Aufmaß einer Straßenkreuzung mittels 3D-Laserscanning - Beuth ...

Technische Fachhochschule Berlin
Fachbereich III: Bauingenieur–und Geoinformationswesen
Studiengang Vermessungswesen
Diplomarbeit
Aufmaß einer Straßenkreuzung
mittels 3D-Laserscanning
von
Klaus Netzel
und
Felix Grimlitza
Betreuer:
Prof. Dr.–Ing. Wilfried Korth
Dipl.–Ing. Bernd Haselow
Bearbeitungszeit: 03. 04. – 10. 07. 2006

INHALTSVERZEICHNIS
I
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS
I
1 EINLEITUNG 1
2 GRUNDLAGEN 4
2.1 Verfahren zur Punktbestimmung 4
2.1.1 Polares Anhängen 4
2.1.2 Vorwärtsschnitt 5
2.1.3 Geometrisches Nivellement 5
2.1.4 Trigonometrisches Nivellement 7
2.1.5 Genauigkeitszusammenstellung 8
2.2 Ausgleichungsrechnung 9
2.2.1 Voraussetzungen 9
2.2.2 Näherungswerte und Aufstellen des LGS 10
2.2.3 Berechnungsablauf 11
2.2.4 Genauigkeitsanalyse 12
2.2.5 Praktisches Vorgehen und Fehlersuche 13
2.3 Die elektrooptische Distanzmessung 15
2.3.1 Das Impulsverfahren 15
2.3.2 Das Phasenvergleichsverfahren 16
2.3.3 Reflektor- und reflektorlose Messung 17
2.4 Laserscanner 19
2.4.1 Der Laserscanner HDS 3000 21
2.4.2 Der Laserscanner HDS 2500 21
2.4.3 Kurze Gegenüberstellung 22
2.5 Anforderungen der BVG 25
3 MESSUNG 29
3.1 Netzmessung 29
3.1.1 Höhe 30
3.1.2 Lage 31

INHALTSVERZEICHNIS
II
3.2 Laserscanning der Kreuzung 33
3.2.1 Praktische Probleme 33
3.2.2 Das Scan-Control-Fenster 34
3.2.3 Erzeugen von Images 36
3.2.4 Durchführung der Scans 37
4 AUSWERTUNG 41
4.1 Netzausgleichung mit Xdesy 41
4.1.1 Kurzbeschreibung Xdesy 41
4.1.2 Diagnoseausgleichung 43
4.1.3 Freie Ausgleichung 44
4.1.4 Ausgleichung unter Anschlußzwang 45
4.2 Auswertung mit der Software Cyclone 49
4.2.1 Beseitigen von Störungen aus Scans 49
4.2.2 Die Registrierung 56
4.2.3 Die Modellierung 70
4.2.4 Bestandsaufmaß mit dem Vitual Surveyor 74
4.3 Bearbeitung in AutoCAD 78
4.4 Genauigkeitsbetrachtung 80
4.4.1 Innere Genauigkeit 80
4.4.2 Äußere Genauigkeit 83
4.5 Wirtschaftlichkeitsanalyse 91
5 FAZIT UND AUSBLICK 94
LITERATURVERZEICHNIS 98
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 99
TABELLENVERZEICHNIS 101
BEARBEITERVERZEICHNIS 102

1 EINLEITUNG 1
1 Einleitung
Das Verfahren des dreidimensionalen Scannens von Objekten mittels Laserscanner
hat sich inzwischen dank seiner vielen Vorzüge gegenüber herkömmlichen Verfahren
in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik durchgesetzt. Untersuchungen
hinsichtlich Genauigkeit und Einsetzbarkeit waren Gegenstand zahlreicher Diplomund
anderer wissenschaftlicher Arbeiten. So fanden beispielsweise Untersuchungen
zu Abhängigkeiten zwischen Oberflächenstruktur, –farbe und –form und der Meßgenauigkeit
des Laserscanners statt oder es wurde dessen Einsatz im Innen- und Außenbereich
beispielsweise in Bezug auf Anwendbarkeit in Architektur-, Industrieoder
sogar forensischer Vermessung getestet.
Im Zuge dieser Diplomarbeit soll für die Berliner Verkehrsbetriebe BVG untersucht
werden, ob und wie sich das 3D-Scanverfahren im Einsatz bei der Aufnahme einer
Straßenkreuzung bewährt und wo seine Vor- und Nachteile gegenüber der zur Zeit
eingesetzten, klassischen Tachymeteraufnahme liegen. Dabei kann es sich nur um
einen ersten groben, sehr allgemein gehaltenen Versuch handeln, da dieses Feld sehr
komplex ist und eine umfassende Analyse den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde.
Vielmehr stehen wir hier am Beginn einer Untersuchung, die durchaus Thema
kommender wissenschaftlicher Arbeiten sein kann.
Die dreidimensionale Erfassung des Straßenraums und die Darstellung in einem
Straßenbestandsplan sind für planerische Zwecke im Aus- und Neubau unerläßlich
und dienen als Grundlage für die Trassierung. Dementsprechend wichtig ist, daß die
Messung innerhalb festgelegter Fehlergrenzen ausgeführt wurde und vollständig ist,
d. h. daß keine für die Aufnahme relevanten Details vergessen wurden. Unser spezielles
Augenmerk gilt der Aufnahme der verkehrstechnischen Anlagen für die Straßenbahn
(Gleis, Weichen, Oberleitung, Straßenmöbel u. a.), da die BVG ein besonderes
Interesse an unserer Analyse hat und sich den verstärkten Einsatz des 3D-Laserscanners
im Bereich Bestandsaufmaß/Gleisvermessung durchaus vorstellen kann. Ob
die von der BVG geforderten Lage- und Höhengenauigkeiten der Koordinaten, insbesondere
im lichtraumrelevanten Bereich, eingehalten werden können, soll neben der
Effektivität des Scanverfahrens weiterer Untersuchungsschwerpunkt sein.

1 EINLEITUNG 2
Untersuchungsgegenstand ist die Kreuzung Greifswalder/Danziger Straße im Berliner
Ortsteil Prenzlauer Berg – ein Verkehrsknotenpunkt von überregionaler Bedeutung,
in dem sich zwei mehrspurige Ausfallstraßen sowie zwei wichtige Straßenbahnlinien
schneiden.
Die Greifswalder Straße ist als Teil der Bundesstraße B2 eine der wichtigsten Ausfallstraßen
Berlins in nordöstlicher Richtung mit einem Verkehrsaufkommen von mehr
als 30000 Kfz pro 24 Stunden. 1 Gleichzeitig ist sie die mit einer Taktrate von teilweise
3 Minuten am häufigsten von einer Straßenbahnlinie befahrene Straße Berlins. 2
Diese Tatsachen ließen im voraus bereits vermuten, daß die Erfassung eines solch
großen Verkehrsknotenpunkts nicht gänzlich reibungslos verlaufen, sondern im Gegenteil
mit zahlreichen Hindernissen und Widrigkeiten verbunden sein würde. Diese
Vermutungen haben sich weitgehend bestätigt. Bei der praktischen Arbeit (Messung
und Auswertung) traten sogar noch Unannehmlichkeiten hinzu, mit denen vorher
nicht gerechnet wurde und die von uns nicht zu vertreten und zu verhindern waren.
Dennoch, die Herausforderung, die sich aus der Bearbeitung dieser Problemstellung
ergibt sowie die noch junge, innovative Technologie des Laserscanners und dessen
Einsatz auf einem bislang kaum beachteten Verwendungsgebiet, weckten unser Interesse
und sollten zugleich der Ansporn für die Vorlage einer ansprechenden Diplomarbeit
sein.
1
www.stadtentwicklung.berlin.de, Stand 07.04.2006
2
www.wikipedia.org, Stand 07.04.2006

1 EINLEITUNG 3
Abb. 1 – 1:
Kreuzung Greifswalder / Danziger Straße (Foto: Google)

2 GRUNDLAGEN 4
2 Grundlagen
2.1 Verfahren zur Punktbestimmung
Um Koordinaten von topographisch oder anderweitig interessanten Punkten in einem
geodätisch definierten, übergeordneten System zu erhalten, ist es notwendig, ein
Festpunktfeld zu schaffen oder ein bereits vorhandenes ggf. weiter zu verdichten.
Dabei sollten Neupunkte so gelegt werden, daß sie sich einerseits in eine Netzgeometrie
fehlertheoretisch gut einfügen und andererseits als Aufnahme- oder Anschlußpunkte
ökonomisch sinnvoll verwendet werden können.
Zur dreidimensionalen Punktbestimmung kommen dabei verschiedene Verfahren in
Betracht, von denen im folgenden einige erläutert werden sollen. Zudem soll eine
Übersicht Aufschluß über die Genauigkeit (Varianzfortpflanzung) der einzelnen Verfahren
geben.
2.1.1 Polares Anhängen
Das als Polares Anhängen oder
Polaraufnahme bezeichnete Verfahren ist
das heute für die Koordinatenbestimmung
eines Neupunktes gebräuchlichste
Verfahren in der Vermessungspraxis.
Möglich wurde dies durch die Einführung
der elektrooptischen Entfernungsmessung
und der daraus resultierenden
sehr einfachen Bestimmung einer Strecke
zu einem Neupunkt. Benötigt werden
zwei koordinierte Punkte, wobei von
Abb. 2 – 1:
Polares Anhängen
einem (dem Standpunkt) eine Anschlußrichtung
zum anderen (dem Anschlußpunkt)
sowie Richtung und Strecke zum Neupunkt gemessen werden.
Die Koordinaten des Neupunktes ergeben sich dann zu:
y N
= y A
+ s A, N · sin t A
N
x N
= x A
+ s A, N· cos t A
N
Die Genauigkeit der Polaraufnahme hängt neben der Zentrier- und Anzielgenauigkeit
im wesentlichen von der Genauigkeit der Richtungs- und Streckenmessung ab, wobei

2 GRUNDLAGEN 5
bei modernen Tachymetern und kürzeren Entfernungen die Richtungsmessung, bei
längeren Entfernungen die Streckenmessung höhere Punktgenauigkeiten liefert.
2.1.2 Vorwärtsschnitt
Dieses Verfahren findet dann
Anwendung, wenn eine direkte
Distanzmessung zu einem
Neupunkt nicht möglich oder
zu ungenau ist. Zur
Bestimmung eines Neupunktes
über Vorwärtsschnitt sind zwei
koordinatenmäßig bekannte
Punkte notwendig. Ferner
werden die Strecke zwischen
diesen sowie die Winkel
zwischen Basis und Neupunkt Abb. 2 – 2: Vorwärtsschnitt
benötigt. Berechnet werden die
nicht messbaren Strecken zum Neupunkt wie folgt:
s 1, N
= s 1, 2
·
sin
2
sin(
)
1
2
s 2, N
= s 1, 2 ·
sin
1
sin(
)
1
2
Die Neupunktkoordinaten werden dann über polares Anhängen bestimmt.
2.1.3 Geometrisches Nivellement
Das Geometrische Nivellement ist ein einfaches Verfahren zur Höhenbestimmung
bzw. Höhenübertragung. Ausgehend von einer horizontalen Ziellinie wird an der
vertikal dazu stehenden Meßlatte ein Wert abgelesen. Dieser symbolisiert den Höhenunterschied
zwischen Lattenfußpunkt und Instrumentenhorizont des Nivelliergerätes.
Durch Anschluß an bekannte Höhenpunkte können nicht nur relative Höhenunterschiede
zwischen Punkten, sondern auch absolute Höhen in einem geodätischen
Bezugssystem bestimmt werden. Die Berechnung wird über sogenannte Rück- und
Vorblicke durchgeführt und lautet:
R – V = h
H B = H A + h

2 GRUNDLAGEN 6
Geht man davon aus, daß die
Meßlatte und deren
Lotrechtstellung nicht
fehlerbehaftet sind und das
Nivellement nicht durch
Refraktion beeinträchtigt wird,
hängt dessen Genauigkeit von
der Herstellbarkeit einer
horizontalen Ziellinie ab.
Abb. 2 – 3:
Geometrisches Nivellement
(aus Kahmen: Vermessungskunde)
Je nach Leistungsfähigkeit des Nivelliergerätes kann dieses einer bestimmten Genauigkeits-kategorie
zugeordnet werden. Die Hersteller geben dabei die unter optimalen
Bedingungen erreichbare Genauigkeit des Höhenunterschiedes bei einem Kilometer
Doppelnivellement an, d. h. alle Zielweiten von Hin- und Rückweg addiert ergeben
zwei Kilometer. Das bei dieser Diplomarbeit verwendete Ni 2 der Firma Zeiss hat
beispielsweise eine Standardabweichung von 0,7 mm pro 1 km Doppelnivellement
und gehört damit zur Kategorie der Geräte sehr hoher Genauigkeit. 3 Da der Gesamthöhenunterschied
die Summe der zahlreichen Einzelhöhenunterschiede darstellt,
wächst die Standardabweichung nach dem Varianzfortpflanzungsgesetz mit der Wurzel
aus der Anzahl der Aufstellungen. Analog gilt, daß sich die Standardabweichung
einer Nivellementlinie L mit der Länge a [km] ergibt zu: 4
a
L Niv /[ km] [ km]
3
Deumlich/Staiger: Instrumentenkunde, S. 278
4
Kahmen: Vermessungskunde, S. 446

2 GRUNDLAGEN 7
2.1.4 Trigonometrisches Nivellement
Bei steilen Zielungen wie
beispielsweise
zur
Turmhöhenbestimmung oder für
Höhenübertragungen im Gebirge
wird das geometrische
Nivellement unwirtschaftlich oder
es kann überhaupt nicht
angewendet werden. In diesen
Fällen greift man auf das
trigonometrische
Nivellement
zurück. Der Höhenunterschied
zwischen zwei Punkten wird
Abb. 2 – 4:
mittels Schrägstrecke und Vertikalwinkel mit einem Tachymeter ermittelt. Dabei ist
zu beachten, daß Instrumenten- und Reflektorhöhe bei der Berechnung berücksichtigt
werden müssen. Um eine Absoluthöhe in einem geodätischen Bezugssystem zu
erhalten, muß entweder die Standpunkt- oder die Zielpunkthöhe in diesem System
bekannt sein. Die Berechnungsformeln lauten:
Trigonometr. Nivellement
(aus Kahmen: Vermessungskunde)
H A
= H B
– S R cos z – i + t oder H B
= H A
+ S R cos z + i – t
Die Genauigkeit 5 des Trigonometrischen Nivellements hängt im wesentlichen ab von:
der Genauigkeit der Bestimmung von Instrumenten- und Reflektorhöhe
der Streckenmessgenauigkeit
der Genauigkeit der Vertikalwinkelmessung und
dem Refraktionseinfluß
5
Witte/Schmidt: Vermessungskunde, S. 322f

2 GRUNDLAGEN 8
2.1.5 Genauigkeitszusammenstellung
Die Genauigkeit von Parametern, die sich aus in einem funktionalen Zusammenhang
stehenden Einzelgrößen bestimmter Genauigkeiten ergeben, wird mit Hilfe des Varianzfortpflanzungsgesetzes
ermittelt:
F 2 F 2
2 2 2
...
F 2
F
a
b
n
a b n
2
Zusätzliche Fehlereinflüsse wie die Zentrier- oder Anzielgenauigkeit können zu der
Reihe noch quadratisch hinzuaddiert werden. Es ergibt sich dann die Varianz des
gesuchten Parameters und durch Radizieren der Varianz dessen Standardabweichung.
Bei näherer Betrachtung und Abschätzung der Größenordnungen der partiellen Ableitungen
wird ersichtlich, welche Komponenten des funktionalen Zusammenhanges
einen großen Einfluß auf die Genauigkeit der gesamten Funktion haben und daher
ein besonderes Augenmerk bei der Messung (Meßverfahren, Genauigkeit der Instrumente)
verdienen.
Polares Anhängen:
(sin t ) ( s cos t ) t
2 2 2 2 2
Y Y A, N s A, N A,
N
(cos t ) ( s sin t ) t
2 2 2 2 2
X X A, N s A, N A,
N
2
2
Vorwärtsschnitt:
(Standardabweichung der gesuchten Strecke zum Neupunkt; damit weiter über Polares Anhängen)
2 2
2
sin 2
2 s1, 2sin 2cos( 1
2)
2
s1, N
s
2
1
sin( 1
2) sin( 1
2)
s
...
2
1, 2cos 2sin( 1 2) s1, 2sin 2cos(
1
2 2
2
2
sin( 1
2)
...
Trigonometrisches Nivellement:
2 2 2 2 2 2 2 2
H 2 H1 (cos Z) sR ( sRsin Z)
Z
i t

2 GRUNDLAGEN 9
2.2 Ausgleichungsrechnung
In der geodätischen Praxis ist dank der raschen Entwicklung der Computertechnologie
in den letzten Jahrzehnten die Ausgleichungsrechnung zum Standard bei der
Auswertung von Beobachtungen, insbesondere bei Lage- und Höhennetzen, geworden.
Neben Verfahren wie den sogenannten M-Schätzungen oder der robusten
L1-Norm-Ausgleichung gehört die L2-Norm-Ausgleichung, besser bekannt als die
von Carl Friedrich Gauß 1795 entwickelte „Methode der kleinsten Quadrate“, zu den
im Vermessungswesen bevorzugten Ausgleichungsverfahren, weil sie immer eindeutige
Ergebnisse liefert und bei Beobachtungen, die mit normalverteilten Abweichungen
behaftet sind, die plausibelsten, verträglichsten Werte für die Unbekannten liefert.
6
Im folgenden soll in knapper Form dargelegt werden, wie eine Ausgleichung gerechnet
wird. Es wird sich dabei im wesentlichen auf die L2-Norm-Ausgleichung beschränkt,
da sie auch bei der vorliegenden Diplomarbeit angewandt wurde. Verfahren
zur Suche grober Fehler wie das von Baarda entwickelte Data-Snooping sollen an
dieser Stelle nur kurz erwähnt werden.
2.2.1 Voraussetzungen
Zur Durchführung der Ausgleichung muß gewährleistet sein, daß die gesuchten Unbekannten
eindeutig bestimmbar, die Genauigkeiten der Beobachtungen a priori
(also vor der Ausgleichung) bekannt sind und die Beobachtungen selbst in größerer
Zahl vorliegen als Unbekannte vorhanden sind. 7 Nur auf diese Weise läßt sich ein
später aufzustellendes Lineares Gleichungssystem (LGS) – auch Gauß-Markov-
Modell genannt - lösen.
Ziel einer Messung ist es, aus den Beobachtungen L i die unbekannten Parameter x, y,
z, wie z. B. Lagekoordinaten oder Höhen, zu bestimmen. Den Zusammenhang stellen
die sogenannten vermittelnden Funktionen her: 8
L i
= f i
(x, y, z)
So berechnet sich beispielsweise eine Neupunkthöhe durch Addition von Festpunkthöhe
mit zugehörigem Höhenunterschied oder eine Raumstrecke durch Radizieren
der Summe der Quadrate der Koordinatenunterschiede X, Y, Z.
6
Fröhlich: Praxisorientierte Ausgleichungsrechnung für Vermessungsingenieure, S. 18
7
Fröhlich: Praxisorientierte Ausgleichungsrechnung für Vermessungsingenieure, S. 53
8
ebd., S. 53

2 GRUNDLAGEN 10
Da der funktionale Zusammenhang im allgemeinen nicht linear ist, zum Lösen des
LGS jedoch lineare Gleichungen benötigt werden, muß eine Linearisierung der Funktionsgleichungen
stattfinden. Diese wird mittels der Taylorschen Reihenentwicklung
an einer Stelle x 0 durchgeführt, welche eine Näherung der gesuchten Parameter darstellt.
Die Formeln zur Taylorschen Reihenentwicklung sind entsprechenden Tafelwerken
zu entnehmen.
Weil die Beobachtungen mit kleinen, zufälligen Fehlern behaftet sind, können die
Unbekannten beim Vorliegen überschüssiger Beobachtungen nicht widerspruchsfrei
berechnet werden. Eine widerspruchsfreie Berechnung läßt sich nur durch die Einführung
von Beobachtungsverbesserungen in das LGS erzielen. 9 Nach dem Einfügen
von Verbesserungen in das funktionale Modell erhält man die allgemeinen Verbesserungsgleichungen:
10 L i
+ v = f i
(x, y, z)
Der Bedingung der L2-Norm-Ausgleichung folgend, muß die Summe der gewichteten
Verbesserungsquadrate zum Minimum werden:
[pvv] = Min
in Matrizenschreibweise: v T pv = Min
2.2.2 Näherungswerte und Aufstellen des LGS
Wie bereits weiter oben erwähnt, werden zur Lösung der Ausgleichungsaufgabe lineare
oder linearisierte Gleichungen benötigt. Bei der Linearisierung nach Taylor
wird eine Funktion f(x, y, z) partiell nach ihren Parametern abgeleitet, die partiellen
Ableitungen dann nach einem bestimmten Schema aufsummiert und die Reihe an
einer gewissen Stelle abgebrochen. Da in der Netzausgleichungspraxis meist direkt
die Koordinaten von Neupunkten geschätzt werden, müssen Näherungskoordinaten
als Startwerte sowohl für die Taylor-Entwicklung als auch für den iterativen Prozeß
der Ausgleichung bereitgestellt werden, wobei sich die Anzahl der Iterationen bei
guten Näherungswerten verringert. Die Näherungswerte werden durch geeignete
vermessungstechnische Rechenverfahren (Polares Anhängen, Vorwärtsschnitt etc.)
ermittelt. Bezeichnet man die partiellen Ableitungen (gemischte Glieder der Taylor-
Reihe und Glieder höherer Ordnung als eins werden vernachlässigt) mit a i1 , a i2 ,..., a in ,
dann ergeben sich die linearisierten Verbesserungsgleichungen: 11
9
ebd., S. 53
10
Kahmen: Vermessungskunde, S. 29
11
ebd., S. 30 und Fröhlich, S. 55

2 GRUNDLAGEN 11
l i
+ v i
= a i1
dx 1
+ a i2
dx 2
+ a i3
dx 3
...
In Worten ausgedrückt:
Beobachtung l i + Verbesserung v i = Koeffizient a i1 · Zuschlag dx 1
Schreibt man die m linearisierten Verbesserungsgleichungen des LGS in Vektor- und
Matrizenschreibweise auf, ergibt sich: 12
l 1 v 1 a 1 1 a 1 2 a 1 3
l 2 v
2 2 1 2 2 2 3
a a a
l 3 v 3 a 3 1 a 3 2 a 3 3 x
. . . . .
y
. . . . . z
. . . . .
l
m v
m a m 1 a m 2 a
m 3
oder kurz:
l + v = Ax
Liegen Beobachtungen mit verschiedener Genauigkeit vor, muß zusätzlich die Gewichtsmatrix
P eingeführt werden.
2.2.3 Berechnungsablauf
Ohne besondere Verfahren wie die Homogenisierung oder das Kürzen von Beobachtungen
anwenden zu wollen, kann die Parameterschätzung folgendermaßen ablaufen:
13
l + v = Ax ; P (Ausgangsgleichung)
Normalgleichungsmatrix:
N = A T PA
Kofaktormatrix:
Q = N -1
Varianz-Kovarianz-Matrix:
C = AQA T P = 0 2 Q
12
Kahmen: Vermessungskunde, S. 28
13
Hehl: Skript Ausgleichungsrechnung

