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Abschlussarbeiten

Erfahrungen mit der Trimble SX10 im Zusammenspiel von Tachymetrie und Laserscanning

Diplomarbeit von Tobias Brandstetter (2017)


Scantachymeter Trimble SX10


Messaufbau Auflösungsvermögen


Eingefärbte 3D-Punktwolke der Alten Brücke Saarbrücken von der Vorderseite

Im ersten Schwerpunkt dieser Arbeit wurden Untersuchungen der Trimble® SX10 Scanning-Totalstation insbesondere bezüglich ihrer Einsatzmöglichkeiten durchgeführt. Dabei wurde eine Koordinatengenauigkeitsprüfung an der Saarländischen Tachymeterprüfstrecke, das Reflexionsverhalten an verschiedenen Oberflächen mit unterschiedlichen Grauabstufungen, das Auflösungsvermögen mit Hilfe eines Siemenssterns und ein Feldprüfverfahren laut DVW-Merkblatt durchgeführt. 

Zur Untersuchung der Koordinatengenauigkeit der SX10 wurden Soll-Ist-Vergleiche durchgeführt. Für das entsprechende Prüfverfahren wurden sechs Zieltafeln angefertigt und auf der Tachymeterprüfstrecke des Saarlandes auf sechs verschiedenen Pfeilern mit unterschiedlichen Entfernungen zum Instrument aufgestellt. Um einen georeferenzierten Scan zu gewährleisten, wurde eine Freie Stationierung durchgeführt, wobei alle Zieltafeln auf den Pfeilern von jeweils drei Standpunkten aus aufgenommen wurden. Während der anschließenden Bearbeitung der Messergebnisse wurden die drei Scans nach dem Löschen der überschüssigen Scanpunkte einzeln ausgewertet. Der entsprechende Soll-Ist-Vergleich wurde vorgenommen, indem die Differenz der Soll-Koordinaten zu den Ist-Koordinaten gebildet wurde. Anschließend konnte die 3D-Genauigkeit und die entsprechende empirische Standardabweichung errechnet werden. Die Soll-Ist-Vergleiche konnten lediglich in den Fällen durchgeführt werden, in denen die Entfernung der SX10 zu den Zieltafeln nicht zu groß war. Dies gelang nur bei vier Zieltafeln. Mit zunehmender Entfernung sank die Zahl der Scanpunkte auf den entsprechenden Tafeln, wodurch eine Feststellung der Mitte ab einer Entfernung von 200 m nicht mehr möglich war. Dadurch waren die Abweichungen der y- und z-Werte zwischen Ist- und Soll-Koordinaten relativ groß. Punktscharfe Ziele sind also bei einer großen Entfernung schlecht zu bestimmen. Allerdings konnte der x-Wert der Koordinaten sehr exakt bestimmt werden, was bedeutet, dass die Entfernung des Instruments zu den jeweiligen Zieltafeln exakt bestimmt werden kann. Zusammenfassend ist zu erwähnen, dass eine präzise Scanaufnahme bei großen Oberflächen mit wenigen Strukturen gut durchführbar ist. 

Um das Reflexionsverhalten der SX10 zu untersuchen, erfolgte eine Bestimmung des Reflexionsgrades. Dieser wird einerseits von der Ausrichtung und der Distanz zwischen dem Messobjekt und dem Instrument und andererseits von der Qualität des zurückgeworfenen Signals und der Oberflächenstruktur beeinflusst. Die Bestimmung des Reflexionsgrades erfolgte durch die Ermittlung der Intensitätswerte. Als Messobjekte dienten acht Platten, welche aus unterschiedlichen Materialien bestanden und verschiedene Grauabstufungen aufwiesen. Die Messungen erfolgten mit vier unterschiedlichen Abständen zwischen den Platten und dem Instrument, wobei jede Messung wiederum in vier verschiedenen Scandichte-Einstellungen ausgeführt wurde. Mit steigender Entfernung sank die Anzahl der Identitätswerte auf den Oberflächen. Bei der Mittelwertbildung der Identitätswerte wurde festgestellt, dass diese bei allen Oberflächen außer bei Putz Schwarz und Styropor Schwarz mit genauerer Scandichte abnahmen. Wie zu erwarten, wiesen die Oberflächen unabhängig zur Entfernung mit zunehmendem Schwarz-Anteil in der Farbe schlechtere Werte auf. Ebenso wurde der Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Intensitätswerte bestätigt. Die Messentfernung und die Scandichte-Einstellung hatten lediglich bei den Oberflächen Putz und Styropor einen leichten Einfluss auf die Intensitätswerte. In beiden Fällen wurden mit zunehmender Entfernung und niedrigerer Scandichte bessere Identitätswerte gemessen. Bei der Oberfläche Holz hatte die Entfernung keinen signifikanten Einfluss. 

