Vollständige Straßeninventur auf der Basis eines mobilen Laserscanning

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1 1 Vollständige Straßeninventur auf der Basis eines mobilen Laserscanning Ivo MILEV 1, Rolf KEMPER-BÖNINGHAUSEN 2, Nico ZILL 1, Desislava STAYKOVA 1 1 technet-rail 2010 GmbH, 2 Emschergenossenschaft/Lippeverband 1 Einleitung Die Überwachung von Infrastrukturobjekten (Straßeninventur) stellt seit Jahrzehnten eine der großen Herausforderungen in der Ingenieurgeodäsie dar. Gleichzeitig gewinnt die Laser-Scanning Technologie in vielen Sparten der Vermessung immer mehr an Bedeutung. Aufgrund der ständig aktuellen Aufgabenstellung der Straßeninventur und der neuen technologischen Möglichkeiten durch mobiles Laserscanning (MLS) entschieden sich die Emschergenossenschaft sowie die technet-rail 2010 GmbH im Herbst 2012 zur Zusammenarbeit auf diesem Sektor. Durch Bündelung des Know-how auf beiden Seiten (R. Kemper-Böninghausen: Gruppenleiter in der Abteilung.Bergtechnik und Vermessung; Dr. Ivo Milev: Vorsitzender der FIG- Kommission 6 Ingenieurvermessung ) sollte die Aufgabenstellung der Überwachung von Infrastrukturobjekten unter Nutzung von mobilem Laserscanning gelöst und realisiert werden. Beide Projektpartner zeichneten sich dabei durch innovative Ideen und Lösungsansätze für die Lösung der Problematik aus. In den konkreten Anwendungsfällen handelt es sich dabei um den Vortrieb von Abwasserkanälen im Großprojekt Umbau des Emschersystems. Das Projekt mit einem Investitionsvolumen von 4,5 Mrd. EUR umfasst den Neubau von 4 Kläranlagen, den Bau von 400 km unterirdischen Abwasserkanälen sowie die Umgestaltung und Renaturierung von 350 km Gewässer. Die Kanäle haben Durchmesser von 1,60 bis 2,80 m in einer Tiefe von 10 m bis 40 m. Bei der Unterquerung von Bundesstraßen und Bundesautobahnen sollen dabei tägliche Überwachungsfahrten mittels mobilem Laserscanning durchgeführt werden, um die durch den Tunnelvortrieb auf der Straßenoberfläche hervorgerufenen signifikanten vertikalen Deformationen bestimmen zu können. Diese Herangehensweise soll dabei eine gesicherte Aussage über die maximalen Fahrbahndeformationen liefern und durch farbcodierte Scanbilder einen Gesamtüberblick über die auftretenden Deformationen auf der Fahrbahn geben. Hanke, K. & Weinold, T. (Hrsg.) (2015): 18. Internationale Geodätische Woche Obergurgl Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN

2 2 I. Milev, R. Kemper-Böninghausen, N. Zill, D. Staykova 2 Fahrbahnüberwachung mittels mobilem Laserscanning 2.1 Ziel der Messung mittels mobilem Laserscanning Das Ziel der Straßeninventur mittels mobilem Laserscanning war die Ermittlung von Fahrbahndeformationen. Dabei sollten in den Ergebnissen sowohl die Kanalvortriebsachse als auch die auf der Fahrbahnoberfläche ermittelten vertikalen Deformationen dargestellt werden. Die jeweiligen täglichen Messfahrten sind dabei mit einer signifikant vor der Straßenunterquerung durchzuführenden Nullmessung (mindestens 3 Tage vor Eintritt des Vortriebes in den Sicherheitsbereich) zu vergleichen und die Deformationen zu dieser Nullmessung zu berechnen. Die frühere Herangehensweise der Schaffung von Höhenfestpunkten außerhalb der Fahrbahnoberfläche und täglichen Nivellements zu diesen Punkten soll dabei durch das neue und zukunftsorientierte Verfahren mittels mobilem Laserscanning ersetzt werden. Vom Auftraggeber Emschergenossenschaft (in Abstimmung mit Straßen.NRW) wurden folgende Vorgaben getroffen: Vorgabe Nachweis von signifikanten Deformationen auf der Fahrbahn/Straßenoberfläche Übersicht der vertikalen Deformationen auf der gesamten Fahrbahn auf Basis der 3D-Scandaten Übersicht der vertikalen Deformationen in definierten Bereichen Warnung an die Projektbeteiligten bei Überschreitung des Sicherheitswertes für Deformationen Inhalt Eine Genauigkeit der Aussage von +/-3mm ist einzuhalten. Ein farbcodiertes Übersichtsbild der visualisierten Scandaten (3D) mit Darstellung der vertikalen Deformationen ist den Projektbeteiligten zu übermitteln Erstellung von Diagrammen zur Visualisierung der vertikalen Deformationen entlang einer Bezugslinie (zum Beispiel Überholspur, Fahrbahnmitte, Fahrbahnrand) Ab einer vertikalen Deformation von 15mm ist Alarmbereitschaft hergestellt. Tabelle 1: Rahmenbedingungen für die Straßeninventur mittels mobilem Laserscanning Anhand dieser Vorgaben wurde seitens der Projektpartner Emschergenossenschaft und technet-rail 2010 GmbH die notwendige technische Ausrüstung (Messfahrzeug, Sensorik, Scanner) zusammengestellt.