2 GRUNDLAGEN 12
Korrelationsmatrix und Redundanzvektor:
R = E – C und r = Diag(R)
Lösungsvektor:
x = Qn = N -1 n = (A T PA) -1 A T Pl
Verbesserungsvektor:
v = Ax – l
2.2.4 Genauigkeitsanalyse
Um Aussagen über Genauigkeit und Homogenität der geschätzten Parameter treffen
zu können, werden die a-posteriori-Standardabweichungen, enthalten in der Varianz-
Kovarianz-Matrix, herangezogen. Auch über den mittleren Gewichtseinheitsfehler 0
und die Kofaktormatrix können die mittleren Fehler der Unbekannten sowie deren
minimale und maximale Fehler berechnet werden. Werden minimale und maximale
Fehler der unbekannten Koordinaten als kleine und große Halbachse dargestellt und
deren Ausrichtung im Bezugskoordinatensystem bestimmt, so erhält man die Fehlerellipsen
der Neupunkte. Diese sind stark von der Geometrie des Netzes (Form der
Ellipsen) und den a-priori-Standardabweichungen (Größe der Ellipsen) abhängig. Im
Idealfall wären diese Kreise mit kleinstmöglichem Durchmesser.
Die Berechnung geschieht wie folgt: 14
0
T
v Pv
n
u
q i
i
0
i
q
Min
Max
qxx
qyy ( q q ) 4q
2 2
2 2
xx yy xy
Min
0 qMin
Max 0
qMax
2qxy
2arctan
qxx
qyy Abb. 2 – 5: Fehlerellipse
14
Hehl: Skript Ausgleichungsrechnung

2 GRUNDLAGEN 13
2.2.5 Praktisches Vorgehen und Fehlersuche
Bevor ein Festpunktfeld gelegt wird, kann mit einer sogenannten Diagnoseausgleichung
geprüft werden, ob die Anzahl und die geometrische Verteilung der geplanten
Aufnahmepunkte sowie die a-priori-Genauigkeit der eingesetzten Geräte ausreichen,
um die gewünschte a-posteriori-Genauigkeit, bzw. die geforderten mittleren Punktfehler
einzuhalten. Dies ist möglich, da die Ableitung von Genauigkeitsaussagen
keine direkt gemessenen Beobachtungen, sondern nur die ungefähre Lage der geplanten
Neupunkte, simulierte Beobachtungen und die Genauigkeit der einzusetzenden
Gerätschaften erfordert. Der Redundanzvektor r gibt dabei die Kontrolliertheit
der einzelnen Beobachtungen an, wobei r = 0 % eine Unkontrolliertheit der Beobachtung
und r = 100 % eine überflüssige Beobachtung darstellt, während die Form der
Fehlerellipse Aussagen zur Dominanz von Strecken- bzw. Richtungsmessung liefert.
Der mittlere Gewichtseinheitsfehler 0 kann wegen fehlender realer Beobachtungen
nur angenommen werden, dafür können jedoch die Kofaktoren q ii aus der Kofaktormatrix
Q entnommen und damit Form und Ausrichtung der Fehlerellipsen bestimmt
werden. 15 Mit den aus der Diagnoseausgleichung erhaltenen Informationen kann das
geplante Netz auf Tauglichkeit überprüft und ggf. optimiert werden.
Nach der erfolgten Messung sollte stets eine Grobfehlersuche stattfinden, denn es ist
nie auszuschließen, daß sich Punktnummernverwechslungen oder falsche Instrumenten-
und Tafelhöhen einschleichen. Auch fehlerhafte Additionskonstanten, Maßstäbe
und Reduktionen sollten in diesem Zwischenschritt gefunden und berücksichtigt
werden. Danach sollte eine freie Ausgleichung, d. h. eine Ausgleichung ohne Anschlußzwang
an vorgegebene Festpunkte erfolgen. Der dabei entstehende Datumsdefekt
wird durch geeignete Verfahren behoben, die hier nicht näher betrachtet werden.
Der Vorteil der freien Ausgleichung besteht darin, daß vorhandene Spannungen im
Netz der nicht mit auszugleichenden Anschlußpunkte sich nicht auf die Neupunktkoordinaten
übertragen. In puncto Genauigkeit erhält man folglich ausschließlich Aussagen
über die Qualität der eigenen Messung. Da der Anschluß an vorhandene Festpunkte
im allgemeinen erforderlich ist, beschränkt sich die Bedeutung der freien
Ausgleichung auf die o. g. Aspekte.
Vernachlässigte Korrektionen führen zu einer Störung des funktionalen Modells und
schlagen sich in einem großen mittleren Gewichtseinheitsfehler 0 a-posteriori nieder.
Zudem hat die Methode der kleinsten Quadrate die unangenehme Eigenschaft,
grobe Fehler (bzw. nicht normalverteilte Abweichungen) im Datenmaterial nicht
aufdecken zu können. Sie ist daher als nicht robust anzusehen. 16 Vielmehr führen
15
Hehl: Skript Ausgleichungsrechnung
16
Jäger et al.: Klassische und robuste Ausgleichungsverfahren, S. 106ff

2 GRUNDLAGEN 14
diese Fehler zu Verschmierungseffekten 17 in den ausgeglichenen Neupunktkoordinaten.
Um diesem negativen Effekt vorzubeugen, bedient man sich in einer Vorausgleichung
sogenannter robuster Schätzverfahren wie der L1-Norm-Schätzung und filtert die
dort gefundenen „schlechten“ Beobachtungen vor der danach stattfindenden
L2-Norm-Schätzung heraus oder führt die L2-Norm-Schätzung im Zusammenhang
mit einem resistenten Data-Snooping („Daten-Schnüffeln“ = Grobfehlersuche) durch.
Dabei handelt es sich um einen Ausreißertest, der erstmalig von W. Baarda in den
1960er Jahren entwickelt wurde.
Testgröße ist hierbei die Normierte Verbesserung NV i :
vi vi vi
p i
NVi
s s r r
vi li i 0 i
mit v i Verbesserung der Beobachtung
s vi
s li
p i
r i
0
Standardabweichung der Verbesserung
Standardabweichung der ursprünglichen Beobachtung
Gewicht der Beobachtung
Redundanz der Beobachtung
mittlerer Gewichtseinheitsfehler
Sie wird anschließend mit einem Grenzwert für das Data-Snooping verglichen, der
einer geeigneten statistischen Verteilungsfunktion entstammt. Ist die Normierte
Verbesserung größer als der Grenzwert, liegt mit einer gewissen Sicherheitswahrscheinlichkeit
eine fehlerhafte Messung oder eine zu große Meßabweichung vor. 18
Nach der Ausgleichung sieht man sich den mittleren Gewichtseinheitsfehler 0
a-posteriori und die mittleren Koordinatenfehler an. 0 sollte dabei nicht wesentlich
größer oder kleiner als 0 a-priori sein, ansonsten (schließt man Fehler im funktionalen
und stochastischen Modell aus) wurden die Meßgenauigkeiten als zu gut bzw. zu
schlecht angenommen und sollten einer kritischen Beurteilung unterzogen werden. 19
17
Möser et al.: Ingenieurgeodäsie – Grundlagen, S. 431
18
Möser et al.: Ingenieurgeodäsie – Grundlagen, S. 440
19
ebd., S. 441

2 GRUNDLAGEN 15
2.3 Die elektrooptische Distanzmessung
Die elektrooptische Streckenmessung funktioniert im Prinzip recht einfach. Es wird
ein Meßsignal von einem Sender emittiert, vom Meßobjekt zu einem Empfänger
reflektiert und dort erfaßt.
Als Meßsignal dienen elektromagnetische Wellen, von denen prinzipiell alle verwendbar
sind. Günstig für Laufzeitmessungen haben sich Wellen mit Wellenlängen
im Meterbereich herausgestellt. Diese haben aber schlechte Ausbreitungseigenschaften
und lassen sich schwer bündeln. Wellen im Bereich des kurzwelligen sichtbaren
Lichts und des nahen Infrarot lassen sich zwar gut bündeln, es ist jedoch problematisch,
das gesendete Signal zum Empfangszeitpunkt eindeutig zu detektieren.
Deswegen wird auf die kurzwellige Lichtwelle die langwellige Meßwelle (auch Maßstabswelle
genannt) aufmoduliert, um die günstigen Eigenschaften beider Wellen zu
vereinen. Die Meßwelle dient dabei zur eigentlichen Distanzmessung und die Lichtwelle
zur Übertragung des Meßsignals.
Es gibt zwei Verfahren, die bei der elektrooptischen Distanzmessung Anwendung
finden: das Impuls- oder Laufzeitverfahren und das Phasenvergleichsverfahren.
2.3.1 Das Impulsverfahren
Bei diesem Verfahren schickt der Sender Meßimpulse aus. Mit dem Zeitpunkt des
Aussendens startet ein Laufzeitmesser, der beim Empfangen des zurückgekehrten
Signals wieder stoppt. Die Distanz zwischen Standpunkt und Meßobjekt berechnet
sich dann aus der Geschwindigkeit des Impulses und der Zeit, die es für die Strecke
benötigte. Die gemessene Zeit muß hierfür halbiert werden, da das Meßsignal bei der
Messung den doppelten Weg zurückgelegt hat (Hin- und Rückweg).
Abb. 2 – 6:
Prinzip des Impulsverfahrens
(aus Deumlich: Instrumentenkunde)

2 GRUNDLAGEN 16
Das Impulsverfahren wurde lange Zeit kaum verwendet, da die Zeitmessung die erforderlichen
Genauigkeiten nicht erreichte, bzw. der Aufwand dafür zu hoch war.
Beispiel: Für eine Strecke von 6 mm benötigt das Signal bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit
von 299792,5 km/s (Lichtgeschwindigkeit) 0,02 ns. Soll also die Distanzmessung
eine Genauigkeit von 6 mm erreichen, so muß die Zeit wegen des doppelten
Weges auf 0,04 ns bestimmbar sein.
2.3.2 Das Phasenvergleichsverfahren
Beim Phasenvergleichsverfahren wird eine kontinuierliche harmonische Welle ausgesendet.
Die zurückkommende Welle unterteilt sich hierbei in n ganze Schwingungen
und einen Phasenrest R. Der Phasenmesser ist lediglich in der Lage, diesen Phasenrest
zu messen und auch das nur mit einer Genauigkeit von ca. 1/4000 – 1/8000 .
Das bedeutet, die Distanz ist nur eindeutig für Strecken, die nicht größer als die halbe
Wellenlänge der Meßwelle sind. Aus diesem Grund wird die Messung gestaffelt mit
zwei oder drei Wellenlängen durchgeführt; eine Grobmessung mit einer Wellenlänge
von ca. 2000 m und Feinmessungen mit Wellenlängen von etwa 3 - 20 m.
Die Grobmessung ist dabei für die Berechnung der Strecke mit Metergenauigkeit
zuständig und garantiert für die Eindeutigkeit der Messung. Die Feinmessungen sind
ausschlaggebend für die Berechnung der Strecke auf mm-Genauigkeit.
Abb. 2 – 7:
Prinzip des Phasenvergleichsverfahrens
(aus Möser u. a.: Ingenieurgeodäsie-Grundlagen)
Ein Gerät mit einer Wellenlänge für den Feinmaßstab von 20 m und einer Phasenmeßgenauigkeit
von 1/4000 l kann die durch den Phasenrest bestimmte Reststrecke
beispielsweise auf 5 mm genau ermitteln.

2 GRUNDLAGEN 17
2.3.3 Reflektor- und reflektorlose Messung
Die Aufgabe von Reflektoren ist es, das Meßsignal zurück zum Empfänger zu leiten,
ohne es dabei großartig abzuschwächen (der Intensitätsverlust liegt im Bereich von
ca. 2-3 %). Dabei werden fast vorwiegend Tripelprismen verwendet, die, anders als
Planspiegel, nicht genau ausgerichtet werden müssen, da durch deren Form der Meßstrahl
streng parallel zu sich selbst zurückgeworfen wird. 20
Bei der reflektorlosen Messung ist hingegen kein Reflektor notwendig, das Meßsignal
wird vom zu messenden Objekt selbst reflektiert. Dabei hängen Streckenmeßgenauigkeit
und Reichweite von verschiedenen Faktoren ab:
vom Material, der Rauheit, der Farbe und der Struktur des Objekts (den Reflexionseigenschaften
an sich),
dem Durchmesser des Meßstrahls (je kleiner der Durchmesser, desto eindeutiger
der Meßpunkt),
vom Auftreffwinkel des Meßstrahls,
von Wellenlänge und Intensität des Signals,
von der Empfängerempfindlichkeit und
von äußeren Störungen, die das Signal absorbieren oder streuen können
(z. B. Nebel, starke Sonneneinstrahlung, ...).
Je nach Objekt liegt die Abschwächung des Signals bei 10-100 %, weswegen sich die
Messung mit solchen Systemen desöfteren als schwierig erweist.
Beim reflektorlosen Messen hängt die Punktgenauigkeit in besonderem Maße von der
Richtigkeit der Streckenmessung ab. Da kein eindeutiger Reflexionspunkt mehr vorhanden
ist, ist sie besonders fehleranfällig. Dies kann zum einen durch störende
Objekte (Äste, Zäune, ...) im Meßstrahl hervorgerufen werden, die eine Verkürzung
der gemessenen Strecke zur Folge haben.
Ein weiterer Grund ist der Durchmesser des Meßstrahls. Je weiter das Ziel vom Instrument
entfernt ist, desto stärker nimmt dieser zu. Das hat zur Folge, daß Ecken
und Kanten, die bei den meisten Objekten angezielt werden, nicht einwandfrei gemessen
werden können. Durch die Divergenz des Meßsignals treffen einige Strahlen
auf benachbarte Oberflächen. Es bildet sich eine Art Mischstrecke, die je nach Lage
der Nachbarpunkte im Unterschied zur Sollstrecke mehr oder weniger stark verfälscht
ist. Strecken werden zu lang oder zu kurz gemessen.
20
Kahmen: Vermessungskunde, S. 181

2 GRUNDLAGEN 18
Abb. 2 – 8:
Auswirkung der Strahlendivergenz
Abb. 2 – 9: Verfälschung der Sollstrecke
Um diesen Streckenverfälschungen wirksam zu begegnen, wird in der Tachymetrie
der Meßstrahl so auf das Meßobjekt ausgerichtet, daß eine ebene, idealerweise
orthogonal zum Zielstrahl befindliche Fläche gemessen werden kann. Anschließend
wird die Richtung eingedreht. Distanz und Richtung werden getrennt gemessen und
dann gemeinsam abgespeichert.
Bei der Messung mit einem Laserscanner ist dies aber nicht möglich, da das vorgegebene
Raster nicht für Einzelpunkte verändert werden kann. Die so entstehenden
Ungenauigkeiten werden aber durch die Vielzahl an Meßpunkten wieder weitgehend
ausgeglichen.

2 GRUNDLAGEN 19
2.4 Laserscanner
Laserscanner sind Meßsysteme, mit denen Objekte verschiedenster Art und Größe
berührungslos vermessen werden können.
Beim Scannen wird ein Meßsignal ausgesendet, welches vom zu scannenden Objekt,
beispielsweise einer Hauswand, einem Mast, dem Erdboden usw., reflektiert und zu
einem Sensor zurückgesendet und dort registriert wird. Die Koordinaten der Meßpunkte
werden über die Entfernung, Horizontal- und Vertikalwinkel in einem lokalen
System in Bezug auf den Scannerstandpunkt festgelegt.
Gescannt wird rasterförmig in vorher durch die Scanauflösung vorgegebenen Spiegelpositionen.
Die Gesamtanzahl der Meßpunkte pro Scan kann zum einen durch die
Scanauflösung festgelegt werden. Sie wird getrennt in horizontaler und vertikaler
Richtung auf eine bestimmte Entfernung angegeben. Liegt das zu scannende Objekt
weiter entfernt als angegeben, wird es grobmaschiger gescannt. Analog dazu führt
eine kürzere Entfernung zu einer dichteren Punktwolke. Abb. 2 - 10 zeigt den einfachen
Zusammenhang. Die Definition einer festen Gesamtpunktzahl ist ebenfalls
möglich.
Abb. 2 – 10:
Rasterpunktabstand in Abhängigkeit von der Entfernung
Das Ergebnis solcher Scans sind 3D-Punktwolken, die mit geeigneter Software ausgewertet
und weiterbearbeitet werden können (z. B. Überführung der lokalen Koordinaten
in ein anderes Koordinatensystem, Modellierung der Punktwolken und Umsetzung
in 3D-Modelle).

2 GRUNDLAGEN 20
Scanner bestehen aus drei Komponenten:
- einer Steuer- und Datenverwaltungseinheit
- dem Richtungsmeßsystem und
- dem Distanzmeßsystem.
Bei der Steuer- und Datenverwaltungseinheit handelt es sich in der Regel um einen
PC (Notebook). Sie ist für die Steuerung der Meßsysteme und die Datenspeicherung
zuständig. Außerdem dient sie als Plattform für die weitere Bearbeitung der Daten.
Das Richtungsmeßsystem besteht aus einem System von Spiegeln, Spiegelpolygonen
und Prismen. Es ist entweder so aufgebaut, daß die Strahlenquelle (des Distanzmessers)
beweglich ist oder die Bahn des Laserstrahls über die Spiegel-Prismen-
Anordnung verändert wird. Die Anzahl der scanbaren Punkte pro Zeiteinheit bzw. die
Scangeschwindigkeit wird dadurch festgelegt, wieviel Masse (Spiegel, Prismen, Gehäuse
...) zu bewegen ist. Je geringer diese Masse, desto größer ist die Scangeschwindigkeit
und damit die Punktmenge pro Zeiteinheit. Sie kann von Gerät zu Gerät variieren.
Das Distanzmeßsystem arbeitet entweder mit dem Impuls-(Laufzeit-)verfahren oder
mit dem Phasenvergleichsverfahren. Beide Verfahren wurden in Kapitel 2.3 näher
beschrieben.
Scanner können weiterhin durch ihr Gesichtsfeld in zwei Arten unterteilt werden:
Camera-View-Scanner und Panorama-View-Scanner.
Der Camera-View-Scanner besitzt einen festen Bildausschnitt wie eine gewöhnliche
Fotokamera und muß manuell auf das jeweilige Zielgebiet/-objekt ausgerichtet werden.
Bei diesen Geräten erfolgt die Ablenkung des Zielstrahls in aller Regel durch
rotierende Spiegel. Ein Beispiel hierfür ist der HDS 2500 der Firma Leica.
Der Panorama-View-Scanner verfügt über ein horizontales Gesichtsfeld von 360°. Er
ist in seinem Aufbau den Tachymetern ähnlich, da die Richtungsmessung des Zielstrahls
durch die Bewegung des Meßkopfes geschieht. Hier sei der HDS 3000, ebenfalls
von der Firma Leica, als Beispiel genannt.
Scanner finden heutzutage schon in vielfältigen Bereichen Anwendung, angefangen
bei Vermessung, Facility Management und Architektur (Bauwerksüberwachung,
Aufnahme von Innenräumen, Fassaden..., Bestandspläne, Volumenermittlung) bis
hin zum Bereich Sicherheit (Bestandteil von Überwachungssystemen) und Verkehr
(Erkennen von Hindernissen bei Fahr- und Flugzeugen).

2 GRUNDLAGEN 21
2.4.1 Der Laserscanner HDS 3000
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde für die Hauptmessung der HDS 3000
(Abb. 2 - 11) benutzt, ein motorisierter Laserradarscanner der Firma Leica Geosystems.
Bei diesem Scanner handelt es sich um einen Panorama-View-Scanner.
Er besitzt ein horizontales Sichtfeld von 360° und ein vertikales von 270°. Der Meßstrahl
wird in vertikaler Richtung durch einen Spiegel, horizontal über einen
Servomotor bewegt.
Die Entfernungsmessung erfolgt mittels Laufzeitverfahren, welches im Kapitel 2.3.1.
näher erläutert wurde.
Abb. 2 – 11: HDS 3000
(Foto: Leica)
(In Tabelle 2 - 1 sind Angaben zum verwendeten Laser,
erreichbaren Meßgenauigkeiten und weiteren
Gerätespezifikationen dargestellt.)
Als Benutzerinterface dient ein externer Laptop, der
über ein Netzwerkkabel mit dem Scanner verbunden
wird.
Das Notebook benötigt mindestens einen Pentium-
Prozessor mit 1,4 GHz und 512 MB RAM, eine
Ethernet-Netzwerkkarte, ein SXGA+Display und
Windows XP (professional bzw. home) oder Windows
2000. Weiterhin wird das Programm Cyclone der
Version 5.1 oder höher zur Messung und
anschließenden Bearbeitung benötigt.
Die integrierte Digitalkamera hat drei Aufnahmemodi:
niedrig, mittel, hoch. Ein Einzelimage 24° x 24° hat im
Modus „high“ 1024 x 1024 Pixel (1 Megapixel), ein Rundum-Image (aus 111 Einzelimages
zusammengesetzt) 360° x 270° ca. 64 Megapixel.
2.4.2 Der Laserscanner HDS 2500
Der HDS 2500 wurde für alle Nachmessungen verwendet. Im Gegensatz zum HDS
3000 ist dieses Gerät ein Camera-View-Scanner mit einem festem Scanfenster von
40° x 40°.
Auch bei diesem Scanner geschieht die Distanzmessung mittels Laufzeitverfahren, im
Gegensatz zum HDS 3000 aber die Ablenkung des Zielstrahls über zwei Spiegel.
Ebenso wie der HDS 3000 wird der HDS 2500 über ein mit einem Netzwerkkabel
verbundenen Notebook bedient und verfügt ebenfalls über eine eingebaute Digitalkamera,
welche jedoch nur eine sehr schlechte Bildqualität liefert.

