Ingenieurgeodäsie

Die Ingenieurgeodäsie wird anhand ihrer Aufgaben, Methoden und Charakteristika als anwendungsorientierte Wissenschaft vorgestellt, deren Forschungsfragen sich häufig aus beobachteten Phänomenen oder ungelösten Fragestellungen der Praxis ergeben. Als wesentliches Merkmal zeigt sich die kompetente Bearbeitung geometriebezogener Fragestellungen mit durchgreifender Qualitätsbeurteilung von der Planung über die Messung bis zur Auswertung und Interpretation unter Berücksichtigung des Wirtschaftlichkeitsprinzips. Die aktuellen methodischen Entwicklungen sind vor allem vom Übergang auf raumkontinuierliche Verfahren gekennzeichnet sowie von der zunehmenden Integration der Messung und Analyse in anspruchsvolle Bau-, Fertigungs- und Überwachungsprozesse.

Das Aufmaß von Bauwerken ist ein zentraler Bestandteil für die Planung und Dokumentation, und damit für das Bauen im Bestand. Die klassischen Ergebnisse des Aufmaßes sind zumeist digitale 2D-CAD-Zeichnungen für die Darstellung von Grundrissen, Schnitten und Ansichten. Die Grundlage für die Bauaufnahme stellen dabei geodätische Vermessungsmethoden mit Verfahren, die auf der Erfassung von Einzelpunkten beruhen (elektronisches Handaufmaß, Tachymetrie) sowie flächenhaft erfassende Verfahren (Photogrammetrie, Laserscanning) häufig in Kombination mit entsprechender Erfassungssoftware dar. Auch neuere Entwicklungen im Bereich der Erfassungssysteme (UAV, Multisensor- und Mappingsysteme) basieren auf diesen grundlegenden Methoden. Im Kontext des Building Information Modelings (BIM) und der 3D-Stadtmodellierung werden jedoch neue Anforderungen an die Bauaufnahme gestellt, da nun digitale dreidimensionale Bauwerksmodelle mit volumenkörperorientierter Objektmodellierung inklusive deren Semantik und Beziehungen sowie beschreibender Eigenschaften gefordert werden. Dieser ganzheitliche Ansatz zur Modellierung bzw. Dokumentation von Bauwerken hat damit auch Auswirkungen auf den Vermessungsworkflow sowie die Verarbeitung und Modellierung der Daten.

Die automatische Positionsbestimmung innerhalb von Bauwerken (Indoor-Positionierung) hat sich innerhalb der letzten Dekade zu einem eigenständigen Forschungs- und Anwendungsgebiet entwickelt. Neben Massenmarktanwendungen (z. B. standortbezogene Dienste) kommt der Innenraumpositionierung auch in Industrie- und Ingenieuranwendungen (z. B. Ingenieurnavigation) eine zunehmend wichtigere Bedeutung zu. Im vorliegenden Kapitel wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik gegeben und ein besonderer Schwerpunkt auf Anwendungen und Systeme gelegt, die in den letzten Jahren in der Geodäsie entwickelt wurden.

Mobile Multisensorsysteme ermöglichen es, die Umgebung und Objekte darin sehr effizient, das heißt mit geringem Zeitaufwand dreidimensional zu erfassen. Sie enthalten üblicherweise eine Vielzahl von Sensoren, die sowohl zur Berechnung der Trajektorie der bewegten Sensorplattform als auch zur Vermessung der Umgebung eingesetzt werden. Die Aufgaben beim Betrieb von Multisensorsystemen, über die dieses Kapitel einen Überblick gibt, sind die Synchronisierung sowie die räumliche Zuordnung aller Sensordaten und die Berechnung der Position und Orientierung der Plattform in einem übergeordneten Koordinatensystem zu jedem Zeitpunkt.

