorteile verschiedener Mess- und Aufnahmetechnologien,
wie schnelle, objektive und vollständige
Erfassung von Objekten unter Beseitigung ihrer
Nachteile (riesige Datenmengen, Auflösungsvermögen
und Detailschärfe, nachträgliche Registrierung und Georeferenzierung)
zu verbinden und so bestehende Aufgaben
schneller und sicherer (¼ zuverlässiger) bearbeiten zu
können. Nicht zuletzt soll – und wird – sich der Geodät
durch diese Instrumentenkombination neue Aufgabenfelder
erschließen. In Summe stand die Weiterentwicklung
auf der bewährten Plattform des Trimble S6 zugleich unter
der Prämisse, den Funktionsumfang des elektronischen
Tachymeters, des Haupt„werkzeugs“ des Geodäten, uneingeschränkt
beizubehalten.
Natürlich ist die Idee der Kombination aus Tachymeter
bzw. Theodolit und photogrammetrischer Messkammer
nicht neu, man denke nur an Instrumente wie beispielsweise
den Feldphototheodolit von Zeiss Pulfrich (1904)
oder den Phototheodolit 19/1318 von Zeiss (1964). Erstmals
aber wurden mit der Trimble VX Spatial Station Robotic-Totalstation
und Digitale Messkammer in einem Instrument
vereint und als High-End Produkt im Januar
2007 den Geodäten präsentiert.
2 Systemkurzbeschreibung
Zum System gehören die Robotic-Totalstation, der Feldrechner
mit Felderfassungssoftware, Zubehörfür den Einsatz
im Robotic-Modus, Batterien, Ladegeräte, sowie die
Auswertesoftware Trimble RealWorks Survey Standard.
Äußerlich ist die Trimble VX Spatial Station, die derzeit
mit einer Winkelmessgenauigkeit von 0,3 mgon (1 00 ) und
einer Streckenmessgenauigkeit von 3 mm þ 2 ppm geliefert
wird, nur durch die leicht veränderte Farbgebung und
die integrierte Kamera vom Trimble S6 zu unterscheiden.
Mit Trimble CU oder dem Trimble TSC2 lässt sich das
Anwendungsbeispiele mit der
Trimble VX Spatial Station
Instrument direkt ansteuern oder über das 2,4 GHz Digitalfunkmodem
vom Messpunkt aus (¼ Robotic-Betrieb)
bedienen. Für beide Feldrechner steht als Feldsoftware
u.a. die Trimble Survey Controller Software mit umfangreichen
Werkzeugen zur Projektverwaltung, Messung und
Berechnung zur Verfügung.
Die Funktionen der Messkammer wie auch die Scanning-
Funktionen sind sowohl im Betrieb mit Feldrechner direkt
am Instrument als auch im Robotic-Modus verfügbar. Als
SI-Rover (Spatial Imaging Rover) ist parallel zum Scannen
von Objekten im Robotic-Modus auch eine zeitgleiche
Messung von topographischen Punkten mit einem
GNSS-Empfänger möglich.
Bei stationiertem Instrument mit den üblichen tachymetrischen
Messungsroutinen (Freie Stationierung mittels
GPS beispielsweise) sind damit neben der inneren Orientierung
auch die äußere Orientierung der aufgenommenen
Messbilder bekannt. Die digitale Messkammer ist werksseitig
kalibriert und das optische System praktisch verzeichnungsfrei,
der Öffnungswinkel der Kamera beträgt
12 16 bei einer Kammerkonstante von 23 mm und
entspricht somit einem Teleobjektiv. Der Schärfentiefenbereich
geht von 3 m bis unendlich. Wie sich leicht aus
den technischen Daten berechnen lässt, ist damit eine Objektauflösung
von ca. 1 mm auf 10 m möglich. Für jedes
aufgenommene Photo werden die Parameter der äußeren
Orientierung sowie der Kameradatensatz mit den Parametern
der inneren Orientierung gespeichert. Sämtliche Bilder
sind dadurch georeferenziert und es bedarf keiner weiteren
zu signalisierenden Passpunkte oder Passstrecken.