2 GRUNDLAGEN 22
In Tabelle 2 - 1 sind auch hierzu zusätzlich weitere
Geräteangaben aufgeführt.
Das Notebook sollte mindestens einen 1GHz-Pentium3-
Prozessor, 256MB RAM (besser 512 MB), eine Ethernet
Netzwerkkarte und eine SVGA-Grafikkarte haben. Als Betriebssystem
ist WINDOWS NT 4.1, WINDOWS 2000 oder
WINDOWS XP nötig.
Abb. 2 – 12: HDS 2500
(Foto: Leica)
2.4.3 Kurze Gegenüberstellung
Durch die Möglichkeit des Rundumscannens des HDS 3000 ist er um einiges besser
geeignet, größere Meßgebiete abzudecken als der HDS 2500. Das Meßgebiet ist mit
deutlich weniger Scans aufnehmbar. Es müssen auch bedeutend weniger Verknüpfungspunkte
über das Gebiet verteilt werden als bei Verwendung von Camera-View-
Scannern, da durch das größere Sichtfeld mehrere gleichzeitig meßbar sind. Ferner
entfällt das zeitraubende Einrichten des Meßfensters. Dieses wird anhand der
Digitalfotos festgelegt, und das Gerät dreht automatisch in die richtige Position und
beginnt mit dem Scanvorgang.
Der Nachteil an der Kamera des HDS 3000 ist die Einstellung der Belichtungszeit.
Beim HDS 2500 wird eine Voransicht des Bildes angeboten, wodurch man eine gute
Möglichkeit hat, relativ schnell ein brauchbares Image zu erstellen. Diese Funktion
fehlt jedoch beim HDS 3000, was die Erstellung eines Images unnötig erschwert. Das
entstehende Bild wird weniger für eine spätere Auswertung als für die Festlegung des
Scanfensters benötigt, da der Scanner über keinerlei Visier- oder Ableseeinrichtungen
verfügt. Innerhalb des erzeugten Fotos kann an beliebiger Stelle ein Rahmen
gezogen werden, der den späteren Scanausschnitt symbolisiert.
Beide Scanner sind bei beliebigen Lichtverhältnissen einsetzbar, von kompletter
Dunkelheit bis zu normalem Sonnenlicht. Das Messen bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit,
Regen oder Schnee ist unbedingt zu vermeiden, da die Geräte zum einen nicht
feuchtigkeitsverträglich sind und zum anderen bei Niederschlägen diese mitgescannt
werden und sich als Störungen im Scan unangenehm bemerkbar machen.

2 GRUNDLAGEN 23
Weiterhin sind die Scanner nur bei Temperaturen von 0°C bis 40°C einsetzbar. Bei
niedrigeren Temperaturen stellt das Gerät keine Verbindung mehr zum Notebook her
bzw. bricht die Scans unvollendet ab (beobachtet beim HDS 3000, wobei leider keinerlei
Hinweise zur Ursache für die Ausfälle erfolgten).
Eine Übersicht der technischen Daten beider Scanner stellt Tab. 2 – 1 dar.

2 GRUNDLAGEN 24
Tab. 2 – 1: Gerätespezifikationen HDS 2500 und HDS 3000
HDS 2500 HDS 3000
Laser
Wellenlänge 532 nm (grün) 532 nm (grün)
Klasse 2 (CFR 1040) 3R (IEC 60825-1) 1
Meßbereich
Entfernung (optimal) 1,5 – 100 m 1 – 100 m
horizontal (max.) 40° 360°
vertikal (max.) 40° 270°
Meßgeschwindigkeit 850 Punkte/s 1800 Punkte/s
Genauigkeiten (auf 50 m)
Strecke 4 mm 4 mm
Winkel (horiz., vertik.) 60 µrad 30 µrad
Koordinaten 6 mm 6 mm
Erkennung ebener Targets keine Angabe 1,5 mm
einer modellierten Fläche 2 mm 2 mm
Scansystem
Punktgröße < 6 mm / 50m < 6 mm / 50m
maximale Abtastdichte 1,2 mm 1,2 mm
maximale Punktzahl 1000 Punkte/Zeile 20000 Punkte/Zeile
1000 Punkte/Spalte 5000 Punkte/ Spalte
Abmessungen (Scanner)
Länge, Breite, Höhe 40,1 x 33,8 x 42,9 cm 26,5 x 37 x 51 cm
Gewicht 20,5 kg 16 kg
Abmessungen (Akku)
Länge, Breite, Höhe 31,2 x 27,9 x 23,8 cm 15,5 x 23,6 x 21,5 cm
Gewicht 7,3 kg 12 kg
Energiebedarf
Input 12 V 12 V
Verbrauch 100 W < 80 W
Batteriehaltbarkeit 8 h 6 h
(1) IEC 60825-1 : internationale Lasersicherheitsnorm; schreibt technische Sicherheitsmaßnahmen für
Hersteller und Anwender von Lasergeräten vor.

2 GRUNDLAGEN 25
2.5 Anforderungen der BVG
Allen Nichteisenbahnen, die am öffentlichen Straßenverkehr teilnehmen, liegt die
BOStrab (Bau- und Betriebsordnung Straßenbahn) zugrunde. Daneben schaffen sich
die einzelnen Verkehrsgesellschaften für ihren Geltungsbereich selbst Verordnungen
und Richtlinien, um einen gewissen Qualitätsstandard für Aufnahme, Planung und
Neubau von Gleisanlagen garantieren zu können.
Für die topographische Aufnahme von Gleis- und Straßenbereichen im Auftrage der
Berliner Verkehrsbetriebe BVG ist das „Handbuch Bestandsvermessung Straßenbahn“
maßgebend. Dort ist explizit festgelegt,
welche Genauigkeiten bei der Punktaufnahme einzuhalten sind,
welche Topographie relevant für die Aufnahme ist,
wie die relevanten topographischen Punkte aufzunehmen sind und
wie sie im Bestandsplan darzustellen sind.
Das „Handbuch Bestandsvermessung“ gehört bei der Auftragsvergabe stets zum
Leistungsverzeichnis dazu.
Desweiteren wird seitens der BVG erwartet und auch kontrolliert, daß die zur Messung
eingesetzten Instrumente regelmäßig überprüft und gewartet wurden und zur
Messung geeignet sind.
In puncto Genauigkeit trennt die BVG einerseits zwischen Lage und Höhe, andererseits
zwischen Licht- und Straßenraum. Der Lichtraum wird nach Möser folgendermaßen
erklärt: „Die Gewährleistung eines gefahrlosen Betriebes auf einem Verkehrsweg
verlangt die Freihaltung eines definierten Raumes um dessen Achse. Dieser
wird mit dem Begriff ‚Lichtraum’ bezeichnet. Die Größe und Form des Lichtraumes
hängt in erster Linie von den Eigenarten des Verkehrsweges und der auf ihm verkehrenden
Fahrzeuge ab. Er wird durch eine exakt festgelegte ‚Lichtraumumgrenzungslinie’
definiert... Die Lichtraumumgrenzung ist eine auf Gleismitte und Schienenoberkante
bezogene äußere Umgrenzung eines für alle Gleise vorzusehenden
Raumes, in den bauliche Anlagen oder Einrichtungen sowie feste oder lagernde Gegenstände
nicht hineinragen dürfen. Ausgenommen davon sind Einrichtungen für die
unmittelbare Beeinflussung der Fahrzeuge, z. B. Fahrleitungen, Zugbeeinflussungseinrichtungen.
Die Lichtraumumgrenzung dient dem ungehinderten und gefahrlosen
Bewegen der Fahrzeuge und berücksichtigt Wank- und Schlingereinflüsse sowie
Unregelmäßigkeiten der Gleislage.“ 21
21
Möser et al.: Ingenieurgeodäsie – Eisenbahnbau, S. 58f

2 GRUNDLAGEN 26
Bei der Berliner Straßenbahn gelten für die Bestandsaufnahme diejenigen Objekte als
lichtraumrelevant, die sich 2,50 m horizontal von der Gleisachse und 5 cm bis zu
2,50 m über Schienenoberkante befinden.
Für aufzumessende topographische Punkte gilt eine Nachbarschaftstreue von 7 mm
im lichtraumrelevanten und 15 mm im sonstigen Bereich, während die Höhengenauigkeit
generell unter 3 mm zu liegen hat.
Für die Orientierung gilt, daß mindestens drei geometrisch günstig angeordnete
Anschlußpunkte verwendet werden müssen (sowohl für die freie Stationierung als
auch für den Abriß) und daß der mittlere Punktfehler von 3 mm in der Lage und
2 mm in der Höhe nicht überschritten werden darf.
Diese Forderungen begründen sich darauf, daß bei der Planung einer neuen Trasse
besonderes Augenmerk auf vorhandene Zwangspunkte wie im Lichtraum befindliche
Objekte oder Gleis- bzw. Weichenanschlüsse gelegt werden muß.
Die Lage- und Höhenfestpunkte der BVG befinden sich überwiegend in Form von
Bohrungen oder Körnungen an Fahrleitungsmasten der Straßenbahn und können
nur mit Hilfe spezieller Prismenträger aufgehalten werden (siehe Abb. 2 – 13 und
2 - 14).
Abb. 2 – 13: Anschlußpunkt der BVG Abb. 2 – 14: Aufhalten der Anschlußpunkte
(Handb. Bestandsvermessung)

2 GRUNDLAGEN 27
Einen wesentlichen Bestandteil der vorliegenden
Diplomarbeit stellt neben zahlreichen anderen,
für einen Bestandsplan interessanten
topographischen Objekte, die Erfassung der
Gleise oder besser gesagt der Fahrkanten dar.
Diese wird in der Praxis mittels eines sogenannten
Gleiswinkels für beide Schienen separat
durchgeführt. Der Gleiswinkel ist dabei
notwendig, weil der als Fahrkante darzustellende
Punkt in der Realität nicht existiert.
Vielmehr entsteht er erst durch Schnittbildung
der zwei senkrecht aufeinander stehenden
Kanten des Winkels, von denen die eine auf der
Schienenoberkante (SO) und die andere 14 mm
unter SO an der Schieneninnenseite anliegt
(siehe Abb. 2 - 15). Damit beträgt die theoretische
Spurweite 1433 mm statt der Normalspurweite
von 1435 mm.
Abb. 2 – 15:
Gleiswinkel und
Fahrkante
(Handb. Bestandsvermessung)
Eine weitere Besonderheit stellt die Aufnahme der Fahrleitungsmaste dar. Diese
sollen „für eine zweifelsfreie Darstellung bzw. Zuordnung und eine gesicherte Aussage
über Umfang bzw. Seitenlänge“ 22 erstens so weit unten wie möglich und zweitens
an den in Abb. 2 - 16 dargestellten Stellen aufgenommen werden. Außerdem müssen
alle gleisseitigen Mastanbauten erfaßt werden. Die Darstellung der Maste im Plan
erfolgt grundsätzlich maßstäblich, auch wenn sie als Symbol eingefügt werden.
Für andere Aufnahmeobjekte gelten die im Handbuch Bestandsvermessung angegebenen
Regeln. Dort ist beschrieben, an welcher Stelle ein Objekt aufgehalten werden
muß und wie es später in den Plan einzufügen ist.
22
Handbuch Bestandsvermessung Straßenbahn, Teil B

2 GRUNDLAGEN 28
Abb. 2 – 16:
Aufnahme von Fahrleitungsmasten
(Handbuch Bestandsvermessung)

3 MESSUNG 29
3 Messung
3.1 Netzmessung
Für die spätere Verknüpfung der einzelnen Scans zu einer Gesamtpunktwolke (siehe
Registrierung, Kap. 4.2.2) war es notwendig, geeignete Verknüpfungspunkte zu
schaffen. Da die BVG zudem sämtliche Punkte im Landeskoordinatensystem Soldner
Berlin benötigt, bot es sich an, diese Verknüpfungspunkte auch im Landeskoordinatensystem
zu bestimmen. Bereits vorhandene Aufnahmepunkte von BVG und Bezirksamt
waren für das Anbringen der Targetmarken leider ungeeignet.
Unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten und der Möglichkeiten des
Panorama-Scanners erschien die Verwendung von jeweils einem Target an den Kreuzungsecken
und Mittelinseln, also von insgesamt acht Punkten als ausreichend. Die
Anlage eines dauerhaften Paßpunktes in der Kreuzungsmitte mußte mangels Realisierbarkeit
verworfen werden.
Abb. 3 – 1:
Netzskizze

3 MESSUNG 30
Die Beschaffenheit der verwendeten Targets (magnetische Reflexfolien) ließ zwar
eine direkte Aufstellung darauf nicht zu und schloß damit die klassische Polygonierung
aus. Eine durchgeführte Diagnoseausgleichung zeigte aber, daß die Polaraufnahme
der Targets von vier Standpunkten an je einer Kreuzungsecke als ausreichend
kontrollierbar angesehen werden konnte. Somit erfolgte die Bestimmung der
Koordinaten der Targets 5 – 12 von den Standpunkten 90001, 902, 903 und 904 aus.
90001 ist ein übergeordneter Lagefestpunkt des Landes Berlin, die restlichen Punkte
sind frei gewählt und durch Bolzen vermarkt worden.
Von den acht Targets wurden vier an achteckigen Masten (7, 9, 10, 12), zwei an TT-
Trägern (8 und 11) und eines (6) am Mast einer Schilderbrücke abnehmbar angebracht;
Target 5 wurde an einer Ampel dauerhaft fixiert. Die magnetischen Targets
wurden nach der Netzmessung wieder entfernt, da bis zum Scannen noch einige Tage
Zeit war und Diebstahl nicht ausgeschlossen werden konnte. Um die Targets nach der
Netzmessung für eventuelle Nachmessungen und für den Scan wieder an exakt den
gleichen Stellen anbringen zu können, wurden sie mit einem wasserfesten Stift umrandet
und numeriert, so daß jeweils dieselben Marken ihren Standpunkten zugeordnet
werden konnten.
Als Anschlußpunkte standen die amtlichen Aufnahmepunkte 70007 und 90001 sowie
die BVG-eigenen Punkte 560403, 560404, 560405, 560407 und 530611 zur Verfügung
(Netzskizze siehe Abb. 3 - 1). Weitere Punkte wurden aufgrund ungünstiger
Sichtverhältnisse (parkende Fahrzeuge etc.) nicht angezielt.
Die Messung erfolgte für Lage und Höhe getrennt, d. h. es fanden eine tachymetrische
Aufnahme und ein Nivellement statt.
3.1.1 Höhe
Zur Höhenbestimmung im Festpunktfeld wurden die BVG-Punkte 560404, 560405
und 560407 als Anschluß benutzt, da keine weiteren Höhenfestpunkte zur Verfügung
standen. Es wurde ein Nivellementzug mit dem zuvor geprüften Nivellierinstrument
Zeiss Ni 2 über die Targetpunkte, die Polygonpunkte 902, 903 und den AP 90001
gemessen. Dabei wurden drei Festpunkte als Anschluß verwendet, um eventuelle
Höhenfehler in den Festpunkten erkennen zu können. Zusätzlich wurden die Neupunkte
ein zweites Mal über Zwischenblicke bestimmt, damit eine weitere Kontrollmöglichkeit
besteht. Eine erste Kontrolle des Nivellements wurde gleich vor Ort
durchgeführt. Die Festlegung der endgültigen Neupunkthöhen sollte später über eine
Ausgleichung erfolgen.

3 MESSUNG 31
3.1.2 Lage
Vor der eigentlichen Messung fand eine Instrumentenprüfung mit dem internen
Prüfprogramm statt, die keine besonderen Auffälligkeiten zeigte.
Von den Polygonpunkten 902, 903, 904 und dem AP 90001 aus wurden mit dem
Tachymeter Leica TCRP 1202 jeweils in einem Halbsatz polar die anderen Polygonpunkte,
die Punkte der BVG und die sichtbaren Targetpunkte angemessen. Hierbei
wurden die Schrägstrecken und Horizontalrichtungen unter Berücksichtigung von
Temperatur, Luftdruck und Maßstab gespeichert. Auf den vier Kreuzungseckpunkten
90001 und 902 – 904 wurde mit Zwangszentrierungen gearbeitet, um Ungenauigkeiten
in der Zentrierung bei wiederholtem Aufbauen der Stative vorzubeugen.
Abb. 3 – 2:
Netzmessung
Die Targetpunkte wurden reflektorlos angemessen, da kein geeigneter Reflektor zur
Verfügung stand und Reflexfolie sich als nicht praktikabel erwies (das Ablaufen der
Targets hätte mit einer Trittleiter erfolgen müssen und zu lange gedauert). Das Anvisieren
der Marken stellte sich dabei als etwas problematisch heraus, denn der Markenmittelpunkt
war bei größeren Entfernungen nicht mehr eindeutig zu erkennen

3 MESSUNG 32
und mußte somit auf anderem Wege visualisiert werden (Anzeigen der Richtung
durch den zweiten Mann). Zudem waren die Marken an den Masten nicht zum Tachymeter
hin drehbar, was unter Umständen zu ungünstigen Einfallswinkeln des
Meßstrahls und so zu Ungenauigkeiten in der Streckenmessung führen konnte.
Ebenfalls schwierig anzumessen waren die Punkte der BVG. Da es sich hierbei um
Körnungen in TT-Trägern und achteckigen Laternenmasten handelte, waren sie nur
von bestimmten Richtungen aus anmeßbar. Auch stand für deren Aufhalten kein
geeignetes Prisma (siehe Kap. 2.5, Abb. 2 – 14) zur Verfügung, so daß mit Reflexfolie
gearbeitet werden mußte.
Die Netzmessung wurde durch Fußgänger, Straßenverkehr, Reparaturarbeiten am
Kabelnetz und eine feuchtkalte, ungünstige Witterung behindert und verzögert und
dauerte daher rund sieben Stunden.
Da nach einer ersten Ausgleichung des Netzes die Lagequalität der Neupunkte hinter
den Erwartungen zurückblieb, wurde fünf Tage nach der Netzmessung mit einem
Theodolit Wild T2 eine Nachmessung durchgeführt. Dabei wurden auf den Punkten
90001 und 902 – 904 jeweils in einem Vollsatz die Horizontalrichtungen zu den
Targetpunkten 5 – 12 gemessen. Da es sich beim T2 um einen Sekundentheodolit
handelt, versprach die Winkelmessung genauer als beim Tachymeter zu werden und
eine bessere Punktbestimmung mittels Vorwärtsschnitt zu ermöglichen.
Damit waren die Netzmessungen abgeschlossen, und die Netzausgleichung sowie die
Arbeiten mit dem Scanner konnten beginnen.

3 MESSUNG 33
3.2 Laserscanning der Kreuzung
3.2.1 Praktische Probleme
Ungefähr zehn Tage nachdem das Festpunktfeld geschaffen wurde, fanden die Messungen
mit dem Scanner statt. Dazu wurde ein Rundumscanner (HDS 3000) von der
Firma Leica Geosystems für eine Woche entliehen. Der Zeitplan sah diverse Grobund
Feinscans an vier Nächten der Woche (Montag bis Donnerstag) vor. Die Scans
sollten zwischen 23 und 5 Uhr durchgeführt werden, weil in dieser Zeit sowohl Straßen-
als auch Schienenverkehr und Behinderungen durch Passanten minimal gewesen
wären. Zur Überwachung der Verkehrssituation wollte die BVG Sicherheitsposten
zur Verfügung stellen. Diese kamen jedoch nur in der ersten Nacht zum Einsatz.
Denn dort zeigte sich, daß eine Messung mit dem Scanner nicht möglich war, genauer
gesagt ließ sich der Scanner nicht über das Netzwerk mit dem Laptop verbinden oder
eine aufgebaute Verbindung wurde nach wenigen Minuten wieder unterbrochen. Es
erfolgte dabei jedoch keinerlei Meldung über die Ursache.
Eine Rücksprache mit Leica am nächsten Morgen ergab, daß der Scanner nur bis
minimal 0°C einsatzfähig ist. In den Nächten sanken die Temperaturen derzeit jedoch
auf bis zu –10°C und auch tagsüber stiegen sie kaum über 1°C. Die Empfehlung
von Leica, doch am Tage zu scannen, weil die Sonne den Scanner zusätzlich erwärmte,
nützte am ersten Tag noch nichts, da wiederum keine Verbindung zwischen Scanner
und Notebook möglich war. Somit gingen bereits zwei Arbeitstage verloren.
Für die restlichen Scans blieb keine andere Möglichkeit, als sie tagsüber durchzuführen,
da die Ausleihzeit des HDS 3000 auf fünf Tage begrenzt (Abgabe Freitag mittag)
und eine Besserung der Wetterverhältnisse nicht in Sicht war.
Die nur mehr zweieinhalb zur Verfügung stehenden Tage reduzierten die geplante
Anzahl der Scans deutlich und die Aufnahme von einem Standpunkt (Mittelinsel bei
Target 6) mußte sogar verworfen werden. Abb. 3 – 3 zeigt die verwendeten Scannerstandpunkte
sowie die zugehörigen Scanbereiche.
Als nachteilig am Sannen bei Tage stellte sich wie erwartet heraus, daß durch den
sehr stark befahrenen Meßort zahllose Störungen in die Messungen einflossen, die
hinterher beseitigt werden mußten.