Mit Geosensornetzen ist die effiziente Gewinnung von räumlich verteilten Daten, die hinsichtlich der erfassten Phänomene und daraus abgeleiteten Informationen ein aktuelles Bild der Umwelt ergeben, in einem Maße möglich geworden, wie es vor einigen Jahren kaum vorstellbar gewesen ist. Mit ihren mannigfaltigen Anwendungsfeldern stellen sie sowohl forschungsmäßig als auch in der praktischen Nutzung eine der gegenwärtigen Herausforderungen speziell auch für die Geodäsie und Geoinformatik dar. Geosensornetze werden angefangen von der lokalen bis hin zur globalen Maßstabsebene eingesetzt. Die Vielschichtigkeit des Themas Geosensornetze begründet sich schon allein damit, dass ein generischer Begriff wie ,,Geosensor“ weiten Interpretationsraum bietet ebenso wie die Frage, was ein ,,Netz“ kennzeichnet und wie es hinsichtlich der Kommunikation, d. h. dem Senden und Empfangen von Daten im Sensornetz selbst sowie der Weiterleitung an die Administratoren und Nutzer, angelegt ist. Zudem ist eine stringente Unterscheidung von Geosensornetzen gegenüber drahtlosen und infrastrukturellen Sensornetzen in allgemeiner Betrachtung nicht möglich, sondern allenfalls graduell. Nach der Behandlung grundlegender Prinzipien sowie Kommunikations- und Messtechniken erfolgt die Beschreibung einiger exemplarischer Anwendungen von Geosensornetzen.

Durch die Weiterentwicklung von Laserscannern und zugehöriger Modellierungssoftware werden in der Ingenieurgeodäsie zunehmend flächenhafte Punktwolken erzeugt und ausgewertet. Die Vermittlung der Grundlagen des terrestrischen Laserscannings inkl. Messtechnik, Registrierung und Flächenmodellierung ist der Anspruch dieses Kapitels. Zur tieferen Einarbeitung wird auf die umfängliche Literaturliste verwiesen. Zusätzlich zeigen zwei Beispiele die aus der flächenhaften Abtastung resultierenden erweiterten Analysemöglichkeiten auf. Den zweiten Schwerpunkt bilden aktuelle Entwicklungen im Bereich des Laserscannings. Diese zielen zum einen darauf ab, das Verständnis für die messtechnischen Herausforderungen zu verbessern und zum anderen verfolgen sie eine Übertragung der in der Geodäsie bisher verwendeten Auswertemethoden auf die nun vorliegenden, willkürlich verteilten Punkte hoher Anzahl. Insgesamt verdeutlicht dieses Kapitel, dass sich das Laserscanning in der Ingenieurgeodäsie zwar fest etabliert hat, aber dennoch viele Fragestellungen in zukünftigen Untersuchungen zu lösen sind.

Ausgehend von der Notwendigkeit durch die Erfassung der geometrischen Veränderungen belastbare Aussagen über das Normalverhalten, die Standsicherheit oder Funktionsfähigkeit eines Untersuchungsobjektes abzuleiten und falls erforderlich, bei abnormem Verhalten geeignete Gegenmaßnahmen einleiten zu können, etablierte sich in den letzten Jahren zunehmend der Einsatz der terrestrische Mikrowelleninterferometrie für derartige Monitoringaufgaben. Der Vorteil der terrestrischen Mikrowelleninterferometrie, gegenüber anderen in der Ingenieurgeodäsie bekannten Techniken, liegt in der Möglichkeit der ganzheitlichen, flächenhaften und kontaktlosen Erfassung des Verformungsverhaltens des Untersuchungsobjektes mit einem Genauigkeitsniveau im Sub-mm-Bereich und einer hohen zeitlichen Auflösung. Der vorliegende Beitrag beschreibt die grundlegende Funktionsweise der terrestrischen Mikrowelleninterferometrie, deren Einsatzmöglichkeiten und Besonderheiten bei Monitoringaufgaben.