3 Vollständige Straßeninventur auf der Basis eines mobilen Laserscanning Notwendige technische Ausrüstung für die Fahrbahnüberwachung mittels mobilem Laserscanning Für die Durchführung des mobilen Laserscanning sind verschiedene Komponenten notwendig. Neben der notwendigen Sensorik (IMU, Neigungssensor, Weggeber, Datenkollektor für Sensorik) und dem für die absolute Positionierung verwendeten GNSS (Antenne + Empfänger) wurde als Scanner der ZF 5006 der Firma Zoller& Fröhlich verwendet. Abb. 1: Verwendeter Scanner ZF 5006 Das notwendige technische Equipment ist dabei an dem jeweiligen Messfahrzeug (zum Beispiel VW-Transporter) zu befestigen. 2.3 Planung und Durchführung der Messfahrten Da im konkreten Anwendungsfall der Befahrung der Bundesautobahn 42 (BAB 42 - Abfahrt 18 Gelsenkirchen-Bismarck) der Kanalvortrieb direkt unter einer Autobahnabfahrt verlief, wurden 3 Messbereiche und somit täglich durchzuführende Messfahrten definiert: Messbereich/Messfahrt1: Südseite der BAB42 Messbereich/Messfahrt2: Nordseite der BAB42 Messbereich/Messfahrt3: Auffahrt Südseite der BAB42 Abb. 2: Übersicht über das Messgebiet BAB42 (Abfahrt 18 - Gelsenkirchen)

4 4 I. Milev, R. Kemper-Böninghausen, N. Zill, D. Staykova Der Sicherungsbereich der Kanalvortriebsachse betrug dabei +/- 30m von der Achse (Bereich zu erwartender Deformationen). Die Scanfahrten wurden so konzipiert, dass mindestens ein Bereich von 100m vor und hinter der Vortriebsachse erfasst wurde. Der Beginn der Überwachungsfahrten erfolgte beim Eintritt des Vortriebes in die südliche Böschung der Abfahrt. Dabei betrug die Entfernung zum 3. Messbereich circa 50m. Neben der einige Wochen zuvor erfolgten Nullmessung wurden insgesamt 8 Messfahrten mit je 3 Deformationsanalysen durchgeführt. Die letzte Epoche entsprach dabei einer Abschlussmessung, die in der Regel einige Wochen nach Unterquerung der jeweiligen Straße durchzuführen ist. Nachfolgend ist ein Übersichtsbild mit Vortriebsachse (Blickrichtung der Scandaten von West nach Ost) als Ergebnis der Nullmessung dargestellt: Abb. 3: Übersichtsbild der Scandaten einer Nullmessung mit Vortriebsachse

5 Vollständige Straßeninventur auf der Basis eines mobilen Laserscanning Auswertung der Messfahrten Die absolute Positionierung des Start- und Endpunktes einer Messfahrt wurde durch Postprocessing der GNSS-Daten unter Verwendung vorhandener SAPOS-Stationen in der Nähe des Messgebietes ermittelt: Abb. 4: GNSS-Fixing einer Messfahrt Das GNSS-Fixing dient dabei zur Ermittlung des Start- und Endpunktes der jeweiligen Messfahrt. Die Abwicklung der Scans wird danach in einem komplexen Prozess in einer Synchronisation durch die Zusammenführung der Sensordaten (Neigungssensor, Weggeber, IMU) und Scandaten berechnet. Als Programm für die Auswertung der Scandaten wurde die Software SiRailScan der Firma technet-rail 2010 GmbH verwendet. Nach der Abwicklung und Visualisierung der Scandaten sind unveränderliche Abschnitte außerhalb des zu erwartenden Deformationsbereiches zu definieren. Diese unveränderlichen Bereiche sind mindestens 30m von der Vortriebsachse entfernt. Nachfolgend ein Beispiel für die Festlegung dieser Bereiche: Abb. 5: Unveränderliche Bereiche als Basis der Echtzeit-Deformationsanalysen