3 MESSUNG 34
Abb. 3 – 3:
Scannerstandpunkte und Scanbereiche
3.2.2 Das Scan-Control-Fenster
Nach der Inbetriebnahme des Scanners vergehen einige Minuten, in denen dieser
sich initialisiert und konfiguriert. Auf dem Notebook müssen die Scanneradresse für
die Netzwerkverbindung eingerichtet und das Programm Cyclone gestartet sein.
Desweiteren muß im Cyclone Navigator eine Database angelegt oder ausgewählt
werden. Unter der Rubrik „Scanner“ im Navigator wird der verwendete Scanner
ausgewählt oder neu angelegt. Bei Neueingabe wird wieder die IP-Adresse für die
Kommunikation zwischen Rechner und Scanner verlangt und der Scanner kann namentlich
benannt werden, was das spätere Wiederfinden bei mehreren verwendeten
Scannern erleichtert. Sind die Einstellungen abgeschlossen, führt ein Doppelklick auf
den Scannernamen für den HDS 3000 zu folgendem Fenster:

3 MESSUNG 35
Abb. 3 – 4:
HDS 3000 Scan-Control-Fenster
Es handelt sich dabei um das Scan-Control-Fenster, in dem alle wesentlichen Einstellungen
zur Steuerung des Scanners vorgenommen werden können.
Die Rubrik „Project Setup“ ermöglicht Veränderungen am aktuellen Projekt und zeigt
die derzeitige Scanworld und die Anzahl der bisherigen Scans an.
Mit dem Button Open Viewer öffnet sich ein neues Fenster, in dem die gescannten
Punkte zu sehen sind und mit den in Kapitel 4 noch zu erläuternden Werkzeugen
bearbeitet werden können.
Im „Field-of-View“ können vordefinierte Scanausschnitte ausgewählt oder per Hand
eingegeben werden. Der Rahmen für den Scanbereich kann aber auch mit dem Mauszeiger
erzeugt werden.
Unter „Resolution“ werden die Einstellungen für die Rasterweite der Scanpunkte pro
Entfernung eingegeben. Diese erfolgen für horizontalen und vertikalen Ausschnitt
getrennt. Die Anzahl der Punkte pro Scanzeile bzw. –spalte erscheint nach der Eingabe
analog.
In „Atmosphere“ werden Einstellungen zu Temperatur und Luftdruck vorgenommen
und unter „Scan Filter“ kann festgelegt werden, daß nur Punkte innerhalb eines ge-

3 MESSUNG 36
wissen Entfernungsbereichs registriert werden sollen oder solche Punkte, die eine
bestimmte Reflexionsintensität besitzen.
Eine Besonderheit im Scan-Control-Fenster beim HDS 3000 stellen die Rubriken
„Probe“ und „Station Data“ dar, denn dieser Scanner kann wie ein Tachymeter auf
einem bekannten Punkt aufgebaut, horizontiert und durch Anschlußmessung orientiert
werden. Diese Funktion wurde jedoch nicht verwendet.
Letztlich wird noch die Gesamtdauer des Scans überschlagsweise aus den Einstellungen
hochgerechnet und im unteren rechten Bereich des Fensters angezeigt. Sie wird
erfahrungsgemäß meist noch um bis zu 10% überschritten, manchmal (auffällig bei
den Target-Feinscans) jedoch auch unterboten.
3.2.3 Erzeugen von Images
Über Scanner / connect wird der HDS 3000 mit dem Laptop verbunden. Dieser Prozeß
dauert in der Regel nur einige Sekunden, andernfalls liegt eine fehlerhafte Kabelverbindung
vor oder die IP-Adresse ist verkehrt eingegeben worden. Es kann auch
sein, daß die äußeren Umweltbedingungen (wie oben erwähnt) außerhalb des
Einsatzbereichs des Scanners liegen.
Nach geglückter Verbindung erscheint die dauerhaft bis zur Trennung bestehende
Meldung „Connected and ready“ im unteren Fensterbereich. Theoretisch könnte nun
ein Scanausschnitt eingegeben und der Scanner gestartet werden. Praktischerweise
sollte jedoch erst ein Foto vom Scanausschnitt erstellt werden. Dies geschieht über
den Menüpunkt Image. Zuvor sollten jedoch Bildauflösung und Belichtungszeit überprüft
werden. Der HDS 3000 tritt nun in Aktion und erstellt die Fotos für den gewählten
Scanausschnitt, wobei er sich um die Stehachse dreht und die Bilder wabenförmig
aufnimmt. Dieser Vorgang dauert bei einem Scanausschnitt von 60° x 360°
etwa zwei bis drei Minuten. Deshalb ist es auch ungünstig, daß der HDS 3000 keine
Voransicht nach Einstellung der Belichtungszeit ermöglicht, wie dies beim HDS 2500
der Fall ist oder über eine Belichtungsautomatik verfügt. Bei falsch gewählter Belichtung
muß die Image-Erstellung wiederholt werden, was bei einem Scanner-
Nettopreis von ca. 96000 € eigentlich ausgeschlossen sein müßte.
Abbildung 3 - 5 zeigt das Scan-Control-Fenster für den HDS 3000 nach erfolgter
Erstellung der Fotos. Die Wabenstruktur der Fotos ist deutlich zu erkennen. An den
Sprüngen sich bei der Aufnahme bewegender Objekte erkennt man weiterhin, daß
diese hintereinander erfolgten, was die relativ lange Zeit für die Erstellung des Gesamtbildes
erklärt.

3 MESSUNG 37
Abb. 3 – 5:
Scan-Control-Fenster des HDS 3000 mit erzeugten Images
3.2.4 Durchführung der Scans
Die Scans wurden je nach Ausdehnung, Zweck, Art und Wichtigkeit der zu messenden
Objekte in zwei Klassen unterteilt: Grobscans, um die vorhandene Topographie
als Ganzes zu erfassen (mit verwendeten Auflösungen im Zentimeter- bis Dezimeterbereich)
und Feinscans für Objekte, die eine höhere Genauigkeit erforderten bzw.
deren Form und Lage sich wegen ihrer Größe durch einen Grobscan nicht genau
genug bestimmen ließen. Hier lag die benutzte Auflösung im Millimeterbereich.
Für die 360°-Scans (Grobscans) wurde sich für eine Auflösung von 10 cm horizontal
und 10 cm vertikal auf eine Strecke von zirka 80 bis 100 m entschieden. Zum einen
lag die Begründung darin, daß die Ausmaße der Kreuzung (Diagonale etwa 70 m)
relativ begrenzt waren und dadurch die mittlere Strecke zu den Meßobjekten um
einiges kleiner war und demzufolge die wahre Punktdichte größer wurde. Zum zweiten
hätten Scans mit höheren Auflösungen viel länger gedauert und die Zeit dafür war
durch die vorher beschriebenen Probleme nicht mehr gegeben. Auch die Akkus gewährleisteten
nur eine Einsatzzeit von jeweils ca. 2,5 Stunden. Die Erstellung eines
solchen Grobscans von 60° x 360° dauerte ca. 100 Minuten.

3 MESSUNG 38
Die niedrige Auflösung sollte dennoch kein Problem darstellen, da letztendlich mehrere
Scans von verschiedenen Standpunkten stattfanden, die später zu einer Punktwolke
zusammengefaßt werden sollten. Eventuelle Punktlücken in einem Scan konnten
durch einen von einem anderen Ort ausgeführten Scan teilweise ausgeglichen
werden. So war eine befriedigende Punktverteilung auf den meisten Meßobjekten,
hauptsächlich solche mit einer klaren dreidimensionalen Form, gewährleistet.
Über eine Voransicht-Funktion der Scannersoftware Cyclone (Open Viewer) war es
nach jedem Scan möglich, sich die gescannte Punktwolke anzusehen, um gegebenenfalls
Nachmessungen vornehmen zu können.
Bei den Feinscans hing das verwendete Punktraster vom Meßobjekt (Art und Form)
und dessen Abstand und Lage zum Scanner ab. Für Gleise wurde in der Regel ein
Raster von 5 x 5 mm verwendet (auf einen Abstand von 10 m zum Instrument bezogen),
wobei die Werte auch von Fall zu Fall zwischen 2 bis 8 mm variieren konnten.
Wenn beispielsweise ein fein zu scannendes Gleis quer zum Scanner lag, war es nicht
unbedingt nötig, in horizontaler Richtung eine so hohe Auflösung einzustellen, da
durch die gradlinige Form Zwischenpunkte zu keinen weiteren wesentlichen Informationen
beigetragen hätten.
Die Targetscans wurden im allgemeinen halbautomatisch durchgeführt. Das bedeutet,
es wird ein Meßfenster vorgegeben, in dem der Scanner nach dem Targetpunkt
sucht und ihn anschließend mit einer sinnvollen, voreingestellten Auflösung scannt.
Als Ausnahme ist nur der erste Meßtag zu nennen, an dem dies aus ungeklärter Ursache
nicht zu bewerkstelligen war. So mußten der Scan manuell durchgeführt und die
Verknüpfungspunkte nachträglich mit der Bearbeitungssoftware hinzugefügt werden.
Die durchschnittliche Meßzeit lag bei ca. 6 Stunden. Danach waren sowohl die beiden
Batterien des Scanners als auch die beiden Akkus des Laptops erschöpft.
Positiv beim HDS 3000 war jedoch, daß für den Batteriewechsel der Scanvorgang
nicht unterbrochen werden mußte, da zwei Buchsen für den Stromanschluß am
Scanner vorhanden sind. Hingegen war dies beim Laptop nicht der Fall, weswegen
vor der Auslösung der Scans immer ein Blick auf die Akkurestdauer zu werfen ist.
Aufgrund des Zeitmangels und den damit undurchführbaren Scans wurden einige
Nachmessungen nötig. Da der HDS 3000 nicht mehr zur Verfügung stand, wurde
hierzu der hauseigene Scanner HDS 2500 der TFH Berlin benutzt.
Die Verwendung eines Camera-View-Scanners für die Aufnahme der Kreuzung stellte
sich dabei als sehr ungünstig heraus, da die Anlage und Verteilung der Targetpunkte
auf das Scannen mit einem Rundumscanner ausgelegt war. Der Scanausschnitt fiel
jedes Mal zu klein aus, um mindestens drei Targetpunkte mit einem Scan zu erfassen
und ihn so an die vorherigen Scans anhängen zu können.

3 MESSUNG 39
Es wurde sich daher für das Messen von „Scanreihen“ entschieden, die im Uhrzeigersinn
erfolgten und über temporär gelegte Targetpunkte verknüpft werden konnten.
Diese Reihen überdeckten in ihrer Gesamtheit genügend Netzpunkte, um eine Registrierung
mit den schon existierenden Punktwolken zu gewährleisten.
Da für die Nachmessung mehr Zeit zur Verfügung stand, war das Messen mit deutlich
höherer Auflösung möglich (2 x 2 cm auf 50 m), was an den nachzumessenden Stellen
eine dichtere Punktwolke ergab. Es wurden hierbei einige Kreuzungsteile abgedeckt,
die durch die Grobscans nicht in ausreichender Dichte erfaßt wurden. Zudem
wurden zu weiteren Auswertungen (hauptsächlich Planerstellung und Genauigkeitsbetrachtungen)
noch diverse Feinscans von Gleis und Gleiselementen durchgeführt.
Die Nachmessung konnte diesmal in der Nacht stattfinden, was eine erheblich kürzere
Nachbearbeitungszeit (Störungsbeseitigung) zur Folge hatte. Alles in allem wurden
hierfür nochmals sieben Stunden benötigt, was eine Gesamtscandauer von ca. 22
Stunden ergibt.
Abb. 3 – 6: Scannen mit dem HDS 3000

3 MESSUNG 40
Abb. 3 – 7: Nachmessung mit dem HDS 2500

4 AUSWERTUNG 41
4 Auswertung
4.1 Netzausgleichung mit Xdesy
4.1.1 Kurzbeschreibung Xdesy
Nach Sichtung der Rohmeßdaten (die bei Leica-Tachymetern der 1200er Serie in
einem selbst definierbaren Format ausgegeben werden können) und Korrektur von
augenscheinlichen Fehlern wie Verwechslungen von Punktnummern und Fehleingaben
von Tafelhöhen, konnte eine Ausgleichung durchgeführt werden. Diese geschah
mit dem frei erhältlichen Programm Xdesy von Prof. Dr. Fredie Kern, FH Mainz. Es
handelt sich hierbei um ein kleines, aber kompaktes und nach einiger Einarbeitungszeit
gut verständliches Ausgleichungsprogramm, welches z. Z. noch ohne eigene Benutzeroberfläche
auf DOS-Ebene läuft.
Bevor das Programm gestartet werden kann, muß eine sogenannte Eingabedatei
erstellt werden. In ihr werden einerseits Festpunkt- und Näherungskoordinaten sowie
Angaben zur Genauigkeit und die Meßwerte zu den Neupunkten abgelegt. Andererseits
stellt sie für das Ausgleichungsprogramm die Zusammenhänge zwischen
Stand- und Zielpunkten mit den jeweiligen Meßwerttypen her. Xdesy unterscheidet
dabei zwischen verschiedenen Sätzen. Sie kündigen dem Programm an, um welche
Art von Informationen es sich im folgenden handeln wird. Die Sätze haben eine bestimmte
Form und werden mit einem Buchstaben eingeleitet. Die wichtigsten Sätze
sind:
P-Satz (Lagekoordinaten)
H-Satz (Höhenkoordinaten)
s-Satz (Genauigkeitsangaben)
a-Satz (Maßstab und Additionskonstante)
S-Satz (Standpunktinformationen) und
M-Satz (Beobachtungen, Meßwerte).
Bei der Eingabe der Sätze sind einige Dinge zu beachten. So muß beispielsweise innerhalb
eines Satzes eine gewisse Reihenfolge von Punktkennzeichen, Kennungen
und Parametern eingehalten werden. Eine besondere Rolle spielen dabei die Meßwertsätze,
denn in ihnen wird mit Hilfe von Kennbuchstaben festgelegt, um welchen
Beobachtungstyp es sich handelt. Desweiteren wird als Dezimaltrennzeichen stets der
Punkt anstelle des Kommas verlangt. Sollen Eingabezeilen beim Programmdurchlauf
unberücksichtigt bleiben, muß der Zeile ein Semikolon vorangestellt werden.

4 AUSWERTUNG 42
Einzelheiten zum Aufbau der Eingabedatei und einige Beispiele finden sich im Benutzerhandbuch,
welches ebenfalls frei im Internet verfügbar ist. Einen Ausschnitt
aus der bei dieser Diplomarbeit verwendeten Eingabedatei zeigt Abb. 4 - 1.
Ist die Eingabedatei fertiggestellt worden, kann der Berechnungsablauf gestartet
werden. Dies geschieht auf DOS-Ebene, bei Windows-Oberflächen über die Eingabeaufforderung.
Auch hierbei sind wieder einige alphanumerische Kennzeichen ausschlaggebend
dafür, welche Berechnung durchgeführt und wie das Ergebnis gespeichert
wird. Für die Netzausgleichung interessant sind folgende Einstellungen:
-a führt eine Ausgleichung nach vermittelnden Beobachtungen durch (L2-Norm)
-a –l führt eine robuste L1-Norm-Ausgleichung durch
-a –d führt eine L2-Norm-Ausgleichung mit Data-Snooping durch
-a –f führt eine freie Ausgleichung durch
-p erzeugt eine Netzskizze
-P legt das Grafikformat der Netzskizze fest und
-o legt die Ergebnisse der Ausgleichung in einer Ausgabedatei ab.
Abb. 4 – 1:
Eingabedatei (Auszug)

4 AUSWERTUNG 43
Abb. 4 – 2:
Ausgabedatei (Auszug)
In der Ausgabedatei sind u. a. die ausgeglichenen Koordinaten, die Verbesserungen
der Beobachtungen, die mittleren Koordinatenfehler, die Standardabweichungen
a priori und a posteriori und die Ergebnisse für statistische Testgrößen wie der normierten
Verbesserung zu finden. Bei der Ausgleichung mit L1-Norm oder Verwendung
des Data-Snoopings werden auch Hinweise zu fehlerhaften Beobachtungen,
also Ausreißern gegeben bzw. diese eliminiert. Abb. 3 - 4 gibt einen Überblick über
die Form der Ausgabe.
4.1.2 Diagnoseausgleichung
Vor der Netzmessung wurde eine Diagnoseausgleichung durchgeführt, um die Kontrollierbarkeit
der Beobachtungen einschätzen zu können und eine möglichst günstige
Netzkonfiguration zu erreichen. Dabei zeigte sich, daß die Polaraufnahme der
Targets von drei oder gar nur zwei Standpunkten noch nicht ausreichte, um alle Beobachtungen
durchgreifend kontrollieren zu können. So wiesen sechs Beobachtungen
zu den Targets 7, 10, 11 und 12 bei der Aufnahme von drei Standpunkten aus nur eine
Redundanz von unter 10 % auf, so daß sich eventuelle Ungenauigkeiten in den Messungen
zu 90 % in den ausgeglichenen Koordinaten niedergeschlagen hätten. Auch
mußte davon ausgegangen werden, daß einige Punkte später wegen fehlender Sichten

4 AUSWERTUNG 44
gar nicht anzielbar sein würden, was die Anzahl der Beobachtungen und damit die
Redundanz weiter verringern würde.
Es wurde letztlich entschieden, sämtliche Neupunkte von vier Standpunkten aus
aufzunehmen. Auch wenn dadurch der Arbeitsaufwand erheblich steigen würde, wäre
eine bessere Kontrollmöglichkeit gegeben und ein gewisser Schutz vor unkontrollierbaren
Beobachtungen infolge von mangelnder Anzielbarkeit gegeben. Lediglich zwei
Horizontalwinkelmessungen (zu 7 und 10) waren mit einer Redundanz von unter
10 % weiterhin schlecht kontrolliert.
4.1.3 Freie Ausgleichung
Um eine Aussage über die Qualität bzw. die innere Genauigkeit der Netzmessung zu
erhalten, wurde nach erfolgter Netzmessung zunächst eine freie Ausgleichung durchgeführt.
Diese zeigte, daß die erreichte Genauigkeit a posteriori weit hinter den Erwartungen
zurückblieb. Diese Tatsache führte zu einer Nachmessung mit dem Theodolit
T2. Da v. a. die Streckenmessung recht schlecht ausgefallen war, sollte eine
Neupunktbestimmung über Vorwärtsschnitte ermöglicht werden, wofür eine noch
genauere Winkelmessung notwendig war. Allerdings konnte die Genauigkeit dadurch
nicht gesteigert werden, sondern es stellten sich zahlreiche Horizontalwinkelbeobachtungen
mit dem T2 als fehlerhaft heraus, obwohl während der Messung keine
augenscheinlichen Veränderungen eintraten.
Schließlich konnte die mangelhafte Streckengenauigkeit damit erklärt werden, daß
statt Horizontalstrecken Schrägstrecken in Xdesy verarbeitet wurden. Da die Höhenunterschiede
auf der Kreuzung nur minimal sind, war dieser grobe Fehler vorher
schwer erkennbar, konnte jedoch einfach und schnell behoben werden.
Die freie Ausgleichung zeigte weiterhin, daß die innere Genauigkeit des Netzes mit
durchschnittlich zwei bis drei Millimetern Standardabweichung der Koordinaten
recht gut war und die Anforderungen der BVG erfüllte. Allerdings wiesen sämtliche
Anschlußpunkte Abweichungen zu den Sollkoordinaten zwischen 12 mm und 37 mm
auf, welche deutlich über dem üblichen mittleren Wert der Punktgenauigkeit von
7 mm im Berliner Netz liegt. Da die Festpunkte der BVG an Stahlmasten für die
Oberleitung angebracht sind, könnten die Lageänderungen auf Bewegungen dieser
Masten infolge Expansion und Kontraktion der Oberleitung durch Temperaturänderungen
hervorgerufen worden sein (die Netzmessung fand bei 2°C Außentemperatur
statt).
Schon die freie Ausgleichung wurde mit Data-Snooping durchgeführt, jedoch wurden
nur zwei Horizontalwinkel zu BVG-Festpunkten als Ausreißer angezeigt und von der
weiteren Berechnung ausgeschlossen, alle restlichen Beobachtungen wurden von
Xdesy als fehlerfrei eingestuft.

4 AUSWERTUNG 45
Im übrigen wurde die freie Ausgleichung nur für die Lagekoordinaten durchgeführt,
da zu deren Bestimmung wesentlich komplexere und schwerer überschaubare Beobachtungen
nötig sind als zur Höhenbestimmung. Diese konnte bereits vor Ort überschlagsweise
geprüft werden. Außerdem war bekannt, daß die Nivellementnetze der
Berliner Bezirke sehr gut bestimmt sind und kaum Spannungen vorliegen.
4.1.4 Ausgleichung unter Anschlußzwang
Die freie Ausgleichung erbrachte zwar innerhalb der Netzgeometrie die besten Resultate,
jedoch wurden dabei die Nachbarschaftsbeziehungen zwischen koordinatenmäßig
bekannten Punkten nicht berücksichtigt. Die BVG benötigt aber keine „Insellösungen“
hoher Genauigkeit, sondern ein Gesamtsystem von guter Qualität. Aus diesem
Grunde mußte am Ende eine Ausgleichung unter Anschlußzwang stehen.
Dabei stellt sich die Frage, wieviele und welche Festpunkte für den Anschluß verwendet
werden sollten. Von Vorteil wäre es natürlich, könnten möglichst viele Festpunkte
zum Anschluß des Netzes beitragen, da auf diese Weise die günstigste mittlere Nachbarschaftstreue
erreicht würde. Allerdings können die Auswirkungen fehlerhafter
Punktkoordinaten (z. B. bei Punktveränderungen) einen negativen Einfluß auf die
Neupunktkoordinaten ausüben.
Deshalb war das Finden der günstigsten Anschlußpunkte im vorliegenden Fall ein
iterativer und willkürlicher Prozeß, bei dem alle möglichen Punktkombinationen
durchgespielt wurden. Übriggeblieben sind für den Lageanschluß drei Festpunkte,
die einerseits günstig über das Festpunktfeld verteilt sind und deren Anhalten andererseits
zu den geringsten Standardabweichungen der Neupunktkoordinaten führte.
Es sind dies die Punkte 90001, 560403 und 560407. Die endgültigen Koordinaten
der Lageausgleichung, die wiederum mit Data-Snooping durchgeführt wurde, zeigt
Abb. 4 - 3. Außer den zwei Horizontalwinkeln zu 560405 und 530611, die schon bei
der freien Ausgleichung als fehlerhaft angezeigt wurden, konnten alle Beobachtungen
bei der Lageausgleichung berücksichtigt werden.
Die erreichte Lagegenauigkeit erfüllte unsere Erwartungen, lag jedoch scharf an der
Grenze der von der BVG geforderten Genauigkeit. Allerdings haben wir dies wie oben
bereits angesprochen nicht zu vertreten, da unsere Messungen in sich stimmig waren.
A-priori- und a-posteriori-Genauigkeit waren fast identisch, lediglich die Horizontalwinkelmessung
fiel doppelt so schlecht aus wie erwartet. Dieser Umstand untermauert
die Feststellung, daß sich die Targetfolien mit zunehmender Entfernung immer
schlechter anzielen lassen, weil kein exakter Mittelpunkt mehr erkennbar ist.
Die Varianzkomponentenschätzung für die Lageausgleichung kann Abb. 4 - 4 entnommen
werden.

4 AUSWERTUNG 46
Abb. 4 – 3:
Endgültige Lagekoordinaten und deren Standardabweichungen
Abb. 4 – 4: Varianzkomponentenschätzung für die Lagebeobachtungen
Einen guten Überblick über die Qualität der Lagenetzausgleichung gibt die Darstellung
der Fehlerellipsen (Abb. 4 – 5). Hier ist ersichtlich, daß die Ausgleichung der
Targetkoordinaten unter Anschlußzwang recht homogen erfolgte.

4 AUSWERTUNG 47
Abb. 4 – 5:
Fehlerellipsen bei Ausgleichung unter Anschlußzwang
Die Ausgleichung der Höhen erfolgte über einen separaten Programmdurchlauf mit
Xdesy. Dabei wurden nur die gemessenen Höhenunterschiede aus dem Nivellement
verwendet; die Hinzunahme der Vertikalwinkel aus der Tachymetermessung brachte
nur eine Verschlechterung der Endhöhen mit sich, erklärbar dadurch, daß die Targets
erstens teilweise schlecht anzuzielen waren und zweitens die Bestimmung der Instrumenten-
und Reflektorhöhen zu ungenau war.
Als Anschlußhöhen wurden die drei BVG-Festpunkte 560404, 560405 und 530611
verwendet. Das Ergebnis der Ausgleichung war sehr zufriedenstellend und die Genauigkeitsvorgaben
der BVG wurden deutlich unterboten. Abb. 4 – 6 zeigt die endgültigen,
ausgeglichenen Höhen der Neupunkte.