Die Untersuchung des Auflösungsvermögens der SX10 wurde mithilfe eines Böhlersterns durchgeführt. Anhand des Durchmessers des mit zunehmender Entfernung wachsenden Unschärfekreises in der Mitte des Böhlersterns, konnte das Auflösungsvermögen ermittelt werden. Ebenso wie bei der Untersuchung des Reflexionsverhaltens wurde die Messung mit vier unterschiedlichen Messabständen und jeweils vier Scandichte-Einstellungen durchgeführt. Da der Unschärfekreis meist in Form eins Ovals statt eines Kreises vorliegt, musste sowohl der Durchmesser in vertikaler, als auch in horizontaler Richtung ermittelt werden. Daraufhin wurde der jeweils größere Wert zur Auswertung herangezogen. Anhand der Ergebnisse dieser Messreihe ergeben sich Empfehlungen bezüglich der Scandichte-Einstellungen in Abhängigkeit der Messentfernung, um ein entsprechendes Auflösungsvermögen des Scanobjektes zu gewährleisten. Die Ergebnisse der Scandichte-Einstellung Sehr fein fielen bei allen Entfernungen sehr gut aus. Dennoch ist selbst in dieser Einstellung eine Messentfernung von über 100 m zu vermeiden. Die Einstellung Fein lieferte bis 50 m ebenfalls sehr gute Ergebnisse, aber auch hier sollte die Entfernung von 50 m nicht überschritten werden. Die niedrigere Scandichte-Einstellung Standard sollte nur verwendet werden, wenn die Entfernung unter 25 m liegt. Auf die Scandichte-Einstellung Grob sollte für detaillierte Aufnahmen unabhängig von der Entfernung grundsätzlich verzichtet werden. 

In einem weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit, der Realisierung des Vermessungsprojektes der Alten Brücke, wurden das Wissen und die Erkenntnisse aus den zuvor beschriebenen Untersuchungen angewendet. Während der Aufnahme der Alten Brücke wurde insbesondere ausgenutzt, dass die SX10 eine Kombination aus Laserscanner und Totalstation ist. Die Durchführung der Stationierungsmöglichkeiten Freie Stationierung, Stationierung Plus und Stationierung waren mithilfe des Instruments leicht umzusetzen. Ebenso führte die Trimble® Access™ Software der SX10 zu einer unkomplizierten Auswertung des Polygonzuges. Die nach einer Stationierung durchgeführten georeferenzierten Scans konnten ebenfalls problemlos durchgeführt werden. Die Umsetzung dieses Projektes wurde innerhalb von vier Arbeitstagen mit zwei Personen durchgeführt. Zur reinen Bedienung der SX10 würde normalerweise aufgrund der leichten Bedienfunktion eine Person genügen. Aufgrund des hohen Gewichts des Instruments samt Koffer und Zubehör war zum Transport über die zum Teil recht weiten Entfernungen zwischen den Standpunkten eine zweite Person sinnvoll. Des Weiteren musste für die Umsetzung der georeferenzierten Punktwolke zuvor eine Stationierung durchgeführt werden, welche wiederum mindestens zwei Anschlusspunkte benötigte. Diese erforderte das Zurücklegen längerer Wegstrecken über die von vielen Fußgängern benutzte Brücke, währenddessen die SX10 mit nur einer Person ohne Aufsicht gewesen wäre. Das Zusammenspiel zwischen Laserscanner und Totalstation konnte bei diesem Projekt sehr gut getestet werden und kann zusammenfassend als sehr gut funktionierende Einheit beurteilt werden. Die Bedienfunktion der Trimble® Access™ Software ist auch für neue mit dem System nicht vertraute Anwender, nach kurzer Zeit verständlich und relativ schnell erlernbar. 

Das Kennenlernen und sichere Anwenden der sehr umfangreichen Funktionalität der Software Trimble® Business Center erforderte ohne entsprechende Schulungen einen nicht unerheblichen Zeitaufwand. Letztendlich konnten nach Aneignung der Kenntnisse über die Systemfunktionalitäten alle Bearbeitungsschritte beginnend mit der Überspielung der Messdaten bis zur Bearbeitung der Punktwolken problemlos und effizient mit der Software umgesetzt werden. 