Für einen nahtlosen Datenfluss von der Aufnahme bis
zum Endprodukt werden die aufgenommenen Daten
(Messpunkte, Punktwolken und Messbilder) in der Real-
Abb. 1: Trimble VX Spatial
Station
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S. Müller – Anwendungsbeispiele mit der Trimble VX Spatial Station
Works Survey Software gemeinsam ausgewertet. Diese
Bürosoftware, entwickelt von Trimble für die Auswertung
von Laserscanningdaten, wurde um zusätzliche Werkzeuge
erweitert, die eine schnelle und komfortable Auswertung
der Daten, insbesondere der aufgenommenen Messbilder,
ermöglichen. Die volle Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems
kommt nicht nur durch die leistungsfähigen
Einzelkomponenten sondern durch deren aufeinander abgestimmtes
Zusammenspiel und die Integration in die gewohnten
Arbeitsabläufe. Insbesondere die Auswertesoftware
macht aus dem Gesamtsystem mehr als nur die Summe
der einzelnen Komponenten.
Die weiteren technischen Spezifikationen kann der interessierte
Leser in den Datenblättern des Instrumentenherstellers
u.a. im Internet (www.Trimble.com) finden.
3 Anwendungsbeispiele
Seit der Markteinführung des Instruments vor mehr als
einem Jahr konnten wir, zusammen mit unseren Kunden,
Lösungen für die verschiedensten Aufgabenbereiche entwickeln
und Einsatzmöglichkeiten aufzeigen. Aus der
Vielzahl der Anwendungen seien einige herausgegriffen
und näher erläutert.
4 Architekturvermessung
Regelmäßiger Bestandteil des verformungsgerechten
Aufmaßes von Gebäuden sind Fassadenansichten bzw.
die entzerrten Einzelbilder der Fassaden als maßstäbliche
Darstellung für den Auftraggeber. Bei der Durchführung
der Messung mit tachymetrischen Methoden wird das
Messobjekt von allen Seiten aufgenommen. Es werden
die Fensteröffnungen, bauliche Besonderheiten (Erker,
Balkone etc.) sowie Verzierungen (Sims- und Sockelkanten,
Fenstereinfassungen etc.) und funktionale Bestandteile
(Dachüberstände, bauliches Zubehör wie Regenrinnen)
im reflektorlosen Messmodus angezielt und als 3D-Koordinaten
für die weitere Verarbeitung im CAD abgelegt.
Der Zeitaufwand für die Anzielung und Messung aller relevanten
Punkte für die Auswertung ist dabei ein nicht zu
unterschätzender Zeitfaktor. Hinzu kommen bei dichter
Bebauung regelmäßig sehr steile Anzielungen sowie
die Verdeckung von ausgewählten Punkten. Eine Vollständigkeitskontrolle
ist bisher nur eingeschränkt, nämlich
über den Abgleich von Punktnamen und Feldriss
möglich.
Anders mit der Trimble VX Spatial Station: Je nach gewünschter
Detailliertheit werden die zu messenden Punkte
im Videobild des Feldrechners markiert, das Instrument
positioniert sich sofort auf den angeklickten Zielpunkt,
der Beobachter verbessert ggf. die Anzielung (Zoomfunktion,
Einstellung mit den Servofeintrieben) und die reflektorlose
Messung wird ausgelöst, der Punkt gespeichert –
optional auch das zugehörige Messbild zur eindeutigen
Identifizierung des Messpunktes. Damit lassen sich
auch sehr steile Zielungen ergonomisch und schnell
durchführen. Der gegenüber dem Fernrohr mit 30facher
Vergrößerung deutlich größere Öffnungswinkel der Ka-
Abb. 2: Fassade mit ausgewählten Messpunkten
mera erlaubt zudem die Darstellung eines größeren Sichtbereiches,
der die Anzielung im Nahbereich vereinfacht.