4 AUSWERTUNG 48
Auch in der Varianzkomponentenschätzung (s. Abb. 4 - 7) ist zu erkennen, daß die
vorgegebene Standardabweichung von 0,7 mm pro km Doppelnivellement
a-posteriori nur geringfügig überschritten wurde, was die hohe Qualität des Nivellements
bestätigt.
Abb. 4 – 6:
Endgültige Höhen und deren
Standardabweichungen
Abb. 4 – 7:
Varianzkomponentenschätzung für die
Höhenbeobachtungen

4 AUSWERTUNG 49
4.2 Auswertung mit der Software Cyclone
Bei Cyclone handelt es sich um eine Auswertesoftware aus dem Hause Leica Geosystems,
die speziell für die Verarbeitung von großen 3D-Punktwolken, wie sie üblicherweise
beim Einsatz von Laserscannern entstehen, entwickelt wurde.
Cyclone ist für die Organisation der Daten (Cyclone Navigator), für die Bedienung des
Scanners (Scanner Control) und für die Visualisierung sowie Bearbeitung der Punktwolken
(Modelspace Viewer) zuständig. Darüber hinaus erlaubt es dieses Programm
neben einer Vielzahl weiterer Funktionen ferner, einzelne Scanworlds miteinander zu
verbinden (Registration) und Vermessungen in den Punktwolken durchzuführen
(Virtual Surveyor).
In der vorliegenden Diplomarbeit kam die Softwareversion 5.4 zum Einsatz; aktuell
ist bereits die Version 5.5 erhältlich. Für die Visualisierung der Scans stellt die Firma
Leica Geosystems einen gebührenfreien Cyclone-Viewer auf ihrer Homepage zur
Verfügung.
Da die anfallende Datenmenge beim Scannen sehr groß ist (bei vorliegender Diplomarbeit
wurde nahezu 1 GB erreicht) und während der Auswertung noch weiter ansteigt,
ist ein leistungsfähiger Rechner mit hoher Taktrate und großem Arbeitsspeicher
dringend zu empfehlen. Leider war dies für die Auswertung der vorliegenden
Diplomarbeit nicht immer gegeben – teilweise stand sogar überhaupt kein Arbeitsplatz
zur Verfügung, was die Bearbeitung unnötig erschwerte und verzögerte.
4.2.1 Beseitigen von Störungen aus Scans
Da bei Scannermessungen keine Objektauswahl innerhalb eines Meßfensters getroffen
werden kann und somit alles in der Umwelt Vorhandene erfaßt wird (auch Fahrzeuge,
Fußgänger und andere unerwünschte Objekte), bleibt es nicht aus, diese „Störungen“
aus den Scans entfernen zu müssen. Insbesondere jene Objekte, welche sich
während des Scanvorgangs bewegt haben, wirken sich störend aus, weil sie durch
ihre Bewegung mehrere Pixelzeilen erzeugt haben, die in ihrer Gesamtheit die spätere
Auswertung der Punktwolke stark behindern würde. Um diese Arbeit zu minimieren,
waren wir bemüht, unsere Messungen nachts auszuführen, was jedoch kaum möglich
war (siehe Kapitel 3.2.1). Aber auch dann konnten Störungen nicht vermieden werden.

4 AUSWERTUNG 50
Abb. 4 – 8: Unbereinigte Punktwolke (1)
Abb. 4 – 9: Unbereinigte Punktwolke (2)

4 AUSWERTUNG 51
Deutlich in den Abb. 4 - 8 und 4 – 9 zu erkennen sind vertikale Linien, hervorgerufen
von sich schnell bewegenden Objekten (in der Regel Autos, Straßenbahnen, Fußgänger)
und komplette Umrisse von stehenden Fahrzeugen.
Um Störungen zu beseitigen, wird im Cyclone Navigator im betreffenden Projekt die
Scanworld ausgewählt, die bereinigt werden soll, und der Ordner Modelspace und
die darin enthaltene Modelspace-View-Datei geöffnet (siehe Abb. 4 - 10). Wenn noch
keine Datei vorhanden ist, fragt Cyclone, ob sie erstellt und auch gleich geöffnet werden
soll.
Abb. 4 – 10: Cyclone-Navigator mit ausgewähltem Modelspace-View
Da eine Scanworld aus mehreren Scans bestehen kann ist es sinnvoll, die einzelnen
Scans nacheinander abzuarbeiten. Hierzu wählt man mit dem Pick Mode einen Scan
aus und kopiert ihn in einen zweiten Modelspace (Rechtsklick, dann Copy Selection
to New Modelspace). Dies hat den Vorteil, daß nicht mit der kompletten Punktwolke
gearbeitet wird, und so die Ladezeiten erheblich kürzer sind. Außerdem ist die Gefahr
kleiner, versehentlich Punkte zu löschen, die nicht entfernt werden sollten.

4 AUSWERTUNG 52
Abb. 4 – 11: selektierter Einzelscan in der Gesamtpunktwolke
Abb. 4 – 12: Selektierter Einzelscan im neuen Modelspace

4 AUSWERTUNG 53
Die entstandene Kopie ist aber nur „virtuell“ und noch mit dem Original verbunden.
Sie stellt keine eigene Punktwolke, sondern nur Punktinformationen aus dem Original
dar. So wird kein weiterer Speicherplatz in der Datenbank benötigt.
Störungen werden beseitigt, indem ein Rahmen um sie herum gezogen und der Inhalt
dieses Rahmens gelöscht wird. Zur Auswahl stehen hier verschiedene Modi: der Polygonal
Fence Mode (ein durch frei setzbare Punkte definierter Rahmen) , der Rectangle
Fence Mode (es wird ein rechteckiger Rahmen gezogen) und der Circular Fence
Mode (ein kreisförmiger Rahmen). Ist ein Rahmen gezogen, kann über einen
Rechtsklick unter der Option Fence (engl. Zaun) der gewünschte Löschbefehl ausgewählt
werden (in der Regel Delete Inside, Shortcut: Shift+I).
Zu beachten ist allerdings, daß es sich um einen zweidimensionalen Rahmen handelt,
die Punktwolke allerdings dreidimensional ist. Das bedeutet, es werden alle Punkte
innerhalb des Rahmens gelöscht, auch solche, die hinter einer zu beseitigenden Störung
liegen. Daher sollte die Punktwolke bzw. die Störung so gedreht und gezoomt
werden, daß dahinter keinen Punkte mehr liegen.
Abb. 4 – 13:
Beseitigen von Störungen innerhalb eines Rahmens

4 AUSWERTUNG 54
Abb. 4 – 14:
Entfernte Punkte innerhalb des zuvor gezogenen Rahmens
Sind alle Störungen aus einem Scan entfernt (s. Abb. 4 - 16), können die Punkte der
kopierten Scanworld in das Original zurückgefügt werden. Dies kann entweder so
geschehen, daß die Punktwolke komplett selektiert, kopiert und in die Originalscanworld
eingefügt wird. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die kopierte Scanworld zu
schließen, und im sich nun öffnenden Fenster „Closing ModelSpace Viewer“ ein Häkchen
bei „Merge into original ModelSpace“ zu machen.
Abb. 4 – 15: Fenster „Closing ModelSpace Viewer”
Wichtig hierbei ist, daß die bearbeitete Punktwolke vorher aus dem Original entfernt
wird, da sonst durch das Einfügen der bereinigten Punktwolke diese Punkte doppelt
existieren und die Störungen immer noch existent sind.

4 AUSWERTUNG 55
Wenn im „Closing ModelSpace Viewer“-Fenster die Option „Remove link From original
ModelSpace“ aktiviert wird, kappt Cyclone die Verbindung zum Originalmodelspace
und erstellt einen eigenen Modelspace, unabhängig vom Original. Dieser
kann an andere Stellen kopiert und bearbeitet werden.
Bei der dritten Option „Delete after close“ wird die Modelspacekopie nach dem
Schließen gelöscht und ist nicht mehr verfügbar.
Die o. g. Vorgänge für die Bereinigung sind so lange zu wiederholen, bis der gesamte
Modelspace von Störpixeln befreit ist. Dabei ist abzuwägen, welcher Aufwand getrieben
werden muß, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen und welche Pixel ggf. in
der Punktwolke verbleiben können, ohne eine störende Wirkung auszuüben.
Abb. 4 – 16:
Bereinigte Punktwolke

4 AUSWERTUNG 56
4.2.2 Die Registrierung
4.2.2.1 Begriffsklärung
Um die Aufgaben dieser Diplomarbeit erfüllen zu können war es nötig, von verschiedenen
Standpunkten aus zu scannen, da die Anwesenheit zahlreicher beweglicher
und unbeweglicher Objekte zu Abschattungen führte (siehe Abb. 4 – 17).
Auf jedem dieser Standpunkte wird in einem eigenen lokalen Koordinatensystem
gemessen, wobei alle auf einem Punkt getätigten Scans (mit unveränderter Scannerausrichtung!)
zwecks einfacherer Weiterbearbeitung zu einer Scanworld zusammengefaßt
werden sollten.
Abb. 4 – 17:
Schattenwurf durch aufragende Objekte
Das Zusammenführen von verschiedenen Scanworlds in ein einheitliches Koordinatensystem
wird als Registrierung bezeichnet. Sie wird mit dem Programm Cyclone
nach Abschluß der Messungen durchgeführt. Die Registrierung erfolgt über eindeutige
Punkte, in der Regel über sogenannte Targets (target = engl.: Ziel), auch als Targetmarken
bezeichnet (s. Abb. 4 - 18).
Die Targets „ ...bestehen aus zwei Reflexfolien (silbern und blau) und einer nicht
reflektierenden Folie (weiß). Die silberne Reflexfolie bildet den ‚Untergrund’ der

4 AUSWERTUNG 57
Marke und wird bis auf einen ca. 1,5 mm kleinen Kreis im Mittelpunkt von den anderen
Folien verdeckt (maskiert). Die nicht reflektierende Folie formt in der Mitte des
Targets einen Kreis mit einem Radius von ca. 15 mm. Der Rest der Marke ist mit der
blauen retro-reflektierenden Folie beklebt. ...“ 23 . Die Beschaffenheit der Targets ist
auf eine automatisierte Erfassung durch Cyclone ausgerichtet. Somit können die
Marken bei der späteren Bearbeitung eindeutig identifiziert werden.
Abb. 4 – 18: Targetmarke Abb. 4 – 19: Punktwolke eines Targets
mit Mittelpunkt
Als Koordinate eines solchen Punktes wird dessen Mittelpunkt eingeführt (Abb.
4 - 19), der beim Messen vor Ort automatisch über eine Targeterkennung bestimmt
oder nachträglich bei der Datenbearbeitung mit Cyclone generiert werden kann.
Die nachträgliche Erstellung dieses Punktes hat aber den Nachteil, daß Cyclone nur
mit den Daten arbeiten kann, die nach dem Scan zur Verfügung stehen, das heißt,
wenn die Marke nicht fein genug gescannt wurde, also mit einer zu geringen Auflösung,
dann ist der Mittelpunkt nur unzureichend bestimmbar und die Qualität der
Koordinate reicht für eine Verknüpfung nicht aus.
Vor Ort allerdings wird über das Targeterkennungsprogramm nochmals ein Feinscan
der Marke initiiert, so daß der Targetmittelpunkt genau bestimmt werden kann.
Auch eindeutige Punkte anderer Art wie zum Beispiel Hausecken sind für eine Registrierung
heranziehbar.
23
Kuschel/Schünemann: Neubestimmung des Kalibrierungsfestpunktfeldes der TFH Berlin, Seite 5
(Diplomarbeit 2004)

4 AUSWERTUNG 58
Bei einer Registrierung über Paßpunkte (z.B. Targetpunkte mit festen, vorher bestimmten
Koordinaten) werden die Meßscanworlds über eine 3D-Helmert-
Transformation (7-PT) in die Paßpunktscanworld/Targetscanworld (mit z. B. Landeskoordinaten)
überführt. Voraussetzung dafür ist das Vorhandensein von mindestens
drei identischen Punkten pro Scanworld. Anschließend können Koordinaten
des Paßpunktsystems direkt aus den Scans abgegriffen werden. Bei einer Registrierung
mit Paßpunkten, die nicht in einem übergeordneten Koordinatensystem vorliegen,
werden die verschiedenen Scanworlds lediglich in einem lokalen System verknüpft
und es können nur lokale Koordinaten abgegriffen werden.
4.2.2.2 Nachträgliches Setzen von Targetpunkten in Cyclone
Wenn es beim Scannen aus verschiedenen Gründen nicht möglich war, eine automatische
Targeterkennung durchzuführen, die Targets jedoch mit genügend hoher Auflösung
gescannt wurden (Abb. 4 - 20), können die Koordinaten des Targetmittelpunkts
nachträglich mit Cyclone berechnet werden.
Abb. 4 – 20:
Targetfeinscan
Dazu muß in der jeweiligen Scanworld der betreffende Scan ausgewählt (selektiert)
werden. Der angeklickte Punkt sollte dabei möglichst dicht an der Marke liegen. Um
die visuelle Suche nach den Targets zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, die Punktwolke
im Multi-Hue-Farbmodus dargestellt werden (Punktwolken selektieren, Edit Object

4 AUSWERTUNG 59
– Appearance – Apply Colour Map – Intensity Map Multi Hue). Darin werden die Intensitätswerte
der Punkte durch Farben dargestellt (von blau = sehr gute Reflexionseigenschaft
des Punktes, über grün, gelb, bis rot = schlechte Reflexionseigenschaft) und
die blau dargestellten Marken sind leichter zu finden.
Über den Befehl Create Object – Fit To Cloud – HDS-Target wird nun das Targetkreuz
nach vorheriger Eingabe der Punktnummer gesetzt. Da es sich um einen rechnerischen
Vorgang handelt, muß unbedingt überprüft werden, ob sich das Kreuz in der
Mitte und in der Ebene der Marke befindet. Wenn die Qualität des Scans nicht ausreichend
ist (ungenügende Auflösung, Abschattungen oder sonstige Störungen), kann
der Targetmittelpunkt unter Umständen nicht korrekt berechnet werden. Wie in Abb.
4 - 21 zu sehen, ist das Markenzentrum infolge fehlender Punktinformationen nicht
einwandfrei erkannt worden und das Mittelpunktkreuz wurde nach rechts verschoben.
Dies führt verständlicherweise zu Ungenauigkeiten und sogar Fehlern bei der
Registrierung.
Abb. 4 – 21:
Fehlerhafte Targeterkennung
Optimal ist daher immer die Targeterkennung beim Scannen vor Ort über die automatische
Targeterkennung, da der Targetmittelpunkt dabei genauer und mit größerer
Sicherheit bestimmt werden kann als über eine nachträgliche Berechnung. Zudem

4 AUSWERTUNG 60
steht hier noch die Möglichkeit einer einfachen Wiederholung der Messung zur Verfügung.
4.2.2.3 Ablauf einer Registrierung
Um mit der Registrierung der Scanworlds zu beginnen, kann eine Liste von Targetkoordinaten
(Abb. 4 - 22) erstellt werden, die einem bestimmten Koordinatensystem
entsprechen (z. B. Soldner Berlin). Die Reihenfolge der Koordinaten muß Y/X/Z sein,
die Punkt-ID kann wahlweise vorangestellt werden.
Abb. 4 – 22: Liste der Koordinaten der verwendeten Targets
Diese Liste wird jetzt dem Projekt hinzugefügt, in dem die Registrierung erfolgen soll.
Hierzu wird im Cyclone-Navigator das Projekt angeklickt und im Menü File der Befehl
Import angewählt, worauf sich das Fenster „Import: ASCII File Format“ öffnet. Je
nach Aufbau der Targetliste werden nun die Spalten im unteren Fenster festgelegt.
(Um eine Spalte hinzuzufügen, muß man die Zahl im Fenster „# of columns“ erhöhen.)
Die Reihenfolge der Koordinaten muß im Gegensatz zu der Targetliste X/Y/Z lauten,
da das Programm Cyclone mit einem Rechtssystem arbeitet, im Vermessungswesen
hingegen mit einem Linkssystem gearbeitet wird.
Die Koordinaten des Punktes 5 lauten beispielsweise 23232,5164 / 26981,0895 /
5,2449. In der Koordinatenliste werden der X-Wert und der Y-Wert vertauscht (Abb.
4 - 22), die Spaltenbezeichnungen im Importfenster jedoch nicht (Abb. 4 - 23).

4 AUSWERTUNG 61
Abb. 4 – 23:
Fenster „Import: ASCII File Format“
mit den Targetkoordinaten
Mit Drücken des Buttons Preview werden im unteren Fenster jetzt die Koordinaten
aus der Targetliste zur Kontrolle in einer Vorschau angezeigt.
Ist alles korrekt eingestellt, kann der Button Import aktiviert werden, worauf im Cyclone-Navigator
eine Targetscanworld kreiert wird.
Mit einem Rechtsklick auf das Projekt und dem Befehl Create Registration erscheint
ein neuer Punkt „Registration1“ im Projekt, der beliebig benannt und mit einem
Doppelklick geöffnet wird. Im sich öffnenden Fenster werden zunächst die zu verbindenden
Scanworlds über den Button Add Scanworld ausgewählt. Diese werden unter
dem Reiter „ScanWorlds/Constraint ID“ angezeigt.
Über den Button Set Home ScanWorld kann eine angewählte Scanworld als Homescanworld
gesetzt werden (sie ist im Reiter fettgedruckt). Diese wird bei der anschließenden
3D-Transformation als Referenzsystem behandelt und alle Scans werden
bei der Registrierung in dieses System überführt. Bei einer lokalen Registration
ohne Koordinatenscanworld, wird eine der zu verknüpfenden Scanworlds als Referenz
gesetzt.

4 AUSWERTUNG 62
4.2.2.4 Verknüpfung über Targets
Anschließend erstellt Cyclone nach Betätigen des Buttons Auto-Add Constraints eine
Zuordnungsliste, in der alle möglichen Verknüpfungen der Targetpunkte jeder Scanworld
zu den der anderen dargestellt werden. Sie wird unter dem Reiter „Constraint
List“ angezeigt.
Im Menü „Registration“ wird mit dem Befehl Register die Registrierung gestartet.
Unter dem Reiter „Constraint List“ zeigt das Programm nun die Fehlervektoren (als
Restklaffungen) der einzelnen Verknüpfungen an (siehe Abb. 4 - 24). Die Spalte „Error“
gibt den mittleren Punktfehler und die Spalte „Error Vektor“ die Abweichung in
der jeweiligen Koordinatenrichtung an.
Um nachträgliche Veränderungen zu verhindern, wird die Registrierung mit dem
Befehl Create ScanWorld / Freeze Registration eingefroren.
Abschließend muß nur noch zur Betrachtung der nun verknüpften Punktwolken ein
neuer Modelspace geschaffen werden, was mit dem Befehl Create ModelSpace bzw.
Create and Open ModelSpace zu bewerkstelligen ist. Damit ist die Registrierung abgeschlossen.
Abb. 4 – 24: Auflistung der Punktverknüpfung mit den Fehlervektoren und dem mittleren
Punktfehler (Registrierung der HDS 3000-Messungen)

4 AUSWERTUNG 63
4.2.2.5 Verknüpfung über Korrelation der Punktwolken
Die Verknüpfung über Targetpunkte ist nicht die einzige Möglichkeit, Punktwolken
zu registrieren. Ein weiterer Weg ist die Verknüpfung über die Geometrie von sich
überlappenden Wolken, wobei die Überlappungsbereiche möglichst groß sein sollten.
Je mehr Punkte zur Verfügung stehen, desto eindeutiger kann die Zuordnung erfolgen.
Anhand von mindestens drei identischen Punkten wird versucht, die beiden
Punktwolken mittels geometrischer Übereinstimmungen ineinander zu drehen. Diese
Punkte sollten möglichst scharfe Ecken oder Kanten sein, da sich solche Stellen in
den zu verknüpfenden Scanworlds leichter identifizieren lassen.
Die angegebenen Punkte legen die Anfangsausrichtung der Punktwolken fest und
erstellen die Punktverknüpfung. Die Anfangsausrichtung bildet den Startwert für die
iterativ durchgeführte, optimale Orientierung der Punktwolken.
Wenn die markierten Punkte nicht genau genug gefunden wurden, das heißt, zwei
identische Punkte liegen nicht in einem eingestellten maximalen Suchrahmen,
schlägt die Verknüpfung fehl.
In Cyclone werden im Registrierungsfenster unter dem Reiter „ModelSpaces“ in den
betreffende Scanworlds die beiden zu vereinenden Modelspaces geöffnet, die dann in
den beiden unteren Fenstern erscheinen. Als nächstes werden über die Pick-Modes
die identischen Punkte markiert. Unter dem Menüpunkt Cloud Constraint – Add
Cloud Constraint wird der Constraint List eine „Verknüpfungswolke“ (Cloud/Mesh 1)
hinzugefügt, noch mit dem Zusatz „not aligned“. Das bedeutet, daß lediglich grob anhand
der Startwerte überprüft wird, ob eine Verknüpfung möglich ist, oder nicht.
Mit Optimize Cloud Alignment im Menü „Cloud Constraint“ wird schließlich über eine
Kreuzkorrelation eine genaue Verschmelzung der Punktwolke vorgenommen
(7 -Parameter-Transformation) und der Fehlervektor mit dem Zusatz „aligned“ angegeben.
Dieser Schritt wird beim Aktivieren des Register-Befehls auch automatisch
durchgeführt, bietet aber zuvor separat durchgeführt die Möglichkeit, sich vorher ein
Bild über die Qualität der Orientierung machen und sie gegebenenfalls wiederholen
zu können.
Unter Cloud Constraint - Show Diagnostics kann nun die Dokumentation zu der
durchgeführten Transformation eingesehen werden. In einem Histogramm (über
gleichnamigen Button) wird eine Fehlerverteilung angegeben, die idealerweise die
Form der Gaußschen Glockenkurve annimmt. Die Breite der Kurve beträgt ein Sigma
und sollte annähernd der Scangenauigkeit des verwendeten Scanners (bei HDS 2500
und 3000 ±6 mm) entsprechen.
Der rote vertikale Strich kennzeichnet die erreichbare Leistung des Scanners, während
der grüne das Ergebnis der Transformationsgenauigkeit darstellt (Abb. 4 – 25).