Die Software wurde für die Arbeiten in jedem der beschriebenen Kapitel verwendet. Dabei konnten die Auswertungen der Untersuchungen in Kapitel 3 und 4 erfolgreich durchgeführt werden. Die Bearbeitung der Alten Brücke war deutlich umfangreicher, wobei hier im Besonderen anzumerken ist, dass ein großer Vorteil die vorherige Erzeugung der georeferenzierten Punktwolke lag. Dadurch musste keine nachträgliche Zusammenführung der einzelnen Punktwolken vorgenommen werden, was während der Bearbeitung des Projekts mit der Software sehr viel Zeit ersparte. Außerdem waren die spätere Zusammenführung der bearbeiteten Punktwolke und der aufgenommenen Bilder der SX10 gut umzusetzen. 

Rückwirkend betrachtet waren die Erfahrungen mit der Trimble® SX10 und der Software Trimble® Business Center während der Umsetzung verschiedener Untersuchungen und der Umsetzung des Vermessungsprojektes Alte Brücke sehr interessant und können als positiv beurteilt werden. 

Building Information Modeling (BIM) – Standards der BIM-Methode für vermessungstechnische Leistungen

Masterarbeit von Hendrik Görne (2016)

Speicherung von Messdaten in den IFC

Speicherung von Messdaten in den IFC

Geodäsie und BIM (-Standards)

Geodäsie und BIM (-Standards)

Die stetig wachsende Bedeutung von BIM betrifft alle an einem Bauprojekt beteiligten Gewerke. Diverse Vermessungsleistungen sollten daher in Prozessen sowie BIM-konformen Datenmodellen berücksichtigt sein. Die Masterarbeit untersucht relevante BIM-Standards hinsichtlich der Abbildbarkeit von geodätischen Sachverhalten. Dazu wurde eine Möglichkeit entwickelt, Messdaten in den Industry Foundation Classes (IFC) abbilden zu können. Die Arbeit enthält außerdem eine standardkonforme Prozessdefinition sowie Hinweise zur Vertragsgestaltung bei BIM Vermessungsleistungen.

Mit den Industry Foundation Classes (IFC) wird ein Datenmodell sowie ein Austauschformat für digitale 3D-Bauwerksmodelle beschrieben. Das Format ist offen und ermöglicht damit einen softwareunabhängigen Austausch von Modelldaten. Im Datenmodell werden neben Bauteilen auch Prozesse sowie die Beziehungen untereinander komplex abgebildet. Ein Hauptbestandteil der Arbeit war die Entwicklung einer Möglichkeit, Messdaten im Datenmodell der IFC ablegen zu können. Diese werden über dynamisch definierbare Eigenschaften einem Raum zugewiesen. Zudem ist eine Verknüpfung mit dem aufgemessenen Bauteil möglich. Für die Erfassung von Messdaten wurde schließlich eine Prozesskette nach dem IDM (Information Delivery Manual) - Standard entworfen. Die technische Abbildung von IFC-Teilmengen erfolgt über MVDs (Model View Definitons). Die Arbeit enthält die entsprechende Definition dieser Teilmenge im gültigen mvdXML-Format.

Auf Grundlage der britischen BIM Survey Specification von Plowman Craven Ltd. sowie der BIM Vorgaben der DB wurden Vorgaben zu Haftung, Ablauf, Liefergegenständen sowie Darstellung nach LOD und Informationstiefe nach LOI untersucht. Die genannte Spezifikation liegt als Resultat der Arbeit vollständig in Deutsch vor.

Die Resultate der Arbeit dienen als Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen im Bereich der Datenmodellierung von geodätischen Grundlagen in 3D-Bauwerksmodellen. Künftige Definitionen von Prozessen können sich außerdem an den getroffenen Aussagen orientieren. Die Resultate des Teils Projektmanagement dienen außerdem interessierten Vermessungsbüros als Referenz zur Einführung von BIM-gerechten Vermessungsleistungen.