Für die Übergabe in ein CAD-System liegen alle ausgewählten
Punkte jetzt bereits als 3D-Koordinaten vor. Bei
vielen Details oder der Forderung nach entzerrten Bildern
der Fassade kann die Messung dieser Objektpunkte fast
vollständig entfallen. Hier kommt die Kamera als Aufnahmesystem
zum Einsatz. Dazu wird die Totalstation für den
Anschluss an das übergeordnete Koordinatensystem mit
den üblichen tachymetrischen Methoden (Freie Stationierung
etc.) stationiert. Anschließend markiert der Beobachter
im Videobild des Feldrechners den Aufnahmebereich
durch ein Polygon, definiert die Auflösung und den Überlappungsbereich
der Bilder und modifiziert ggf. die Belichtung
(Kontrast) manuell bevor der Aufnahmebereich
automatisch als Bildverband aufgenommen wird. Aufgabe
des Beobachters ist jetzt nur noch die Messung ausgewählter
Punkte für die Festlegung der Entzerrungsebene(n).
Diese können an nahezu beliebiger Stelle auf
dem Messobjekt liegen. Optional kann ein Oberflächenscann
mit sehr grober Auflösung (im Beispiel 30 cm) erfolgen.
Bei der Auswertung der Daten in der RealWorks Survey
Software werden zunächst die Bilder des Bildverbandes
radiometrisch angepasst, so dass Belichtungsunterschiede
der Bilder verschwinden. Dann kann der Bildverband entzerrt
und als ein entzerrtes Bild in eine CAD-Software exportiert
werden (*.tif-Datei mit Georeferenzierungsdatei)
oder die Linienauswertung findet direkt im Bildverband
der Fassade statt, die anschließend als Linienobjekt im
dxf-Format in ein CAD-System zur Detailauswertung exportiert
wird.
Im Beispiel wurde eine Fassade mit Bildverband (24 Bilder)
und Scan (30 cm Raster) aufgenommen. Die Bilder
wurden radiometrisch angepasst und daraus ein entzerrtes
Einzelbild der Fassade erstellt. Ebenfalls wurde eine Orthoprojektion
der Fassade mit Berücksichtigung der
Dachüberstände und Anbauten durchgeführt. Verglichen
mit der Einzelmessung der Fensterpunkte und Dachüberstände
war die Kombination aus Photogrammetrie und
Scanning schneller, gleichzeitig lag eine höhere Detailinformation
bei geringer Datenmenge vor.
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5 Visualisierung
Die erfassten Daten können jetzt als Grundlage für Visualisierungen
genutzt und als texturiertes 3D-Modell verarbeitet
werden. Das Modell kann im kostenlosen Viewer
oder z.B. im Google-Earth-Format bereitgestellt werden,
wo auch die Einbindung in die Umgebung mit Luftbild
oder weiteren 3D-Modellen (Stadtmodelle etc.) für Simulationen
erfolgen. Eine Wertschöpfung ohne zusätzlichen
Mehraufwand bei der Messung!
6 Visuelle und geometrische Dokumentation
Eine häufige Aufgabe ist die Dokumentation von baulichen
Anlagen oder Teilen davon, insbesondere die Dokumentation
von Veränderungen oder Schadstellen. Das tachymetrische
Aufnahmeverfahren (oder der Oberflächenscan)
garantiert hierbei die Erfassung der Objektgeometrie,
die photogrammetrische Aufnahme die visuelle Darstellung
und eindeutige Zuordnung. Die Kombination der
beiden Aufnahmeverfahren ermöglicht auch hier wieder
die schnelle Aufnahme am Messobjekt sowie die jederzeit
mögliche detaillierte Analyse der Daten im Büro. Dabei
kann die Bearbeitung direkt in der RealWorks Survey Software
oder unter Nutzung von Orthophotos (erstellt in Real-
Works Survey) in einer CAD-Software erfolgen. Für die
Interpretation der Schäden müssen die verschiedenen Spezialisten
nicht erst vor Ort sondern können sich auf die
Auswertung im Büro konzentrieren. Die photogrammetri-
S. Müller – Anwendungsbeispiele mit der Trimble VX Spatial Station
sche Aufnahme gewährleistet hier die exakte räumliche
Zuordnung der Schadstellen, deren exakte Größe und qualifizierte
Bewertung. Typische Anwendungsfälle sind Bauwerke,
die nur kurzzeitig messtechnisch erfasst werden
können (z.B. Schleusen, Bauwerksteile von Rohbauten
etc.) und neben einer geometrischen (quantitativen) Bewertung
auch eine qualitativen Bewertung erfordern.