Bei den faseroptischen Messverfahren wird Licht in Glasfasern oder Polymerfasern eingekoppelt und je nach Funktionsprinzip die Intensität, Wellenlänge, Phase, Polarisation oder Laufzeit des übertragenen oder rückgestrahlten Lichts erfasst. Aus diesen primären Messgrößen können geometrische, physikalische und chemische Größen abgeleitet werden. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von faseroptischen Sensoren, wie geringes Gewicht, elektromagnetische Immunität und Verkettbarkeit von Sensoren, haben sich diese Messverfahren als Ergänzung oder teilweise als Ersatz von geodätischen Messmethoden etabliert. Insbesondere die Möglichkeit, die Sensoren direkt in die Überwachungsobjekte einzubetten, eröffnet neue Einblicke in das Deformationsverhalten von Ingenieurbauten und geotechnischen Naturerscheinungen, wie z. B. Hangrutschungen. Dies leitet einen Paradigmenwechsel in der Ingenieurgeodäsie ein, da die Objektoberfläche als Grenze des geodätischen Monitorings verschwindet. Zusätzlich erreichen faseroptische Sensoren eine Messgenauigkeit, die um ein Vielfaches besser ist als die Genauigkeit von geodätischen Sensoren. Dadurch eignen sich faseroptische Messverfahren auch sehr gut für Frühwarnsysteme. In diesem Kapitel werden die physikalischen Grundlagen und die Messprinzipien erläutert. Zusätzlich werden anhand von Anwendungsbeispielen die Einsatzmöglichkeiten in der Ingenieurgeodäsie demonstriert.

Die Baumaschinensteuerung ist ein komplett interdisziplinäres Forschungsfeld, in dem neben Informatikern und Ingenieuren der Fachgruppen Maschinenbau, Bauingenieurwesen und Elektrotechnik auch Geodäten, insbesondere Ingenieurgeodäten, aktiv sind. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Stand der Forschung in diesem höchst innovativen Einsatzbereich kinematischer Messtechnik. Die Autoren schlagen eine Brücke von der Standard-Absteckung über deren kinematische Realisierung hin zu einer vollautomatischen Regelung. Im Zentrum steht dabei die Integration der Messtechnik in den Ausführungsprozess der Bauprozesskette. Dynamische Modelle der Baumaschinen sowie deren Potenzial zur Automatisierung werden ebenso behandelt wie die Tauglichkeit der einzelnen Messsysteme für den Echtzeiteinsatz.

Der Beitrag zeigt das Wesen der Large Volume Metrology (LVM) und der metrologiegestützten Fertigung (MAA) auf. Der Methodenschatz der Ingenieurvermessung bietet hierzu ein brauchbares Lösungspotenzial. Die Anforderungen an zweckmäßige Messmittel führen in den folgenden Beitrag (siehe Kap. 11, ,,Messmittel der Large Volume Metrology (LVM)“) ein. Letztendlich sind es die speziellen Zielparameter, die die Besonderheiten der LVM bestimmen. Es werden insbesondere das Wesen, die Hilfsmittel und die Konsequenzen des funktionsorientierten Messens erläutert. Mit diesen Grundlagen werden dann im folgenden Abschnitt Aspekte und Forderungen der Qualitätssicherung, unter anderem der geometrischen Produktspezifikation (GPS) und des Prüfmittelmanagement auch anhand von Normen und Regelwerken verdeutlicht.

Der Beitrag ergänzt die Ausführungen zu den Messverfahren im Maschinebau mit einer Übersicht über die Messmittel im Maschinenbau bzw. der Large Volume Metrology. Der Fokus liegt auf den Grundprinzipien der Messmittel, die mit realisierten Beispielen ergänzt werden. In diesem Zusammenhang kann und soll kein Anspruch auf Vollständigkeit erfüllt werden. Die Gliederung erfolgt nach den originären Messelementen, wobei jeder Abschnitt mit Anwendungsbeispielen ergänzt wird.

Die qualitative Bewertung der Messungen und der daraus abgeleiteten Größen spielt aufgrund der zum Teil extrem hohen Genauigkeitsforderungen eine wichtige Rolle. Qualitätsmaße werden zumeist aus den unvermeidbaren zufälligen Messabweichungen abgeleitet. Die Qualität des abgeleiteten Genauigkeitsmaßes hängt davon ab, in welcher Art und Weise die zufälligen Messabweichungen entstehen und ob darin alle Störeinflüsse enthalten sind. Besonders zu hinterfragen ist, ob die Messergebnisse durch nicht erfasste systematische Messabweichungen beeinflusst sind und wie diese Messabweichungen im Genauigkeitsmaß Berücksichtigung finden. Für die Bewertung und Angabe der Messunsicherheit hat sich in den letzten Jahren der Leitfaden ,,Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, GUM“ als international akzeptierter Standard durchgesetzt. Der Beitrag diskutiert den Umgang mit Messunsicherheiten unterschiedlichen Ursprungs im Hinblick auf aufgaben- bzw. objektrelevante Zielparameter.