4 AUSWERTUNG 64
Abb. 4 – 25: Histogramm einer Alignment-Optimierung
Abb. 4 – 26: Überlappungsbereich zweier Punktwolken

4 AUSWERTUNG 65
Zusätzlich kann der Überlappungsbereich der beiden Punktwolken angezeigt werden
(Abb. 4 – 26). Grün stellt dabei eine Punktwolke, blau die andere dar. Die hellen
Punkte kennzeichnen den Überlappungsbereich beider Punktwolken, während dunkle
Punkte außerhalb dieses Bereiches liegen.
4.2.2.6 Verknüpfung über Vertex-Punkte
Wenn Scans aufgrund fehlerhafter oder mangels vorhandener Verknüpfungspunkte
nicht registriert werden können, ist als dritte Möglichkeit das Setzen sogenannter
Vertex-Punkte möglich. Das sind natürliche Punkte, die in den jeweiligen Scans manuell
definiert und als Paßpunkt bei der Registrierung verwendet werden können.
Sie sollten markante, eindeutige Punkte (z. B. Fensterkreuze, Gebäudeecken, Buchstabenecken
auf Werbetafeln o. ä.) sein, die in möglichst vielen Scanworlds ebenfalls
identifizierbar sind. Die Punkte sollten in relativ dichten Punktwolken gefunden
werden, da sie dort mit einer größeren Exaktheit gesetzt werden können und so die
Durchführung der Registrierung mit einer höheren Genauigkeit möglich wird.
Die Abbildung 4 - 27 zeigt die Größe der möglichen Fehlervektoren des selektierten
Eckpunkts (in Bezug zur realen Ecke) in Abhängigkeit vom eingestellten Scanraster.
Abb. 4 – 27:
möglicher Punktfehler in Abhängigkeit vom Scanraster

4 AUSWERTUNG 66
Vertex-Punkte werden in einer geöffneten Scanworld gesetzt, indem der betreffende
Punkt markiert und im Menü Create Object - Insert die Option Vertex ausgewählt
wird. Die Punktnummer wird unter Tools - Registration - Add Registration Label
vergeben.
Bei der Verknüpfung mehrerer Punktwolken bietet es sich immer an sie einzeln, nach
und nach durchzuführen. So können fehlerhafte bzw. qualitativ schlecht verknüpfbare
Targetpunkte leichter ausfindig gemacht, korrigiert und gegebenenfalls entfernt
werden. Außerdem braucht die oft zeitraubende und nervenzehrende Fehlersuche
dann nicht für alle Verknüpfungen gleichzeitig stattfinden.
4.2.2.7 Dokumentation zur Registrierung
Folgende Registrierungen fanden bei der vorliegenden Diplomarbeit statt:
1. Registrierung der Grobscans/Transformation ins Berliner Landessystem über
Targets (Reg. I)
2. Registrierung der ersten Serie (4 Scans) der Nachmessung/Transformation
über Targets (Reg. II)
3. Anhängen von Reg. II an Reg. I über Targets (Reg. III)
4. Anhängen SW 8 an Reg. III über Targets und „Cloudmeshs“ (Reg. IV)
5. Anhängen SW5 an Reg. IV über Targets und „Cloudmeshs“ (Reg. V)
Bei der ersten Registrierung wurden die Punktwolken über Targets verknüpft und
über eine Koordinatenscanworld als Homescanworld in das System Soldner 88 transformiert.
Dabei wurde die Targetmarke 8 aus der Scanworld vom 15.03.06 generell
nicht berücksichtigt, da die rechnerische Bestimmung des Targetzentrums dieses
Punktes (Targeterkennung) kein zufriedenstellendes Ergebnis lieferte. Überdies wurden
vereinzelt weitere Targetverknüpfungen gelöscht, da die Abweichungen eine von
uns gesetzte Fehlerschranke überschritten. Der mittlere Punktfehler liegt bei 4 mm,
mit einem Maximum von 9 mm und einem Minimum von 1 mm (Abb 4 – 28).

4 AUSWERTUNG 67
Abb. 4 – 28: Registrierungsergebnis 1
Die erste Scanserie der Nachmessung wurde wie bei der vorhergehenden Registrierung
über Targets und eine Transformation ins Berliner Landesnetz vorgenommen.
Der Punkt 10 wurde ebenfalls aus der Berechnung herausgenommen, weil eindeutig
war, daß sich die Lage der Zielmarke während der Messung verändert haben mußte.
So wurde der Anschluß an das übergeordnete System nur über drei statt der geplanten
vier Punkte vorgenommen. Hier liegt der mittlere Punktfehler der Anschlußpunkte
bei 1 mm (Abb. 4 – 29).

4 AUSWERTUNG 68
Abb. 4 – 29: Registrierungsergebnis 2
Anschließend wurden die beiden Scanworlds, die aus den vorangegangenen Registrierungen
entstanden sind, miteinander verbunden. Diesmal war es nicht notwendig,
eine Koordinatenscanworld zu verwenden, da die Koordinaten der beiden
Punktwolken bereits dem des Zielsystems entsprachen. Die mittlere Punktgenauigkeit
lag hierbei nur bei ca. 6 mm. Da bei der Nachmessung der Kreuzung mit dem
HDS 2500 die Targetmarken erneut angebracht werden mußten und nicht wie bei
der ersten Meßreihe am selben Ort verblieben sind, ist es möglich, daß eine Zentrierungenauigkeit
beim Wiederanbringen einen Einfluß auf die Registrierungsgenauigkeit
hatte (die Farbmarkierungen zum eindeutigen Anbringen der Targetmarken
waren inzwischen stark verblaßt und in der Dunkelheit kaum erkennbar). Nichts
desto trotz liegt sie aber immer noch im Rahmen der erreichbaren Punktgenauigkeit
des Scanners (Abb. 4 – 30).
Abb. 4 – 30: Registrierungsergebnis 3

4 AUSWERTUNG 69
Bei der Kombination der Scanworld 8 mit dem vorhergehenden Ergebnis wurde das
erste Mal die Methode der Verknüpfung mittels Korrelation mitbenutzt. Da der Punkt
111 nicht zur Registrierung geeignet war, blieb keine andere Möglichkeit als diese
(Abb. 4 – 31).
Abb. 4 – 31: Registrierungsergebnis 4
Abschließend mußte nur noch die Scanworld 5 zu den bisherigen hinzugefügt werden.
Dies geschah abermals über Punktwolkenkorrelation in Verbindung mit Targetpunkten.
Die Registrierung hätte auch über die Punkte 6, 9 und 111 geschehen können,
aber der dabei resultierende Fehlervektor von 1 cm konnte auf die andere Weise
erheblich gemindert werden (Abb. 4 – 32).
Abb. 4 – 32: Registrierungsergebnis 5
Mit der hiermit abgeschlossenen, endgültigen Registrierung wurden alle relevanten
Scans zu einer Gesamtscanworld verschmolzen, auf deren Grundlage die weitere
Auswertung basiert.

4 AUSWERTUNG 70
4.2.3 Die Modellierung
Bei der Modellierung werden ausgewählte Teile der Punktwolke über einen mathematischen,
ausgleichenden Algorithmus in vordefinierte geometrische Elemente
überführt. Diese Elemente können einfache Ebenen oder Körper (Quader, Kugeln,
Zylinder ...) sein, komplexere Formen aus Baubranche und Industrie wie TT-Träger
oder Flansche sind aber ebenso möglich. Die Vielfalt der Formen hängt in aller Regel
von der Bearbeitungssoftware ab.
Leider bietet Cyclone bisher keine Modellierungsmöglichkeit für Eisenbahnschienen
an, was die Bearbeitung vorliegender Diplomarbeit sicherlich sehr vereinfacht hätte.
In Ermangelung der genannten Tatsache spielte die Modellierung von Objekten für
diese Arbeit nur eine untergeordnete Rolle, da es nicht das Ziel war, ein dreidimensionales
Modell zu erstellen. Sie wurde vielmehr als Hilfsmittel benötigt, um Koordinaten
für die Lage von nicht meßbaren Punkten (hauptsächlich Mittelpunkte von
Masten, Ampeln, Laternen und dergleichen oder Eckpunkte von Gebäuden o. ä.) zu
erhalten.
Die Modellierung mit der Bearbeitungssoftware Cyclone soll im folgenden grob erläutert
werden.
Zunächst wird im zu bearbeitenden Projekt der betreffende Modelspace geöffnet.
Voraussetzung für die Modellierung ist eine Punktwolke (oder Teile einer Punktwolke),
die der Einfachheit halber möglichst von allen störenden Pixeln befreit ist (siehe
Kapitel 4.2.1). Um nun ein Element, im konkreten Fall einen TT-Mast zu modellieren,
wird zunächst ein Rahmen um die Punktwolke gezogen, die das Objekt darstellt.
Dabei ist zu beachten, daß sich in diesem Rahmen keine Pixel befinden dürfen, die
nicht zu dem Objekt gehören, da sie sonst in die Berechnung einfließen und zu einer
fehlerhaften Modellbildung führen würden.
Deshalb bietet sich das vorherige Kopieren der im Rahmen befindlichen Punkte in
einen eigenen Modelspace an, in dem dann alle nicht relevanten Punkte einfach entfernt
werden können.

4 AUSWERTUNG 71
Abb. 4 – 33:
Punktwolke eines TT-Masts in Drauf- und Seitenansicht
Über das Menü Create Object – Fit Fenced (bzw. Fit Cloud, wenn die gesamte Punktwolke
benutzt werden soll) sind alle vom Programm zur Verfügung gestellten modellierbaren
Formen aufgelistet. Ein TT-Träger wird z. B. über die Option Steel Section –
Wide Flange gebildet. Im Gegensatz zur Modellierung von Ebenen oder Zylindern
müssen hierbei zuvor noch Punkte in allen zu verwendenden Punktwolken selektiert
werden.
Die gebildete Figur ist durch signifikante, orangefarbige Ziehpunkte definiert, anhand
derer sie noch in Länge, Breite und anderen Dimensionen durch einfaches
Ziehen oder über die Menüfolge Edit Object – Edit Properties verändert werden kann
(vorteilhaft bei vordefinierten Standardkörpern).
Der Berechnungsalgorithmus kann je nach Dichte der Punktwolke, Art des zu modellierenden
Objektes und Rechnerleistung von ein paar Sekunden bis zu einigen Minuten
dauern oder ganz fehlschlagen. In jedem Fall wird dem Benutzer viel Geduld
abverlangt.
Das Ergebnis der Modellierung ist eine Fläche oder ein Körper, die oder der der entstammenden
Punktwolke ideal angepaßt ist sowie einfacher gehandhabt und weiterverarbeitet
werden kann.

4 AUSWERTUNG 72
Abb. 4 – 34: Modellierungsmenü
Abb. 4 – 35: Modellierung der Punktwolke und fertiges Modell eines TT-Mastes

4 AUSWERTUNG 73
Wenn das zu modellierende Objekt durch eine unzureichende Punktmenge/ -dichte
beschrieben wird, die Auswahl fehlerhaft war oder Störpixel in die Modellberechnung
einfließen konnten, führt dies zu einer mangelhaften Modellierung. Aufgrund dessen
ist das mehrmalige Durchführen des Modellierungsvorgangs manchmal unumgänglich.
Abb. 4 – 36: Fehlerhafte (links) und korrekte (rechts) Modellierung desselben Objektes

4 AUSWERTUNG 74
4.2.4 Bestandsaufmaß mit dem Vitual Surveyor
Mit dem „Virtual Surveyor“ (VS) gibt Cyclone dem Bearbeiter ein Werkzeug an die
Hand, welches das Aufmessen von Punkten innerhalb einer Punktwolke gestattet.
Diese können wie bei einer herkömmlichen Tachymeteraufnahme codiert und in
einem benutzerdefiniertem ASCII-Format ausgelesen werden.
Zu erreichen ist dieses Werkzeug über Tools/Virtual Surveyor. Nach Anklicken öffnet
sich ein Fenster und man hat die Möglichkeit, eine bereits erstellte Punktdatei zu
laden. Ist keine Datei vorhanden, wird dieses Eingabefeld mit Skip übersprungen.
Nun öffnet sich das eigentliche Fenster mit allen Bearbeitungstools.
Egal, welcher Zeiger vorher im Modelspace-Viewer aktiviert war – jetzt ist es automatisch
das Singlepickwerkzeug und ein Linksklick in die Punktwolke führt zu einer
Punktmessung. Um Fehlmessungen vorzubeugen, sollte man daher den kleinen Pfeil
mit den Buchstaben FC (Enable Automatic Candidate Features) im VS-Fenster deaktivieren.
Abb. 4 – 37:
Modelspace mit Virtual-Surveyor-Fenster
Da bei einer Punktaufnahme zumeist eine Numerierung erfolgt, stellt Cyclone auch
eine solche Möglichkeit zur Verfügung (Number). Zusätzlich kann über Prefix der

4 AUSWERTUNG 75
fortlaufenden Punktnummer ein alphanumerischer Wert vorangestellt werden. Diese
Möglichkeit wurde genutzt, um die Punkte der vier Kreuzungsabschnitte zu differenzieren.
Will man die aufzunehmenden Punkte nach ihren Eigenschaften klassifizieren, kann
man sich der Code-Tabelle im VS-Fenster bedienen. Die Tabelle ist lernfähig, d. h.
einmal eingegebene Codes können immer wieder abgerufen und zugewiesen werden.
Es ist auch möglich, eine vorhandene Codeliste zu laden. Allerdings muß diese in
einem speziellen Format vorliegen, wie es auch Leica-Tachymeter der 1200er Serie
verwenden. Unter der Rubrik Notes können weitere Bemerkungen zu jedem gemessenen
Punkt hinterlegt werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit, durch Deaktivierung
des Häkchens hinter dem Code bestimmte Punktgruppen auszublenden.
Wurden Punktnummer und ggf. Präfix und Code eingestellt, kann mit der Messung
bzw. Punktaufnahme begonnen werden. Zum Navigieren in der Punktwolke dienen
die bekannten Operatoren der Menüleiste des Modelspaces. Zur Selektion der Punkte
werden Single- oder Multipick-Werkzeug verwendet, wobei sich das Multipick-Tool
für Linienzüge anbietet. Hat man einen oder mehrere Punkte selektiert, die für eine
spätere Bearbeitung übernommen werden sollen, gibt man das Kästchen mit dem
kleinen Pfeil und FC wieder frei. Die Punktnummern und Codes der ausgewählten
Punkte erscheinen nun auf dem Bildschirm. Sie sind allerdings noch mit einer
Klammer oder einem Sternchen versehen und auch ihr Code kann in diesem Stadium
durch eine neue Eingabe noch geändert werden. Die Klammern der Punktnummern
verschwinden, sobald das grüne Häkchen unten rechts im VS-Fenster betätigt wird.
Nun können keine Änderungen mehr an den Codes, Notes oder der Numerierung
vorgenommen werden.
Erst wenn der Button Format Output gedrückt wird, verschwinden auch die Sternchen
hinter den Punktnummern auf dem Bildschirm. Denn nun öffnet sich ein weiteres
Fenster, in welchem das Ausgabeformat für die gemessenen Punkte festgelegt
wird. In diesem Export-Fenster besteht auch die Möglichkeit, ein eigenes Format zu
erstellen und abzuspeichern (Save As...), welches später innerhalb des Projektes
immer wieder aufgerufen werden kann.
Um ein eigenes Format zu kreieren, stehen diverse Tools bereit. Mit Columns wird
die Anzahl der Spalten bestimmt. Desweiteren können Überschriften ein oder ausgeblendet
(Print Headings) und die Anzahl der Nachkommastellen (Decimal Digits)
eingestellt werden. Den Spalten kann eine feste Breite (Fixed Width) und eine Ausrichtung
am Blattrand (Alignment) zugewiesen werden. Schließlich können noch die
Maßeinheit (Unit) und andere Merkmale vorgegeben werden.
Um eine bestimmte Breite der Spalten zu erhalten, zieht man diese wie bei Excel auf
das gewünschte Maß. Die Attribute und deren Reihenfolge erhält man, wenn in je-

4 AUSWERTUNG 76
dem Spaltenkopf die jeweilige Vorgabe getroffen wird. Zur Auswahl stehen Punktnummer,
Feature-Code, Note, X, Y und Z, wobei X und Y auch North und East heißen
können. Für die weitere Bearbeitung der Daten im Zeichenprogramm AutoCAD (mit
dem Umweg über das Umwandlungsprogramm Punktbl.exe) wurden Punktnummer,
X, Y, Z und der Punktcode benötigt.
Sind die Formateinstellungen beendet, wird das neu erstellte Format einmalig abgespeichert
(Save As...), während die Koordinatenliste nach jedem Übertragen (Format
Output) aus dem VS- in das Export-Fenster gespeichert wird.
Abb. 4 – 38: Export-Fenster
Einige weitere Funktionen des Virtual Surveyors sollen an dieser Stelle noch erwähnt
werden. So können bereits gemessene und gespeicherte Punkte ausgeblendet werden
(Show Features; Button FC mit Brille). Dasselbe kann auch mit noch nicht gespeicherten
Punkten geschehen. Hier erfolgt zudem eine Trennung zwischen bestätigten
(Show Candidate Features; (FC) mit Brille) und noch nicht bestätigten Meßpunkten
(Show Unsaved Features; FC* mit Brille).
Mit dem Button Show Feature Options (Brille und Zettel) kann auf Einstellungen zu
Schriftart, –größe und –farbe sowie Länge und Winkel des Hinweisstriches zugegriffen
werden.

4 AUSWERTUNG 77
Die Sichtbarkeit von Features respektive modellierten Objekten kann übersichtlich
mit dem Button View Feature (Auge, FC und Kreuz) gesteuert werden. In einem sich
öffnenden Untermenü können einzelne Objekte wie Quader oder Zylinder ein- und
ausgeblendet werden, um ein übersichlicheres Meßfenster für die Auswertung zu
erhalten.
Für den Export stehen neben der oben erwähnten Möglichkeit noch zwei Buttons zur
Verfügung, die eine Wandlung in die Formate Land XML und Leica System 1200
gestatten.
Abb. 4 – 39: Virtual-Surveyor-Fenster
Letztlich besteht noch die Möglichkeit, mit Layern zu arbeiten und Punkte über Linien
oder Polylinien bereits während der Messung zu verbinden. Dieses Mittel fand in
der vorliegenden Arbeit jedoch keine Verwendung, da die Zeichnung mit dem Programm
AutoCAD erstellt werden sollte, welches einen wesentlich größeren Umfang
an Bearbeitungs- und Darstellungswerkzeugen bietet.

4 AUSWERTUNG 78
4.3 Bearbeitung in AutoCAD
Zur Visualisierung aufgenommener Topographie am Bildschirm und vor allem zur
Erstellung zweidimensionaler Pläne eignen sich besonders gut computerunterstützte
CAD-Konstruktionsprogramme (CAD = Computer-Aided Design). Sie bieten alle
erdenklichen Möglichkeiten zur Konstruktion, Bemaßung, Darstellung und Ausgabe
einer Zeichnung.
Für die Bearbeitung der Daten der vorliegenden Diplomarbeit wurde das Programm
AutoCAD 2000/2004 verwendet, da hierfür bereits Vorkenntnisse vorhanden waren.
Um die unter Verwendung des Virtual Surveyors in Cyclone erhaltenen ASCII-Daten
mit AutoCAD weiterverarbeiten zu können, müssen diese zuvor in ein besonderes
Format – das sogenannte dxf-Format – umgewandelt werden. Dies leistet das von
Prof. Dr. Schwenkel, TFH Berlin, erstellte Programm Punktbl.exe. Es ermöglicht
neben der Überführung der Punkte in AutoCAD auch deren Klassifizierung durch
Layer und die Anzeige der zugehörigen Punktnummer.
Das Einfügen der in der dxf-Datei enthaltenen Informationen geschieht über den
Befehl Dxfin. Im sich öffnenden Fenster wird die betreffende Datei ausgewählt und
(da bereits Landeskoordinaten vorliegen) unter Bestätigung des Kästchens „Ursprung“
eingefügt; Skalierung und Ausrichtung bleiben deaktiviert. Von Vorteil ist es,
wenn nicht alle gemessenen Punkte zugleich eingefügt werden, sondern eine Stückelung
der Datenmenge in mehrere dxf-Dateien erfolgte. Auf diese Weise kann die
Zeichnung Schritt für Schritt erstellt werden, ohne daß eine Unmenge an Punkten die
Bearbeitung erschwert.
Die nun vorliegende Punktwolke kann beliebig weiterverarbeitet werden. Zur besseren
Sichtbarkeit der Punkte sollte der Punktmodus verändert werden (Pdmode: 3).
Hilfreich sind ebenfalls die diversen Zoomoperationen, die in AutoCAD implementiert
sind.
Die Punktnummern werden sichtbar, wenn Attzeig auf Ein gesetzt wird. Mit Attzeig
Aus können sie ggf. wieder ausgeblendet werden.
Die automatisch erzeugten Layer können über das Layer-Symbol angezeigt werden.
Hier besteht auch die Möglichkeit, neue Layer zu erzeugen, Form und Farbe der Layerobjekte
zu ändern oder die Layer umzubenennen, unsichtbar zu machen oder für
unbeabsichtigte Änderungen zu sperren.