6 6 I. Milev, R. Kemper-Böninghausen, N. Zill, D. Staykova Im Anschluss wurden die Scandaten der Nullmessung mit denen der jeweiligen Messfahrt auf Basis dieser unveränderlichen Abschnitte verglichen und analysiert. Dazu wurden sowohl die Scandaten der Nullmessung als auch die Scandaten der jeweiligen Messfahrt zusammen in die Software importiert und über ein Analysetool die jeweiligen Deformationen berechnet und visualisiert. 3 Ergebnisse Die Ergebnisse der Deformationsanalysen konnten als farbcodierte Scanbilder und 2D- Deformationsdiagramme generiert werden. Für die Erstellung der farbcodierten Scanbilder aus den 3D-Punktwolken wurden die Scandaten der jeweiligen Messfahrten mit den Scandaten der Nullepoche verglichen. Nachfolgend das farbcodierte Scanbild der Abschlussmessung Messfahrt 1 (BAB42, Abfahrt 18 Gelsenkirchen): Abb. 6: Deformationsanalyse - Farbcodiertes Scanbild BAB42 Als weiteres Beispiel ist nachfolgend das farbcodierte Scanbild der Deformationsanalyse einer Autobahnauffahrt (siehe Kapitel 2.3; Messfahrt 3) dargestellt:

7 Vollständige Straßeninventur auf der Basis eines mobilen Laserscanning 7 Abb. 7: Deformationsanalyse - Farbcodiertes Scanbild BAB42 - Autobahnauffahrt Zudem können bei Bedarf 2D-Diagramme der vertikalen Deformationen beliebiger Bezugslinien wie zum Beispiel Überholspur, Fahrbahnmitte und Fahrbahnrand erstellt werden: Abb. 8: Deformationsanalyse 2D-Diagramm der Fahrbahnmitte Die Übergabe der Ergebnisse der Deformationsanalysen erfolgte dabei täglich, so dass eine jederzeit aktuelle Aussage über den Zustand der Straßen und die bis zu diesem Zeitpunkt aufgetretenen Deformationen vorlag.

8 8 I. Milev, R. Kemper-Böninghausen, N. Zill, D. Staykova 4 Zusammenfassung Die Entwicklung der Laser Scanning Technologie im letzten Jahrzehnt gibt eine neue Möglichkeit für Vermessung von großen Flächen. Insbesondere in den letzten zwei Jahren ist die mobile Laser-Scanning Technologie ein Teil der Infrastrukturüberwachung geworden. Die MLS Methoden bieten eine schnelle, hochgenaue und vollständige Messung der Infrastrukturobjekte wie Autobahnen und Straßennetze. Aufgrund der durchgeführten kontinuierlichen Datenerfassung und -verarbeitung sind die Auswirkungen von Fehlbedienungen minimiert. Die Datenverarbeitung mit der Software gewährleistet eine hohe Qualität, Zuverlässigkeit und Genauigkeit der eingestellten Messungen. Die Endprodukte sind die Basis für die Durchführung von Echtzeit-Deformationsanalysen, Überwachung von Strukturobjekten, sowie für die Erstellung eines kompletten Straßennetzdatenbanksystems. Die Ergebnisse der durchgeführten Projekte beweisen die Integration der vollständigen MLS- Technologie mit der a-posteriori Datenverarbeitung und Anpassung als ein beispielloses Verfahren zur Überwachung und Dokumentation der Infrastrukturobjekte. Literatur ZOLLER UND FRÖHLICH: Scannerbild, BEUTH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCE BERLIN, TECHNET-RAIL 2010 GmbH (Dr. Ivo Milev, Desislava Staykova) (2014): TLS for structure monitoring MÖSER/MÜLLER/SCHLEMMER/WERNER (2000): Handbuch Ingenieurgeodäsie Grundlagen

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