Das Beispiel zeigt die Erfassung eines unterirdischen Bauwerkes.
Von Interesse waren die Lage, Größe und Tiefe der
Schadstellen sowie deren Dokumentation. Zur messtechnischen
Erfassung des Bauwerks sind zwischen jedem
Querträger Instrumentenaufstellungen notwendig. Mittels
freier Stationierung konnte das Instrument schnell positioniert
und orientiert werden, die Detailaufnahme erfolgte
dann durch einzelne topographische Punkte bzw. einen
Scann mit grobem Raster und den zusätzlichen Messbildern.
Im Gegensatz zur klassischen Scanneraufnahme entstanden
so weit weniger Daten, die Messungen erfolgten
sofort im übergeordnetem Koordinatensystem und für die
Auswertung war keinerlei Nachbearbeitung der Einzelaufnahmen
notwendig. Die Darstellung der Ergebnisse konnte
direkt aus der RealWorks Survey Software erfolgen und
gestattet dem Auftraggeber sowohl die qualitative wie
auch quantitative Bewertung der Bauwerksschäden.
7 Bestandsdokumentation
Ebenso waren viele weitere Objekte mit dem SI-Rover zu
dokumentieren, bei denen die Kombination aus ausgewählten
Messpunkten und den Messbildern zu einem
schnellen, aussagekräftigem Ergebnis führte. Ein Mehraufwand
bei der Messung entstand nicht, da vor Ort
grundsätzlich immer tachymetrische Messungen notwendig
waren und diese mit dem System auf gewohnte Art
und Weise durchgeführt wurden.
8 Massenermittlung
Für die Massenermittlung kommt hauptsächlich die Scanningfunktion
des Systems zum Einsatz. Ergänzungsmessungen,
wie verdeckte Unterkanten – die bei klassischer
Abb. 3: Bauwerksschäden Abb. 4: Gemessener Stahlgittermast und Auswertedetail
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S. Müller – Anwendungsbeispiele mit der Trimble VX Spatial Station
Abb. 5: Aufnahme für Massenermittlung
Scanningmessung einen neuen Standpunkt erfordern, erfolgten
mit Tachymeterstab oder GNSS-Empfänger. Hier
war die Kombination der beiden Messsysteme Scanner
und Tachymeter für die im Vordergrund stehende quantitative
Bewertung von Bedeutung, während die qualitative
Bewertung (photographische Darstellung) hauptsächlich
für die Plausibilitätsprüfung beim Auftraggeber als Mehrwert
zu verzeichnen war. Durch Überlagerung von Punktwolke/DGM
und Messbild waren Interpretationsfehler
der Begrenzung praktisch ausgeschlossen.
9 Hohlraumvermessung
Bei der Höhlen- oder auch Hohlraumvermessung sind neben
der Funktionalität des Laserscannings vor allem die
Kompaktheit, Genauigkeit, der geringe Stromverbrauch
sowie die Tachymeterqualitäten ausschlaggebend. Die
längere Scanndauer im Vergleich zu klassischen Laser-
Abb. 6: Ergebnis einer Hohlraumvermessung
scannern wird hier durch die einfache und direkte Georeferenzierung
der Scanns, durch die Stationierungsfunktionalität
des Tachymeters und die geringe Größe und
das geringe Gewicht des Instruments beim Transport
zum Einsatzort im Berg mehr als kompensiert. So sind
detaillierte Bestimmungen der Hohlräume unter Tage
mit vertretbarem technischem Aufwand möglich geworden.