4 AUSWERTUNG 79
Für die Zeichnung und Konstruktion stehen zahlreiche Funktionen wie Linie, Bogen
oder Kreis zur Verfügung, für deren Bearbeitung Befehle wie Löschen, Schieben,
Stutzen, Dehnen, Drehen und viele mehr.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, extern vorgefertigte Elemente oder ganze Zeichnungen
als sogenannte Blöcke einzufügen. Diese verhalten sich dann wie ein einzelnes
Zeichnungsobjekt. Blöcke wurden bei der Erstellung der Zeichnung für die Darstellung
von Symbolen wie z. B. Ampel, Poller oder Telefonzelle verwendet.
Die Darlegung weiterer Einzelheiten zur Erstellung der Zeichnung würden an dieser
Stelle zu weit führen.
Dargestellt werden soll aber das Endergebnis, auch wenn es bei weitem nicht die
Ausmaße eines von der BVG geforderten Bestandsplanes annimmt. Dafür wären
unter anderem ein wesentlich höherer Zeitaufwand sowie grundlegendere Erfahrungen
im Erstellen von Bestandsplänen und nicht zuletzt ein besser geeignetes Konstruktionsprogramm
vonnöten gewesen. Zudem sollte eine Planerstellung auch nicht
im Mittelpunkt der Arbeit stehen. Bild 4 - 40 zeigt wegen der besseren Detailsichtbarkeit
nur einen Ausschnitt aus der gesamten Zeichnung.
Abb. 4 – 40: Ausschnitt aus der fertigen AutoCAD-Zeichnung

4 AUSWERTUNG 80
4.4 Genauigkeitsbetrachtung
Die BVG verlangt hinsichtlich der Genauigkeit einen gewissen Standard, der bereits
in Kapitel 2.5 näher erläutert wurde. Da bisher keine Erfahrungen auf dem Gebiet
Laserscanning einer Kreuzung vorliegen, mußte hierzu eine genauere Analyse stattfinden.
Als Vergleich für die äußere Genauigkeit kann einerseits ein im April 2005
vom ÖbVI-Büro Zimmermann gemessener Bestandsplan dienen, der sowohl in analoger
als auch in digitaler Form existiert, andererseits können auch vereinzelt auf der
Kreuzung per Meßband oder Zollstock aufgenommene Absolutmaße herangezogen
werden.
Die innere Genauigkeit der Messung mit dem Scanner läßt sich empirisch gut ermitteln,
da aufgrund der Vielzahl an Messungen, bzw. der Dichte der Punktwolke genügend
Informationen vorhanden sind.
4.4.1 Innere Genauigkeit
Die innere Genauigkeit eines Meßsystems wird durch die Bandbreite der Streuung
um einen Mittelwert charakterisiert. Je kleiner die Streuung ist, als desto homogener
kann die Messung eingestuft werden. Das bedeutet jedoch nicht, daß sie nach außen
hin korrekt ist, denn unerkannte systematische Einflüsse können das Meßergebnis
noch verfälschen. Diese sollten daher durch Sorgfalt bei der Messung und geeignete
Korrekturen und Meßverfahren weitestgehend ausgeschaltet werden.
Die Ermittlung der inneren Genauigkeit bei der vorliegenden Diplomarbeit geschah
nach Fertigstellung der Registrierung in Cyclone unter Verwendung des Virtual Surveyors
und einer Weiterverarbeitung der Daten mit Excel. Daher spielen gewisse Ungenauigkeiten,
die aus vorhergehenden Rechenprozessen herrühren, mit in das Ergebnis
hinein. Strenggenommen hätte in den Rohdaten ausgewertet werden müssen,
was jedoch aus praktischen und zeitlichen Gründen nicht möglich war.
Ferner wurde die Untersuchung nach unterschiedlichen Objektgruppen differenziert.
Dabei zeigte sich, daß die Streuung für Objekte mit sehr geringer Höhenausdehnung
deutlich geringer war als bei sehr plastischen Objekten. Die dritte Dimension stellt
also bei der korrekten Punktauswahl eine zusätzliche Fehlerquelle dar, weshalb es
sinnvoll ist, beim Selektieren der Pixel zwischen reinen Lagepunkten, deren Höhe
völlig unerheblich ist, und Punkten mit Höheninformation zu unterscheiden.
Praktisch könnte das für die Erstellung eines Plans mittels Virtual Surveyor so aussehen,
daß in einem ersten Schritt die Lage in der X-Y-Ebene (Draufsicht) erfaßt wird
und relevante Höhenpunkte in einem zweiten Schritt unter Zuhilfenahme der räumlichen
Ausdehnung gemessen werden. Diese Vorgehensweise fand bei der Erstellung
des Planes auch ihre Anwendung.

4 AUSWERTUNG 81
Zur Ermittlung der inneren Genauigkeit wurden 23 gut lokalisierbare topographische
Gegenstände (s. Tab. 4 – 1) fünfmal unabhängig voneinander angemessen (Anpicken
eines Punktes in der Punktwolke) und sieben Objektgruppen zugeordnet.
Abb. 4 – 41: Fahrkanten und Gleiseinbauten im Scan
Hier zeigte sich wie oben bereits erwähnt, daß bei Objekten mit ausgeprägter Höhenausdehnung
(Gebäude, Bordkante, Bahnsteigkante) die Höhe schlechter ermittelt
werden kann als die Lage, weil der eindeutige Höhenpunkt im Scan schwerer zu finden
ist. Wahrscheinlich ist es eine Frage der Übung und des Trainings, in der ausgeprägten
Punktwolke gut navigieren und sich dort besser zurechtfinden zu können.
Außerdem ist zu erkennen, daß sich relativ grob gescannte Objekte aufgrund der fehlenden
Informationen wie zu erwarten ungenauer erfassen lassen als feiner gescannte
(die Schachtmitten konnten nur unzureichend selektiert werden).

4 AUSWERTUNG 82
Die Anforderungen der BVG könnten allerdings bei der Erfassung der meisten Objekte
erfüllt werden, wobei bei einigen außerdem zu hinterfragen wäre, ob die vorgegebene
Nachbarschaftstreue von 7 bzw. 15 mm in der Lage und 3 mm in der Höhe
gerechtfertigt ist.
Eine Zusammenfassung der Ergebnisse gibt Tab. 4 – 2.
Tab. 4 – 1:
Innere Genauigkeit von 23 Objekten
Objekt Y X H Lage
[mm] [mm] [mm] [mm]
Handstellkasten 9 5 0 10
IMU-Weichenantrieb 4 4 0 6
Bahnsteigkante 1 1 1 24 1
Bahnsteigkante 2 0 0 0 0
Bahnsteigkante 3 1 0 6 1
Bahnsteigkante 4 0 0 6 0
Fahrkante 1 1 0 2 1
Fahrkante 2 1 1 2 1
Fahrkante 3 4 6 3 8
Bordkante 1 2 0 8 2
Bordkante 2 1 1 9 2
Bordkante 3 0 1 8 1
Bordkante 4 2 3 21 4
Fahrbahnmarkierung 1 0 0 0 0
Fahrbahnmarkierung 2 0 0 0 0
Fahrbahnmarkierung 3 0 4 3 4
Schacht 11 6 0 12
Gasschieber 1 4 2 0 4
Gasschieber 2 9 10 1 14
Gebäude1 2 1 6 3
Gebäude2 3 0 22 3
Gebäude3 0 0 0 0
Gebäude4 2 1 50 2
Tab. 4 – 2: Übersicht über die erreichte innere Genauigkeit
Objekt Y X H Lage Höhe BVG erfüllt? Lage BVG erfüllt?
[mm] [mm] [mm] [mm]
Fahrbahnmarkierung 0 1 1 1 ja ja
Fahrkante 2 3 2 3 ja ja
Gleiseinbauten 7 5 0 8 ja nein
Bahnsteigkante 1 0 9 1 nein ja
Schacht / Schieber 8 6 0 10 ja (ja)*
Bordkante 1 1 12 2 nein ja
Gebäude 2 1 20 2 nein ja
*außerhalb des lichtraumrelevanten Bereichs

4 AUSWERTUNG 83
4.4.2 Äußere Genauigkeit
Anders als bei der inneren Genauigkeit wird für die äußere Genauigkeit der wahre
Wert zum Vergleich benötigt. Da dieser in der Regel nicht bekannt ist, wird auf den
wahrscheinlichsten Wert zurückgegriffen, der z. B. durch eine Mehrfachmessung mit
einem deutlich genaueren Meßsystem gefunden werden kann.
Im Falle der vorliegenden Diplomarbeit muß eine Tachymetermessung als Vergleichswert
für absolute Koordinaten genügen, da keine anderen Daten zur Verfügung
stehen. Allerdings ist es sehr fraglich, ob die Tachymeteraufnahme wirklich als
genauer anzusehen und als Vergleichsreferenz geeignet ist, denn jeder praktisch
erfahrene Vermessungstechniker/-ingenieur weiß, wie ein Bestandsaufmaß unter
zeitlichen und wirtschaftlichen Bedingungen durchgeführt wird.
Die Erzeugung einzelner Objekte mittels Modellierung, namentlich Schaltkästen und
TT-Masten, konnte aber auch anhand von vor Ort ermittelten Absolutmaßen dieser
Gegenstände überprüft werden.
4.4.2.1 Koordinatenvergleich
Für den Vergleich von Koordinaten, die einerseits durch Tachymeteraufnahme und
andererseits mittels Laserscanning entstanden sind, können natürlich nur solche
Punkte herangezogen werden, welche sich in beiden Aufnahmen eindeutig lokalisieren
lassen. Insbesondere sind dies markante Punkte wie Gebäudeecken, Eckpunkte
von Bord- und Bahnsteigkanten, Schnittpunkte von Fahrkanten oder die Mittelpunkte
von Masten, Kästen und ebenerdigen Straßenmöbeln.
Da die Mittelpunkte von plastischen, aufragenden Objekten nicht in der Punktwolke
vorhanden sind, mußten solche Gegenstände (Masten, Schilder, Schaltkästen u. a.)
erst modelliert werden. Modellierte Objekte sind durch ein eigenes Achssystem genau
definiert, wobei der Ursprung den Lagemittelpunkt darstellt, welcher exakt selektiert
werden kann. Eine Höheninformation ist an der Stelle bei diesen Objekten gar nicht
erforderlich, weil ohnehin keine Vergleichsmöglichkeit anhand der Tachymeteraufnahme
besteht. Daher konnte bei solchen Objekten auch nur ein Lagevergleich stattfinden.
Anders sieht dies bei linienhaften Gebilden aus. Markante Eck- und Schnittpunkte an
Bord-, Fahr- und Bahnsteigkanten wurden unmittelbar aus der Punktwolke ausgewählt
und enthalten Lage- und Höheninformationen. Dabei war es jedoch nicht möglich,
die von der BVG definierte Fahrkante aufzunehmen, weil dieser Punkt ja in der
Realität nicht existiert (siehe Kapitel 2.5, Abb. 2 – 15). Es wurde darum so gut wie
möglich versucht, der Fahrkante am nächsten zu kommen und die Abweichungen

4 AUSWERTUNG 84
gering zu halten (was auch für das Zeichnen des Planes über die Punktextraktion mit
dem Virtual Surveyor gilt).
Die Genauigkeitsauswertung erfolgte also aus den o. g. Gründen für Lage und Höhe
getrennt. Beim Lagevergleich war festzustellen, daß die Summe der Verbesserungen
bisweilen deutlich positiv oder negativ von Null abwich. Eine hohe positive Vebesserungssumme
lag bei den Y-Koordinaten vor, wärend sie für die X-Koordinaten ausgeprägt
negativ war. Da die Summe der Verbesserungen bei der Annahme normalverteilter
Abweichungen eigentlich gleich Null sein müßte, liegen hier Anzeichen für
noch zusätzlich bestehende, systematische Abweichungen vor (z. B. Verdrehung und
Verschiebung). Diese wären erklärbar durch:
abweichende Anschlußpunktverwendung (Orientierung) bei der
Vergleichsmessung,
tatsächliche Lageänderung der Aufnahmeobjekte oder
unterschiedliche Identifikation der Punkte bei Tachymeteraufnahme und
Scan.
Da die Standardabweichungen sich im Zentimeterbereich bewegen und eine Lageänderung
der untersuchten Objekte ausgeschlossen werden kann, werden die systematischen
Abweichungen eine Mischung aus erstem und letztem Punkt darstellen.
Um die Parameter einer möglichen Translation und Rotation sowie den Maßstab
zwischen beiden Messungen zu ermitteln, wurde eine 2D-Helmerttransformation
mithilfe des Programms Heltra (entwickelt von Prof. Dr. Korth, TFH Berlin) durchgeführt.
Dazu wurden sämtliche Punkte verwendet, die in der Örtlichkeit direkt aufgehalten
werden können (die Ermittlung der Mast- und Schaltkastenmittelpunkte
mittels Streckenmessung und Eindrehen der Richtung bei der Tachymetermessung
ist zu ungenau). In Frage kamen demnach Gebäude, TT-Masten sowie Fahr-, Bordund
Bahnsteigkanten.
Schon an der Verteilung der Restklaffungen (Abb. 4 - 42) ist erkennbar, daß keine
einheitliche Richtung vorherrscht. Vielmehr sind die Klaffen in Richtung und Größe
regellos und diffus verstreut. Allerdings erkennt man bei näherer Betrachtung und
Unterteilung in die jeweiligen Objektklassen, daß diese in sich teilweise doch einer
Regelmäßigkeit folgen (siehe zb. TT-Masten in Abb. 4 - 42).

4 AUSWERTUNG 85
Abb. 4 – 42: Restklaffungen nach 2D-Helmerttransformation
Da die Objekte von verschiedenen Tachymeterstandpunkten mit unterschiedlichen
Anschlußrichtungen aufgenommen wurden, ist nachvollziehbar, daß leider keine
einheitliche Drehung und Verschiebung vorliegt (auch nicht bei einzeln durchgeführten
Transformationen für Gruppen der o. g. Objektklassen). Daher führte auch eine
Verwendung der transformierten Koordinaten als neue Scankoordinaten (Ist) und
deren Vergleich mit den Tachymeterkoordinaten (Soll) zu keinen besseren Ergebnissen
für die Standardabweichung (auch wenn die Verbesserungssumme nun gleich
Null wurde).
Die Auswertung der Höhengenauigkeit ergab zum einen wesentlich bessere Ergebnisse
(Standardabweichungen im Millimeterbereich), zum anderen aber einen erhöhten
Ausschlag der Verbesserungssumme im positiven Bereich. Dies könnte z. B. darauf
hindeuten, daß der für den Scan verwendete Höhenanschluß geringfügig tiefer liegt
als der bei der Tachymetermessung benutzte oder Instrumenten- und Reflektorhöhe
während der Tachymetrie nicht exakt berücksichtigt wurden.
Eine Zusammenstellung der äußeren Genauigkeit (ohne Verwendung der Transformationsergebnisse)
für Lagekoordinaten und Höhe ist Tabelle 4 – 3 zu entnehmen.

4 AUSWERTUNG 86
Tab. 4 – 3:
Äußere Genauigkeit der Koordinaten ausgesuchter Objekte
Objekt Y X H Lage Höhe BVG erfüllt? Lage BVG erfüllt?
[mm] [mm] [mm] [mm]
Bahnsteigkante 13 7 3 15 ja nein
Gebäude 25 11 27 nein
Verkehrsschild 10 26 28 nein
Fahrkante 17 26 4 31 nein nein
Schaltkasten 25 23 34 nein
TT-Mast 24 27 37 nein
Ampel 30 23 37 nein
Geländer 31 26 40 nein
Bordkante 31 27 11 41 nein nein
Laterne 23 38 44 nein
Poller 29 49 57 nein
Schacht 59 47 75 nein
Insgesamt könnte man annehmen, das Ergebnis sei enttäuschend. Jedoch darf nicht
vergessen werden, daß die vorhandene Tachymetermessung aufgrund einer abweichenden
und nicht mehr nachvollziehbaren Orientierung sowie einer unbekannten
Art der Durchführung (hinsichtlich der Genauigkeit) für einen Vergleich schlecht
geeignet ist.
4.4.2.2 Vergleich von Absolutmaßen
Der Vergleich von Absolutmaßen konnte an zwei Objekttypen vorgenommen werden:
TT-Masten und Schaltkästen. Beide Objekte wurden durch Modellierung erzeugt,
wobei das Ergebnis (die Dimension der modellierten Gegenstände) über eine Cyclone-eigene
Objektinformation abrufbar war. Gleichzeitig konnten in der Örtlichkeit
die „wahren“ Abmessungen der Gegenstände unter Verwendung von Zollstock und
Meßband ermittelt werden.
Tab. 4 – 4: Genauigkeitsvergleich anhand von Absolutmaßen (7 Schaltkästen)
Schaltkasten Summe Summe s
[mm] [mm] 2 [mm]
Breite 12 1682 16
Länge 17 6231 30
gesamt 29 7913 24

4 AUSWERTUNG 87
Tab. 4 – 5:
Genauigkeitsvergleich anhand von Absolutmaßen (10 TT-Träger)
TT-Träger Summe Summe s
[mm] [mm] 2 [mm]
Flange 4 5454 23
Width 12 1374 12
Web -121 6529 26
Depth 151 22629 48
gesamt 46 35986 30
Aus den Tabellen 4 – 4 und 4 – 5 ist ersichtlich, daß die Ergebnisse der Modellierung
sowohl für die Schaltkästen als auch für die TT-Masten noch nicht zufriedenstellend
sind. Allerdings muß dazu gesagt werden, daß viele der modellierten Objekte (Ampeln,
Verkehrsschilder, Poller, Laternen, Schaltkästen u. a.) erstens nicht von allen
Seiten erfaßt und zweitens nur recht grob gescannt wurden. Drittens kann eine Vielzahl
dieser Gegenstände über ihren Mittelpunkt in eine Zeichnung eingefügt werden.
Und dieser kann auch bei schwankenden Umringsmaßen recht genau aus modellierten
Objekten abgeleitet werden. Desweiteren hängt die erreichbare Genauigkeit der
Modellierung stark von der Anzahl beitragender Pixel (Punktdichte) ab und kann
bereits durch Einschließen weniger Störpixel in die Berechnung sehr verfälscht werden.
Es besteht jedoch die Möglichkeit, feste Abmessungen direkt bei der Modellierung
der Objekte vorzugeben, was bei standardisierten Gegenständen vielleicht ganz
sinnvoll ist.
Im vorliegenden Fall wurden TT-Masten und Schaltkästen im allgemeinen zu klein
modelliert.
4.4.2.3 Vergleich der Kongruenz von Fahrkanten
Der vielleicht wichtigste Aspekt zur Untersuchung der Genauigkeit in dieser Diplomarbeit
liegt wohl darin, einen Vergleich der Gleislage zwischen Tachymetermessung
und Scan herstellen zu können. Dies ist um so wichtiger, weil die Fahrkante im Scan
bekanntermaßen nicht direkt erfaßt werden kann. Vielleicht werden jedoch noch
besondere Algorithmen entwickelt, die eine Modellierung der Schiene und ein Abgreifen
der Fahrkante ermöglichen. Im Moment muß sich allerdings auf die näherungsweise
Erfassung der Fahrkante durch direkte, sorgfältige Auswahl von Pixeln
der Schienenoberkante beschränkt werden. Schon allein dadurch kommt eine geringfügige
Diskrepanz von einigen Millimetern zustande.
Würde hierbei jedoch ein mathematischer Zusammenhang, beispielsweise ein bestimmter
Betrag für eine Parallelität der unterschiedlich erzeugten Kanten gefunden

4 AUSWERTUNG 88
werden können, dürfte die fehlende Selektierbarkeit der „offiziellen“ Fahrkante kein
Hemmnis mehr darstellen, sie könnte dann ja rechnerisch erzeugt werden.
Allerdings ist die verfügbare Tachymetermessung wie weiter oben bereits beschrieben
kein probates Mittel, um hier verwertbare Schlüsse ziehen zu können. Es hätte
vielmehr eine eigene Messung unter Verwendung derselben Orientierung wie beim
Scannen mit großer Sorgfalt durchgeführt werden müssen, doch fehlte dafür letztlich
die Zeit.
Dennoch soll der Vergleich mit der zur Verfügung stehenden Tachymetermessung
nicht unbeachtet bleiben.
Es wurden an den acht Gleisen jeweils die parallelen Abstände zwischen Sollage (Tachymetermessung)
und Istlage (Scan) aus einer AutoCAD-Zeichnung abgegriffen.
Der parallele Abstand ist von besonderem Interesse, weil eine geringe Querabweichung
der Gleislage wichtiger ist als die großzügiger zu behandelnde Längsabweichung.
Abb. 4 – 43:
Gleislage und –numerierung

4 AUSWERTUNG 89
Da die Linien, respektive Bögen, durch Konstruktion erzeugt wurden, mußte darauf
geachtet werden, daß das Abgreifen möglichst nahe an wahren Meßpunkten beider
Messungen geschah. Der erhaltene parallele Abstand wurde als Verbesserung betrachtet
und sollte idealerweise gegen Null streben.
Die Verbesserungen sind insgesamt (alle Gleise betrachtet) recht gleichmäßig verteilt;
es ist jedoch generell eine leichte Tendenz zum Positiven erkennbar (negative Verbesserung
= Fahrkante links von Sollage, positive Vebesserung = Fahrkante rechts von
Sollage; siehe auch Abb. 4 - 44). Eine einheitliche Abweichung kann aber nicht festgestellt
werden.
Tab. 4 – 6:
Genauigkeit der Kongruenz von Fahrkanten
Fahrkante
links
rechts
Summe Summe s Summe Summe s
[mm] [mm] 2 [mm] [mm] [mm] 2 [mm]
Gleis 1 -133 4569 24 9 1619 14
Gleis 2 49 1629 12 -75 3821 18
Gleis 3 15 2275 17 -45 1312 13
Gleis 4 105 1263 11 9 643 8
Gleis 5 7 2207 16 -33 627 8
Gleis 6 70 2075 14 109 4832 21
Gleis 7 23 489 11 21 397 10
Gleis 8 -28 729 12 25 846 13
gesamt 109 15238 15 20 14097 15
Abb. 4 – 44:
Lage der Vergleichspunkte

4 AUSWERTUNG 90
Abb. 4 – 45:
Linke und rechte Fahrkante im Scan
Wie bereits mehrfach erwähnt, spielen zahlreiche Einflüsse bei den Messungen eine
Rolle, die einen späteren Vergleich erschweren. So kann an dieser Stelle nur allgemein
gesagt werden, daß die Abweichungen in einem Bereich liegen, der zwar laut
BVG-Vorschrift nicht mehr zulässig ist, die jedoch durch mangelnde Kenntnis der
Orientierung der Vergleichsmessung sowie nicht exakte Selektierbarkeit der Fahrkante
im Scan erklärbar sind.