Terrestrisches Laserscanning im Altbau - Bestandsdokumentation für BIM mittels Autodesk Revit

Bachelorarbeit von Marco Nauck (2016)

Workflow Scan to BIM

Workflow „Scan to BIM“

Stuckdecke im Obergeschoss

Stuckdecke im Obergeschoss

Im Rahmen der Bachelorarbeit, welche in Zusammenarbeit mit der BKR Ingenieurbüro GmbH entstand, wurde die verformungstreue Modellierung eines Altbaus untersucht. Das Ziel war die Bestandsdokumentation für Building Information Modeling (BIM) mittels der Software Autodesk Revit. Zusätzlich kamen die Plug-Ins PointSense for Revit und EdgeWise zur Anwendung, um Aussagen zur semiautomatischen Modellierung zu treffen. Die Datengrundlage bildete hierbei eine Punktwolke durch terrestrisches Laserscanning eines alten Klosters in Weihenlinden. Das Objekt wurde mit insgesamt 217 Scans in zwei Tagen vollständig erfasst. Die Schwierigkeit lag in dem zu lösenden Widerspruch der verformungstreuen Modellierung, da Bauwerksmodelle welche mittels BIM-Software entstehen, derzeit auf einer generalisierten Erfassung bzw. Modellierung beruhen.  Zusätzlich soll hierbei der Arbeitsaufwand weiterhin wirtschaftlich vertretbar sein.

Building Information Modeling versteht sich als eine Arbeitsmethode im Bauwesen für das Planen, Erstellen und Betreiben von Bauwerken über deren gesamten Lebenszyklus. Das Ziel von BIM ist somit eine zentrale Verwaltung möglichst aller relevanten Informationen, welche in einem Modell dargestellt werden. 

Entwicklung eines AutoCAD-Plug-Ins für die Validierung von 3D-Modellen

Bachelorarbeit von Martin Fritsch (2015)

Entwicklung eines AutoCAD-Plug-Ins für die Validierung von 3D-Modellen

Schema zum Arbeitsablauf des Plug-in

Die CAD-Software AutoCAD 2015 erzeugt beim Digitalisieren von Drahtgitter-Gebäudemodellen eine unerwünscht hohe Punktredundanz. Dies liegt daran, dass die Erstellung von Linienelementen im AutoCAD stets zwei Punkte benötigt, nämlich einen Anfangs- und einen Endpunkt. So kommt es vor, dass viele Punkte mit denselben Koordinaten im Gebäudemodell erstellt werden. Bei einem späteren Abspeichern – in einem Datenbankmanagementsystem – dieser topologisch freien Modelle, sind solche überflüssigen Elemente eher hinderlich und erhöhen die Rechenzeit. Falls zudem Änderungen im Gebäude erfolgen sollen, muss gewährleistet werden, dass nicht nur ein Element, sondern alle Elemente geändert werden. Für diese Problematik musste eine Lösung gefunden werden.

Hierfür kam das entwickelte Plug-In zum Einsatz. Es liest die erzeugten Drahtgittermodelle ein, verbindet die beinhalteten Elemente topologisch miteinander und eliminiert die impliziten Redundanzen. Zudem wird anhand der angefertigten Topologie - durch das Plug-In - eine korrekte Flächenbildung mit deren beinhalteten Linien erstellt. Die Ausgabe, der vom Plug-In berechneten Topologiestruktur, wird in einer einfachen CSV-Datei tabellarisch ausgegeben und kann so zum Bespiel an eine Ausgleichungssoftware oder eine Datenbank übergeben werden. Die Plug-In-Entwicklung fand in der Entwicklungsumgebung von Microsoft Visual Studio 2013 statt. Dabei wurde mit der Software-Plattform .NET Framework, unter Verwendung der Programmiersprache C#, gearbeitet.

In Zukunft soll das Plug-In als Schnittstelle zwischen AutoCAD und einem Ausgleichungsprog ramm dienen. Dazu sollte ein geeignetes XML-Schema implementiert werden, welches die Validierung von Modellen begünstigt. Die Arbeit ist die Grundlage für weitere Plug-In-Entwicklungen an der Fakultät Geoinformation der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden.

Überprüfung, Verdichtung und Dokumentation des dreidimensionalen Festpunktnetzes an der Windbergbahn

Bachelorarbeit von Hendrik Görne und Mathias Weber (2015)


Festpunkte entlang der Windbergbahn


Bestimmung der Punkte mittels GNSS (global navigation satellite system)

Die Windbergbahn wurde im Jahr 1856 erbaut und gilt damit als älteste Gebirgsbahn Deutschlands. Die früher u. a. zum Abtransport von Steinkohle genutzte Bahnstrecke wird heute als Museumsbahn genutzt und vom Windbergbahn e.V. betrieben und in Stand gehalten. Seit dem Jahr 2001 finden regelmäßig Vermessungsarbeiten durch Studierende der HTW Dresden entlang der Strecke statt.

Die Arbeit diente dem Zweck, das Festpunktnetz an zwei Abschnitten der Strecke zu verdichten und sämtliche Festpunkte der Strecke in einem einheitlichen Höhenbezugssystem zu bestimmen.