In Verbindung mit der Tunneloption der Survey Controller
Software für TCU oder TSC2 lassen sich bei Bedarf
auch komplette Stollenquerschnitte in regelmäßigem Abstand
aufnehmen und sofort im Feld die Abweichungen zu
einem definiertem Regelprofil darstellen.
10 Qualitätssicherung
Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt ist die Qualitätssicherung
von Messergebnissen. So lassen sich direkt im
Feld der Messpunkt, zusammen mit dem zugehörigem
Messwert sowie Ziel- und Instrumentendetails als Dokumentation
zusammenfassen. Unstimmigkeiten (unplausible
Zieltafelhöhen, falsche Prismenkonstanten) sind sofort
feststellbar und können noch am Standpunkt eliminiert
werden. Auch ist die Dokumentation von sensiblen
Objekten oder Messpunkten an kritischen Bauteilen
(Lichtraumüberwachung an Brücken) direkt vor Ort überprüfbar.
Mit Nutzung der automatischen Bildaufnahme
bei der Aufnahme von beliebigen Punkten ist zudem
die exakte Prismenzuordnung überprüfbar und kann, falls
erforderlich, korrigiert werden.
11 Ergonomie und Komfort
Neben den zusätzlichen Möglichkeiten, die die Integration
von Messkammer und Scanningfunktionalität in der
Trimble VX Spatial Station sind aber auch die Vorteile
hinsichtlich Ergonomie und Bedienkomfort nicht zu vernachlässigen.
So lassen sich (unzugängliche) Punkte im
Robotic-Modus messen, ohne diese mit einem Prisma aufzuhalten
(z.B. Bäume, Hausecken). Die Möglichkeiten
der Videoanzielung eröffnen zusätzliche Optionen, das Instrument
auch exponiert aufzubauen und aus sicherer Entfernung
die Messung zu steuern oder Punkte mit sehr steiler
Zielung ohne zusätzliches Steilsichtprisma zu beobachten.
In Unterstützung mit den zahlreichen Funktionen zur sicheren
Prismenerkennung und -findung (aktive Zielidentifikation,
GPS-Suche, Kartenfunktion etc.) erlaubt die
Videofunktion eine permanente Überprüfung des Robotic-Zieles,
auch bei großen Entfernungen vom Instrument.
12 Zusammenfassung
Aus den Erfahrungen mit unseren Kunden und deren Anforderungen
lassen sich als Resümee zusammenfassen:
Das System ist überall dort zweckmäßig einsetzbar, wo
auch bisher schon Verfahren der Einbildphotogrammetrie
eingesetzt wurden. Es ist insbesondere dann effizient,
wenn mehrere Entzerrungsebenen für die Auswertung er-
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forderlich werden oder eine hohe Detailliertheit der Objektdarstellung
gefordert ist oder der Grad der Detailliertheit
bei Messungsbeginn noch nicht vollständig abgestimmt
ist. (Architekturvermessung, Bestandsdokumentation
von baulichen Anlagen, insbesondere im Hochbau).
Das System ist effizient einsetzbar, wenn grobe, unregelmäßige
Strukturen zu erfassen sind (Laserscanning). Insbesondere
dann, wenn weitere Messungen oder Absteckarbeiten
durchzuführen sind und Leerlaufzeiten des Instruments
genutzt werden können. Das System ist beim
Scanning von Objekten umso effizienter, je mehr Aufnahmestandpunkte
für die Aufnahme von komplexen Objekten
notwendig werden. Insbesondere die Möglichkeiten
der Integration von klassischer Vermessung (tachymetrisch
und satellitengestützt) zur Erfassung von im Scann
verdeckten Punkten, erweitern den Einsatzbereich.