4 AUSWERTUNG 91
4.5 Wirtschaftlichkeitsanalyse
Neben der erreichbaren Genauigkeit gibt es noch ein weiteres wichtiges Kriterium,
das für den Einsatz eines Laserscanners im Bereich Bestandsaufmaß von Bedeutung
ist: die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die althergebrachte Methode der tachymetrischen
Erfassung kann dabei wiederum als Vergleichsmöglichkeit dienen.
Im großen und ganzen läßt sich die Bearbeitung eines solchen Projektes in die Bereiche
Außen- und Innendienst unterteilen. Eine feinere Untergliederung könnte in
chronologischer Reihenfolge lauten:
Besichtigung der Örtlichkeit und anschließende Planung,
Legen der Targetpunkte und Netzmessung,
Netzausgleichung,
Laserscanning,
Auswertung der Punktwolke (Bereinigung, Registrierung, Modellierung) und
Anfertigung des Bestandsplanes.
Einige Punkte müssen jedoch nicht unbedingt streng diesem Ablauf folgen oder können
parallel zueinander ausgeführt werden.
Zahlreiche Einflüsse können jedoch den zeitlichen und damit wirtschaftlichen Rahmen
einer Messung nachhaltig beeinflussen. Im konkreten Fall des 3D-
Laserscannings hätten folgende Faktoren eine mehr oder weniger starke Auswirkung:
örtliche Gegebenheiten an sich,
Umwelteinflüsse wie Temperatur und Witterung,
Verkehrsaufkommen,
technische Unzulänglichkeiten wie Batterielebensdauer oder Rechnerleistung
und nicht zuletzt
menschliche Erfahrung und Routine in der Bearbeitung.
Da einige der genannten Faktoren bei der vorliegenden Diplomarbeit die Bearbeitung
störend beeinflußten, ist es relativ schwierig, die Effizienz des Verfahrens für dieses
Einsatzgebiet abschätzen und eine allgemeingültige Aussage treffen zu können.
Einen Versuch, die Entscheidungsfindung für den Einsatz eines bestimmten Meßverfahren
zu erleichtern, stellt das in Abb. 4 - 46 gezeigte Schema dar. Danach eignet
sich das Laserscan-Verfahren insbesondere dann, wenn es darauf ankommt, sehr

4 AUSWERTUNG 92
komplexe, schwer erfaßbare Strukturen aufzunehmen oder in unzugängliche wie
auch gefährliche Bereiche vordringen zu müssen.
Abb. 4 – 46: Effizienz diverser Aufnahmesysteme für bestimmte Einsatzgebiete
(aus Kahmen: Vermessungskunde; nach Bringmann, 2002)
Beim Bestandsaufmaß für eine Straßenkreuzung sind diese Umstände allerdings eher
weniger gegeben. Jedoch sind in der Scanpunktwolke auch Informationen enthalten,
die zwar für eine Bestandserfassung unerheblich sind, die aber für die Belange anderer
Fachbereiche durchaus interessant sein können. Man denke in diesem Zusammenhang
z. B. an die Fahrleitung.
Bei der praktischen Durchführung der Scans und v. a. bei der späteren Auswertung
und Bearbeitung wurde schnell klar, daß das 3D-Laserscanning die klassische Tachymeteraufnahme
zumindest in diesem Einsatzgebiet nicht ersetzen kann. Hauptsächlich
die Erfassung kleiner, ebenerdiger Objekte wie Schieber oder Gleiseinbauten
ist mit Schwierigkeiten verbunden. Viele dieser Gegenstände wären selbst bei einer
höheren Scanauflösung und der damit anwachsenden Scandauer schwer in der
Punktwolke auffindbar oder charakterisierbar. Ein Feldvergleich (auch anhand von
Fotos) wäre daher immer notwendig, um für die Vollständigkeit garantieren zu können.
Ganz zu schweigen von den vielen Abschattungen, hervorgerufen durch parkende
Fahrzeuge, Masten und Straßenmöbel, deren Eliminierung eine Unzahl von Aufstellungen
erfordern würde.

4 AUSWERTUNG 93
Da die verfügbare Einsatzzeit des Scanners und die Zeit für die Auswertung der Messungen
im Rahmen dieser Diplomarbeit begrenzt war, konnte die Kreuzung nicht in
dem Umfang aufgemessen werden wie es eigentlich erforderlich gewesen wäre und
bei der Tachymeteraufnahme auch geschehen ist. Von daher ist ein prinzipieller Abzug
von rund 30 - 50 % für Meßzeit und Auswertung allein wegen des Arbeitsumfangs
sicherlich gerechtfertigt, um einen realistischen Vergleich mit der Tachymetermessung
anstellen zu können. Allerdings sind im Scan wie bereits erwähnt auch
andere verwertbare Dinge enthalten, was eine Tachymetermessung nicht leisten
kann.
Eine Zusammenstellung der benötigten Bearbeitungszeiten unter optimalen Bedingungen
für den Scan und den Vergleich mit den von der BVG veranschlagten Zeiten
für die Tachymetermessung ist in Tabelle 4 – 7 zu finden. Dabei wurden nur ca. 60 %
der von der BVG für die tachymetrische Aufnahme und deren Auswertung angesetzten
Gesamtzeit berücksichtigt (s. o.). Die Zeiten beziehen sich auf einen Bearbeiter; in
Klammern stehende Zeiten können als notwendige Voraussetzung außerhalb der
Wertung betrachtet werden.
Tab. 4 – 7: Zeitaufwand für Tachymetermessung und Scanverfahren
Arbeitsschritt Tachymeteraufnahme Laserscanning
Erkundung, Netzanlage (2)
Netzmessung (7)
Scan 22
Summe Außendienst
15
22 (+9)
Netzausgleichung (3)
Störungsbeseitigung 5
Registrierung 2
Modellierung 7
Punkterfassung 16
Zeichnung 10
Summe Innendienst 11
40 (+3)
gesamt 26 62 (+12)
Es wird deutlich, daß v. a. die Bearbeitung im Innendienst bei der Tachymeteraufnahme
deutlich schneller geht, weil bereits eine Objektauswahl, und –klassifizierung
vor Ort stattgefunden hat, während diese beim Scanverfahren erst nachträglich in
mühevoller Kleinarbeit durchgeführt werden muß. Die allgemeine Faustformel beim
Laserscanning, das Verhältnis zwischen Außen- und Innendienst betrage 1 : 9, kann
hier wegen eines sehr geringen Modellierungsaufwandes zwar deutlich unterboten
werden. Doch reicht das Scanverfahren mit allen seinen notwendigen Bearbeitungsschritten
in puncto Wirtschaftlichkeit nicht an das althergebrachte Verfahren heran.

5 FAZIT UND AUSBLICK 94
5 Fazit und Ausblick
Am Ende der Bearbeitung eines so umfangreichen Themas sollte ein Resümee gezogen
werden. Doch wie kann dies im vorliegenden Fall aussehen?
Zunächst sollte noch einmal die Ausgangsfrage in Erinnerung gerufen werden, die da
lautete, ob das 3D-Laserscan-Verfahren für ein Kreuzungsaufmaß geeignet ist und
wie es im Vergleich mit der herkömmlichen Methode der Tachymeteraufnahme abschneidet.
Sicherlich, für die reine Erfassung des Bestandes ist das gängige Tachymeterverfahren
nicht zu ersetzen. Selbst schneller erfassende Scanner wie der HDS 4500, der
nahezu eine Million Punkte pro Sekunde aufnehmen kann, würden kaum zu einer
Steigerung der Leistungsfähigkeit beitragen können. Mit ihnen wäre zwar die Erfassung
selbst sehr kleiner Objekte einfacher und deren Eruierung in der dichteren
Punktwolke besser möglich. Diesen Vorteil erkauft man sich allerdings mit der wesentlich
geringeren Reichweite dieser Geräte und einer immensen Datenmenge.
Der eigentliche Nachteil im Vergleich zur Tachymetermessung ist jedoch die lange
Bearbeitungszeit im Innendienst. Während bei der konventionellen Methode die
relevanten Punkte bereits vor Ort ausgewählt, codiert und anschließend ohne großen
Aufwand in Zeichenprogrammen weiterverarbeitet werden können sind nach der
Durchführung des Scans noch zahlreiche Zwischenschritte nötig.
Seine Stärken kann das Scanverfahren immer dann ausspielen, wenn es darum geht,
sehr komplexe, inhomogene Bereiche aufzunehmen. Für die verformungstreue Erfassung
von Oberflächen oder das Aufmaß von komplizierten Leitungssystemen ist es
daher ausgesprochen geeignet. Einen weiteren Pluspunkt stellt die Tatsache dar, daß
das eigentliche Meßobjekt nicht betreten werden muß, weil die Messung wie in der
Photogrammetrie berührungslos erfolgt. Dies ermöglicht auch die Erfassung von
gefährlichen oder unzugänglichen Aufnahmeobjekten. Im Bereich Gleisvermessung
wäre z. B. die Erfassung der Fahrleitung denkbar, die bei laufendem Betrieb stattfinden
könnte. Stünden zudem noch eine leistungsfähigere Auswertungssoftware und
umfangreichere Modellierungsalgorithmen zur Verfügung, wäre ein verstärkter Einsatz
innerhalb des Gebietes Eisenbahnvermessung durchaus vorstellbar.
Eine ausführliche Zusammenstellung der Vor- und Nachteile beider Verfahren kann
Tabelle 5 – 1 entnommen werden.

5 FAZIT UND AUSBLICK 95
Tab. 5 – 1: Vor- und Nachteile von Tachymetrie und Laserscanning
Tachymetrie
3D-Laserscan-Verfahren
Vorteile
- Aufnahmezeit bei komplexen Meßgebieten
- direkter Anschluß an Festpunktfeld möglich vergleichsweise kurz
- Meßergebnis auf Laptop gleich sichtbar;
eventuell notwendig werdende Ergänzungs-
- Standpunktwahl nach Sichten möglich
messungen sind sofort vor Ort erkennbar
- kein Feldbuch nötig, da durch die Punktwolke
- Aufnahme von spezifischen Punkten / Objekten eine gute Orientierung im Meßgebiet möglich
> dadurch Auswahl der Meßpunkte möglich - nur ein Bearbeiter notwendig
- durch Verwendung mehrerer Scanworlds und
> Aufnahmezeit bei überschaubaren
hohe Punktwolkendichte große Anzahl an
Meßgebieten relativ kurz
Überbestimmungen
> Auswertungszeit auch bei größeren
Meßgebieten relativ kurz
- kaum Nachbearbeitung der Meßdaten
erforderlich
- Form des Aufnahmeobjektes gleichgültig,
da Hilfsmittel wie Gleiswinkel einsetzbar
- Scanner mißt in lokalem System,
Bestimmung von Verknüpfungspunkten
- Aufnahmezeit bei komplexen Meßgebieten lang und Transformation notwendig
- vor Ort kein direktes Meßergebnis sichtbar - Aufnahme von allen in der Örtlichkeit
(erst nach Bearbeitung mit CAD-Programm) vorhandenen Objekten
- Führen eines Feldbuches nötig > keine Selektion der Meßpunkte möglich
- in der Regel mindestens zwei Leute nötig
(für Tachymeter und Reflektor) > nur Aufnahme real existenter Punkte möglich
- Meßaufwand für Überbestimmungen
und Kontrollen relativ hoch
Nachteile
> Aufnahmezeit bei kleinen Meßgebieten
dadurch relativ lang
- Schattenbildung durch störende Objekte
immer vorhanden
- zeitaufwendige Bearbeitung der Meßdaten
(Registrierung, Störungsbeseitigung,
Modellierung)
- Abhängigkeit von Reflexionseigenschaften
der Aufnahmeobjekte
- Zusammenhang zwischen Scanauflösung und
Sichtbarkeit der Aufnahmeobjekte
> alle schwach dreidimensionalen Objekte
schlecht im Scan erkennbar
(Schieber, Schächte, Gleiseinbauten)
> für kleine Objekte oder Details in der Regel
Feinscans nötig

5 FAZIT UND AUSBLICK 96
Im Augenblick ist das Verfahren des 3D-Laserscannings noch relativ neu. Wenn auch
die „Kinderkrankheiten“ bereits weitgehend überwunden und die Scanner für den
Vermessungsingenieur praktikabler und auch erschwinglicher wurden, so sind dennoch
einge Probleme bisher ungelöst und bedürfen einer zukünftigen Klärung. Die
Erfahrungen sind momentan einfach noch nicht erschöpfend genug; der Einzug in
den Alltag auf dem Gebiet des Vermessungswesens hat noch nicht stattgefunden.
Einem steten Vordringen der Technologie des Scannens in immer stärker differenzierte
Einsatzgebiete dürfte dies jedoch nicht im Wege stehen.
Ein persönliches Fazit für die konkrete Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit muß
daher lauten:
Das 3D-Laserscan-Verfahren
kann die klassische Tachymeteraufnahme nicht ersetzen,
dauert v. a. bei der Auswertung zu lange,
ist daher für ein Bestandsaufmaß zu unwirtschaftlich,
kann bezüglich Genauigkeitsanforderungen aber durchaus Schritt halten,
bietet eine höhere Informationsdichte für weitergehende Anwendungen und
stellt damit eine sinnvolle Ergänzung zur herkömmlichen Methode dar.

LITERATURVERZEICHNIS 98
Literaturverzeichnis
BERLINER VERKEHRSBETRIEBE (BVG): Handbuch Bestandsvermessung Straßenbahn,
Stand 2005
DEUMLICH/STAIGER: Instrumentenkunde der Vermessungstechnik, Wichmann 2002
FRÖHLICH: Praxisorientierte Ausgleichungsrechnung für Vermessungsingenieure,
Selbstverlag Fröhlich, 2003
HEHL: Skript zur Lehrveranstaltung Ausgleichungsrechnung, 2004
JÄGER/MÜLLER/SALER/SCHWÄBLE: Klassische und robuste Ausgleichungsverfahren,
Wichmann 2005
KAHMEN: Angewandte Geodäsie – Vermessungskunde, de Gruyter 2006
KUSCHEL/SCHÜNEMANN: Neubestimmung des Kalibrierungsfeldes der TFH Berlin
(Diplomarbeit 2004)
MÖSER/MÜLLER/SCHLEMMER/WERNER: Handbuch Ingenieurgeodäsie –
Auswertung geodätischer Überwachungsmessungen, Wichmann 2000
MÖSER/MÜLLER/SCHLEMMER/WERNER: Handbuch Ingenieurgeodäsie –
Eisenbahnbau, Wichmann 2000
MÖSER/MÜLLER/SCHLEMMER/WERNER: Handbuch Ingenieurgeodäsie –
Grundlagen, Wichmann 2000
WITTE/SCHMIDT: Vermessungskunde und Grundlagen der Statistik für das Bauwesen,
Wichmann 2004
Internetquellen:
www.leica-geosystems.com
www.stadtentwicklung.berlin.de
www.wikipedia.org
www.xdesy.de

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 99
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1 – 1: Kreuzung Greifswalder / Danziger Straße 3
Abb. 2 – 1: Polares Anhängen 4
Abb. 2 – 2: Vorwärtsschnitt 5
Abb. 2 – 3: Geometrisches Nivellement 6
Abb. 2 – 4: Trigonometrisches Nivellement 7
Abb. 2 – 5: Fehlerellipse 12
Abb. 2 – 6: Prinzip des Impulsverfahrens 15
Abb. 2 – 7: Prinzip des Phasenvergleichsverfahrens 16
Abb. 2 – 8: Auswirkung der Strahlendivergenz 18
Abb. 2 – 9: Verfälschung der Sollstrecke 18
Abb. 2 – 10: Rasterpunktabstand in Abhängigkeit von der Entfernung 19
Abb. 2 – 11: HDS 3000 21
Abb. 2 – 12: HDS 2500 22
Abb. 2 – 13: Anschlußpunkt der BVG 26
Abb. 2 – 14: Aufhalten der Anschlußpunkte 26
Abb. 2 – 15: Gleiswinkel und Fahrkante 27
Abb. 2 – 16: Aufnahme von Fahrleitungsmasten 28
Abb. 3 – 1: Netzskizze 29
Abb. 3 – 2: Netzmessung 31
Abb. 3 – 3: Scannerstandpunkte und Scanbereiche 34
Abb. 3 – 4: HDS 3000 Scan-Control-Fenster 35
Abb. 3 – 5: Scan-Control-Fenster des HDS 3000 mit erzeugten Images 37
Abb. 3 – 6: Scannen mit dem HDS 3000 39
Abb. 3 – 7: Nachmessung mit dem HDS 2500 40
Abb. 4 – 1: Eingabedatei (Auszug) 42
Abb. 4 – 2: Ausgabedatei (Auszug) 43
Abb. 4 – 3: Endgültige Lagekoordinaten und deren Standardabweichungen 44
Abb. 4 – 4: Varianzkomponentenschätzung für die Lagebeobachtungen 44
Abb. 4 – 5: Fehlerellipsen bei Ausgleichung unter Anschlußzwang 45
Abb. 4 – 6: Endgültige Höhen und deren Standardabweichungen 46
Abb. 4 – 7: Varianzkomponentenschätzung für die Höhenbeobachtungen 46
Abb. 4 – 8: Unbereinigte Punktwolke (1) 50
Abb. 4 – 9: Unbereinigte Punktwolke (2) 50
Abb. 4 – 10: Cyclone-Navigator mit ausgewähltem Modelspace-View 51
Abb. 4 – 11: selektierter Einzelscan in der Gesamtpunktwolke 52
Abb. 4 – 12: Selektierter Einzelscan im neuen Modelspace 52
Abb. 4 – 13: Beseitigen von Störungen innerhalb eines Rahmens 53

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 100
Abb. 4 – 14: Entfernte Punkte innerhalb des zuvor gezogenen Rahmens 54
Abb. 4 – 15: Fenster „Closing ModelSpace Viewer” 54
Abb. 4 – 16: Bereinigte Punktwolke 55
Abb. 4 – 17: Schattenwurf durch aufragende Objekte 56
Abb. 4 – 18: Targetmarke 57
Abb. 4 – 19: Punktwolke eines Targets 58
Abb. 4 – 20: Targetfeinscan 58
Abb. 4 – 21: Fehlerhafte Targeterkennung 59
Abb. 4 – 22: Liste der Koordinaten der verwendeten Targets 60
Abb. 4 – 23: Fenster „Import: ASCII File Format” mit den Targetkoordinaten 61
Abb. 4 – 24: Auflistung der Punktverknüpfung mit den Fehlervektoren und dem
mittleren Punktfehler (Registrierung der HDS 3000-Messungen) 62
Abb. 4 – 25: Histogramm einer Alignment-Optimierung 64
Abb. 4 – 26: Überlappungsbereich zweier Punktwolken 64
Abb. 4 – 27: möglicher Punktfehler in Abhängigkeit vom Scanraster 65
Abb. 4 – 28: Registrierungsergebnis 1 67
Abb. 4 – 29: Registrierungsergebnis 2 68
Abb. 4 – 30: Registrierungsergebnis 3 68
Abb. 4 – 31: Registrierungsergebnis 4 69
Abb. 4 – 32: Registrierungsergebnis 5 69
Abb. 4 – 33: Punktwolke eines TT-Masts in Drauf- und Seitenansicht 71
Abb. 4 – 34: Modellierungsmenü 72
Abb. 4 – 35: Modellierung der Punktwolke und fertiges Modell eines TT-Mastes 72
Abb. 4 – 36: Fehlerhafte und korrekte Modellierung desselben Objektes 73
Abb. 4 – 37: Modelspace mit Virtual-Surveyor-Fenster 74
Abb. 4 – 38: Export-Fenster 76
Abb. 4 – 39: Virtual-Surveyor-Fenster 77
Abb. 4 – 40: Ausschnitt aus der fertigen AutoCAD-Zeichnung 79
Abb. 4 – 41: Fahrkanten und Gleiseinbauten im Scan 81
Abb. 4 – 42: Restklaffungen nach 2D-Helmerttransformation 85
Abb. 4 – 43: Gleislage und –numerierung 88
Abb. 4 – 44: Lage der Vergleichspunkte 89
Abb. 4 – 45: Linke und rechte Fahrkante im Scan 90
Abb. 4 – 46: Effizienz diverser Aufnahmesysteme für bestimmte Einsatzgebiete 92

TABELLENVERZEICHNIS 101
Tabellenverzeichnis
Tab. 2 – 1: Gerätespezifikationen HDS 2500 und HDS 3000 24
Tab. 4 – 1: Innere Genauigkeit von 23 Objekten 82
Tab. 4 – 2: Übersicht über die erreichte innere Genauigkeit 82
Tab. 4 – 3: Äußere Genauigkeit der Koordinaten ausgesuchter Objekte 86
Tab. 4 – 4: Genauigkeitsvergleich anhand von Absolutmaßen (7 Schaltkästen) 86
Tab. 4 – 5: Genauigkeitsvergleich anhand von Absolutmaßen (10 TT-Träger) 87
Tab. 4 – 6: Genauigkeit der Kongruenz von Fahrkanten 89
Tab. 4 – 7: Zeitaufwand für Tachymetermessung und Scanverfahren 93
Tab. 5 – 1: Vor- und Nachteile von Tachymetrie und Laserscanning 95

BEARBEITERVERZEICHNIS 102
Bearbeiterverzeichnis
1 EINLEITUNG Grimlitza
2 GRUNDLAGEN
2.1 Verfahren zur Punktbestimmung
2.1.1 Polares Anhängen Grimlitza
2.1.2 Vorwärtsschnitt Grimlitza
2.1.3 Geometrisches Nivellement Grimlitza
2.1.4 Trigonometrisches Nivellement Grimlitza
2.1.5 Genauigkeitszusammenstellung Grimlitza
2.2 Ausgleichungsrechnung
2.2.1 Voraussetzungen Grimlitza
2.2.2 Näherungswerte und Aufstellen des LGS Grimlitza
2.2.3 Berechnungsablauf Grimlitza
2.2.4 Genauigkeitsanalyse Grimlitza
2.2.5 Praktisches Vorgehen und Fehlersuche Grimlitza
2.3 Die elektrooptische Distanzmessung
2.3.1 Das Impulsverfahren Netzel
2.3.2 Das Phasenvergleichsverfahren Netzel
2.3.3 Reflektor- und reflektorlose Messung Netzel
2.4 Laserscanner
2.4.1 Der Laserscanner HDS 3000 Netzel
2.4.2 Der Laserscanner HDS 2500 Netzel
2.4.3 Kurze Gegenüberstellung Netzel
2.5 Anforderungen der BVG Grimlitza
3 MESSUNG
3.1 Netzmessung
3.1.1 Höhe Netzel
3.1.2 Lage Netzel

BEARBEITERVERZEICHNIS 103
3.2 Laserscanning der Kreuzung
3.2.1 Praktische Probleme Netzel
3.2.2 Das Scan-Control-Fenster Netzel
3.2.3 Erzeugen von Images Netzel
3.2.4 Durchführung der Scans Netzel
4 AUSWERTUNG
4.1 Netzausgleichung
4.1.1 Kurzbeschreibung Xdesy Grimlitza
4.1.2 Diagnoseausgleichung Grimlitza
4.1.3 Freie Ausgleichung Grimlitza
4.1.4 Ausgleichung unter Anschlußzwang Grimlitza
4.2 Auswertung mit der Software Cyclone
4.2.1 Beseitigen von Störungen aus Scans Netzel
4.2.2 Die Registrierung
4.2.2.1 Begriffsklärung Netzel
4.2.2.2 Nachträgliches Setzen von Targetpunkten in Cyclone Netzel
4.2.2.3 Ablauf einer Registrierung Netzel
4.2.2.4 Verknüpfung über Targets Netzel
4.2.2.5 Verknüpfung über Korrelation der Punktwolken Netzel
4.2.2.6 Verknüpfung über Vertex-Punkte Netzel
4.2.2.7 Dokumentation zur Registrierung Netzel
4.2.3 Die Modellierung Netzel
4.2.4 Bestandsaufmaß mit dem Vitual Surveyor Grimlitza
4.3 Bearbeitung in AutoCAD Grimlitza
4.4 Genauigkeitsbetrachtung
4.4.1 Innere Genauigkeit Grimlitza
4.4.2 Äußere Genauigkeit
4.4.2.1 Koordinatenvergleich Grimlitza
4.4.2.2 Vergleich von Absolutmaßen Grimlitza
4.4.2.3 Vergleich der Kongruenz von Fahrkanten Grimlitza
4.5 Wirtschaftlichkeitsanalyse Grimlitza
5 FAZIT UND AUSBLICK Grimlitza