Die Schwierigkeit der Aufgabe bestand in den kritischen Sichtverhältnissen entlang der Strecke, bedingt durch den kurvigen Streckenverlauf und die Streckenführung durch bewaldetes Gebiet. Für die Verdichtung der Lagefestpunkte kamen sowohl klassische, als auch moderne Messverfahren zum Einsatz. Insgesamt konnten durch einen Polygonzug und GNSS-Messungen 14 Neupunkte geschaffen werden.

Die Höhenbestimmungen wurden per Doppelnivellement auf einer einfachen Strecke von 5,5 km bei einem gesamten Höhenunterschied von etwa 120 m durchgeführt. Insgesamt wurden 63 Festpunkte nivelliert. Zusätzlich wurden sämtliche Einmessungen der Festpunkte aktualisiert bzw. neu angelegt und die bestehenden Festpunkte mittels GNSS-RTK Messungen überprüft.

Im Ergebnis liegen 63 Festpunkte der Strecke dreidimensional nach den Maßgaben der Richtlinien der DB Netz AG vor und können für weitere Bau- oder Instandhaltungsmaßnahmen entlang der Windbergbahn verwendet werden.

Erstellung einer Informationsschrift über die Abmarkung der Eigentumsgrenzen in den ehemaligen östlichen preußischen Provinzen im Zeitraum vom Beginn der Aufstellung des Grundsteuerkataster bis zm Beginn des 20. Jahrhunderts

Masterarbeit von Steffen Metzner (2015)


Ausschnitt aus der 1. Reinkarte von Mühlhausen/Thür.


Stumme Zeugen - Gebrannte Tontafeln aus Oberdorla bzw. Mühlhausen in Thüringen

Im Rahmen der Masterarbeit erstellte Herr Steffen Metzner eine Informationsschrift über die Abmarkung der Eigentumsgrenzen in den ehemaligen östlichen preußischen Provinzen im Zeitraum vom Beginn der Aufstellung des Grundsteuerkataster bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts.

Das Wissen um die Entstehungsgrundlagen der heutigen Kataster entschwindet zusehends. In der Praxis findet man aber das Erbe der frühen Kataster. Daher ist es wichtig, dieses Wissen zu fixieren und fachkundigem Personal, das in seiner täglichen Praxis mit den Folgen der preußischen Katasterentwicklungen umzugehen hat, zur Verfügung zu stellen.

In der Informationsschrift wurden Fragen wie beispielsweise zu rechtlichen Bestimmungen, die Aussagen über die Abmarkung von Gemarkungs- und Flurstücksgrenzen enthalten, Grenzeinrichtungen und Grenzzeichen, Formen des Real- und Rechtsaktes bei der Abmarkung, über die Dokumentation der Abmarkung im Messungszahlen- und Kartenwerk des Liegenschaftskatasters beantwortet und Aussagen zu Lagegenauigkeitsvorgaben für Grenzpunkte getroffen.

Untersuchungen zur Automatisierung von kontinuierlichen Bestimmungen des IVS-Referenzpunkts am Twin Radioteleskop Wettzell

Masterarbeit von Torsten Lossin (2013)

Das Radioteleskop - worauf beziehen sich die Messungen?

Das Radioteleskop - worauf beziehen sich die Messungen?

Das Geodätische Observatorium Wettzell ist weltweit eine von acht Fundamentalstationen, bei denen die geodätischen Raumverfahren GNSS (Global Navigation Satellite System), SLR (Satellite Laser Ranging) und VLBI (Very Long Baseline Interferometry) gleichzeitig zum Einsatz kommen. Es liefert einen wichtigen Beitrag zum internationalen Projekt Global Geodetic Observing System (GGOS). Dazu müssen die Referenzpunkte der einzelnen Raumverfahren in Beziehung gesetzt werden. Die Arbeit hat diese Aufgabe für das neue VLBI-Radioteleskop gelöst. In Wettzell wurden mehrere Kampagnen gemessen und ausgewertet. Eine Vielzahl von Effekten musste berücksichtigt werden, um eine Genauigkeit im 0,1mm-Bereich zu erzielen, z.B. Messabweichungen wegen Schräganzielung der am Teleskop befestigten Prismen und thermischer Ausdehnung des Teleskops. Im Ergebnis wurde ein sehr genauer und zeitlich stabiler Referenzpunkt ermittelt.

 

Aktualisiert: 03.11.2017  |  Autor: R. Lehmann