Aus den Möglichkeiten der exakten, bildhaften Dokumentation
der gemessenen Punkte sowie der zugehörigen
Messwerte mit exakter Zuordnung und Darstellung von
Messpunkt und Detailobjekt lassen sich Mehrwerte generieren.
Die Reproduzierbarkeit der Messungsergebnisse
sowie deren Plausibilität lässt sich durch die zusätzlichen
Möglichkeiten der Darstellung im Bildverband einfach
realisieren. Insbesondere Unstimmigkeiten bei Abnahme-
messungen und bei Messungen als Grundlage für die Abrechnung
von Leistungen lassen sich so vermeiden.
Die Effizienz des Gesamtsystems steigt, wenn Art und
Umfang von Messungen keine wirtschaftliche Auslastung
eines klassischen Laserscanners sichern. Es kann ihn aber
nicht in dessen üblichem Einsatzbereich – bei Forderungen
nach einer sehr hohen dreidimensionalen Detaildichte
– ersetzen.
Hohe Ergonomie und zuverlässige Datenerfassung durch
die Videounterstützung bei der Anzielung und Speicherung
der Einzelbilder vereinfachen die Prozesse der Qualitätssicherung
und -dokumentation.
Die Trimble VX Spatial Station ist vor allem auch ein
vollwertiges Präzisionstachymeter für alle Vermessungsaufgaben
von der Aufnahme bis zur Absteckung und
Überprüfung von Punkten, Linien, DGMs, 3D-Trassen
etc. Eben für alle klassischen Messaufgaben des Geodäten,
der sich in Zukunft für seine Aufgaben weiterer Sensorik
bedienen wird.
Anschrift des Verfassers:
Dipl.-Ing. SANDRO MÜLLER, GeoSurvey GmbH, Trimble
Center Ost, Lilienthalstraße 25, 12529 Schönefeld, E-
Mail: sandro.mueller@geosurvey.de
Jahresseminar „Qualitätssicherung geodätischer Instrumente
im Messeinsatz“
Die Aufregung ist groß: das
Instrument ist gestürzt. Äußerlich
nur gering oder gar
nicht beschädigt stellt sich
aber sofort die Ungewissheit
ein, ob die Qualität der Mess-
Sensorik wirklich keinen
Schaden genommen hat.
l Welche Möglichkeiten zur
schnellen Prüfung können
herangezogen werden?
l Oder wann muss auf die
Leistungen einer Servicewerkstatt
zurückgegriffen
werden?
l Was ist mit dem seinerzeit
zusätzlich erworbenen
Qualitäts-Zertifikat? Besitzt
dieses noch seine
Gültigkeit?
l Überhaupt, was verbirgt
sich eigentlich hinter diesen
im Markt angebotenen
Zertifikaten, Qualitätsnachweisen
und Prüfprotokollen?
l Welche Prüfverfahren
werden angewandt und
was sagen sie aus?
S. Müller – Anwendungsbeispiele mit der Trimble VX Spatial Station
l Von wem werden welche
Dokumente erstellt, von
wem anerkannt und nach
welchen Kriterien?
Eine Fülle von Fragen, die
sich im täglichen Messeinsatz
stellen und auf die wir
als Fachgruppe 2 im Bildungswerk
des VDV in unserem
Seminar zur
„Qualitätssicherung geodätischer
Instrumente im
Messeinsatz“ am 2.–3.
April 2009 in Fulda
ANKÜNDIGUNGEN
. . . . . . . . . . . . . .
versuchen wollen, Wissenslücken
zu schließen sowie
das gegenseitige Verständnis
und die Hintergründe und
Prüfverfahren, die der Qualitätssicherung
unserer Messinstrumente
dienen, näher
zu beleuchten.
Weitere Informationen:
www.bw-vdv.de
Dr.-Ing. Klaus Fritzensmeier
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