Die durch die Ingenieurgeodäsie zu erfüllenden Messaufgaben stellen höchste Anforderungen an die verwendeten Messmittel. Daher haben ihre Überprüfung und Kalibrierung nicht nur eine lange Tradition, sondern sind auch heute noch von zentraler Bedeutung, um die geforderten Genauigkeiten erreichen, insbesondere aber garantieren zu können. In den letzten Dekaden haben die Fortschritte im Elektronikbereich zu einer markanten Effizienzsteigerung durch hochentwickelte, teilweise automatisierte Instrumente geführt. Es hat sich dadurch ein allgemeines ,,black box“-Verständnis entwickelt, da der genaue Aufbau der Messinstrumente sowie ihre Arbeitsweise und Funktion dem Nutzer nicht mehr bekannt sind und ihre Bedienung vermehrt durch fachfremdes Personal erfolgt. Aber auch den Spezialisten fehlen oft die notwendigen Informationen, weshalb heute neue Konzepte für die Prüfung und Kalibrierung notwendig sind. Zunehmend ist es nicht mehr ausreichend bzw. sinnvoll, nur einzelne Komponenten der Messsysteme zu untersuchen, sondern vielmehr sollte das System als Ganzes betrachtet werden. Es werden daher im nachfolgenden Beitrag zunächst die Grundlagen der Kalibrierung diskutiert und aktuelle Prüf- und Kalibrierkonzepte vorgestellt. Bei der Kalibrierung ist die Realisierung der richtigen Vergleichswerte höchst anspruchsvoll und die Messgrößen müssen wegen der heute starken internationalen Verflechtung projektbezogener Messaufgaben auf nationale Normale rückführbar sein. Der Bedarf an akkreditierten Prüfeinrichtungen lässt sich für künftige Aufgaben klar erkennen. Aber auch betriebliche Bestätigungssysteme für die eingesetzten Messmittel werden die verschiedenen in der Geodäsie tätigen Gruppen in Zukunft vermehrt beschäftigen, insbesondere wenn es um Haftungsfragen von Schäden geht, die infolge unzureichend überprüfter Instrumente entstanden sind. Es werden daher die Gültigkeit der Herstellerkalibrierung, Kalibrierintervalle und die Eigenverantwortlichkeit des Anwenders zur Qualitätssicherung eingehend diskutiert und standardisierte Feldverfahren zur Prüfung der Instrumente vorgestellt. Bei jeder Messung ist die Angabe eines repräsentativen Genauigkeitsmaßes notwendig, insbesondere auch bei Kalibrierergebnissen. In den letzten Jahren hat sich international in den metrologischen Disziplinen die Angabe der Messunsicherheit etabliert. Deshalb wird auch hierzu das grundlegende Konzept vorgestellt, das eine Berücksichtigung zufälliger und auch systematischer Einflussgrößen in der quantitativen Genauigkeitsangabe ermöglicht. Für die in der Ingenieurgeodäsie wichtigen Messgrößen Länge, Winkel und Koordinaten werden exemplarisch Kalibieranlagen vorgestellt und ihre Bedeutung für die Praxis wird erläutert.

Für eine umfassende Bauwerksüberwachung und für die experimentelle Tragsicherheitsbewertung von Baukonstruktionen kommen neben dem Monitoring von Durchbiegungen und Verschiebungen mit Hilfe geodätischer Überwachungsmessungen auch dynamische Analysen zum Einsatz, die unter anderem auf der Erfassung des Schwingungsverhaltens mit Hilfe von Beschleunigungsmessungen basieren. In diesem Kapitel werden die grundlegenden Ziele und Methoden des Monitorings im Bauwesen kurz aufgezeigt, danach werden Schwingungsuntersuchungen an einer Brücke, die Berechnung von Schwingwegen aus Beschleunigungsmessungen sowie das Einsatzpotenzial unterschiedlicher Sensoren für Schwingungsuntersuchungen aufgezeigt und es wird auf die Bestimmung von dynamischen Verformungen an Brückenbauwerken mittels Laserinterferometrie eingegangen.

Ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen sollen möglichst nicht nur durch empirischen Befund und exemplarisch an wenigen Messstellen, sondern umfassend, neben den Messungen auch auf theoretischen Grundlagen und Annahmen beruhend Aussagen zu dem Verhalten von Objekten wie Ingenieurbauwerken, Verkehrs- und Maschinenanlagen und beispielsweise Rutschhängen liefern. Dazu sind immer auch die Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu betrachten. Während mit Hilfe automatisierter Messverfahren eine zeitlich verdichtete Erfassung sowohl der Wirk- als auch der Reaktionsgrößen seit Jahren Stand der Technik ist, gelingt es dank neuer Ansätze der Radarinterferometrie, des Laserscannings und mit der Nutzung von Sensornetzen nunmehr auch räumlich verdichtete Informationen hoher Qualität effizient zu gewinnen. Bisher war eine solche räumliche Verdichtung zum Objektverhalten nur durch Kombination mit numerischen Approximationsverfahren wie der Methode der finiten Elemente gegeben. Die genannten Entwicklungen führen zu Änderungen in der Konzeption von Überwachungsmessungen und den Möglichkeiten zur Ermittlung und Vorhaltung von Ergebnissen. Die Vollständigkeit der zu gewinnenden Information in Raum und Zeit sowie die aus der Systemtheorie stammenden Möglichkeiten, festgestellte Veränderungen als kausale Prozesse darzustellen, sind die nachfolgend diskutierten Merkmale ingenieurgeodätischer Überwachungen.

In diesem Beitrag wird dargestellt, dass ein umfassendes geometrisches Monitoring von Hängen, Böschungen und Felsgraten mit den heutigen Sensoren und Verfahren der Ingenieurgeodäsie realisiert werden kann. Sowohl für das großräumige Erkennen von bewegungsaktiven Zonen und das langfristige Monitoring risikobehafteter Bereiche als auch für das kontinuierliche Verfolgen von abbruchgefährdeten Sektoren sind leistungsfähige Konzepte und Methoden vorhanden.

Es wird auch aufgezeigt, dass für eine ganzheitliche Bearbeitung von Hangrutschungen ein Zusammenwirken mehrerer Fachdisziplinen absolut notwendig ist; für die anzustrebende integrierte Modellbildung und Prognose leistet die Ingenieurgeodäsie einen grundlegenden, belastbaren Beitrag.

Viele weitergehende Aspekte konnten nicht behandelt werden, so die Definition von Risikoflächen im Einwirkungsbereich von Rutschungen; wichtig ist hier insbesondere der politische und gesellschaftliche Umgang mit solchen Risikobereichen. Auch die Verfahren zur Frühwarnung der Bevölkerung bei sich abzeichnenden Katastrophen, die sich durch moderne IT-Lösungen grundlegend ändern (können), werden nicht angesprochen.

Dank der sehr langen Eisenbahntunnel, die weltweit und besonders im Alpenraum entstehen, gehört die Tunnelvermessung zu den bei der Bevölkerung bekanntesten Disziplinen der Ingenieurgeodäsie. Das vorliegende Kapitel beschreibt die vielfältigen Aufgaben der Tunnelvermessung. Der oberirdischen Grundlagenvermessung mit GNSS folgt die Grundlagenvermessung untertage, bei welcher die Übertragung der Orientierung höchste Aufmerksamkeit erfordert. Das verdichtete Festpunktnetz im Tunnel dient der Detailabsteckung und Steuerung des Vortriebs und allen nachfolgenden Aufgaben zur Ausführungs- und Qualitätskontrolle. An zwei Beispielen werden die Auswirkungen des Tunnelbaus an der Erdoberfläche beschrieben.