Sächsisches Landesinstitut für Straßenbau Fachinformation Nr. 5/Dezember (von Geodetic Distance Meter) als elektronisches Streckenmeßgerät

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1 Sächsisches Landesinstitut für Straßenbau Fachinformation Nr. 5/Dezember 1998 Elektronische Tachymetrie im Straßenbau Instrumente, die Lage und Höhe eines Punktes gleichzeitig bestimmen, beschleunigen den Fortgang der Vermessung. Solche klassischen Meßverfahren, bei denen Lage und Höhe der Geländepunkte mittels Horizontalrichtung, Vertikalrichtung und Schrägstrecke von einem Standpunkt aus mit nur einem Instrument bestimmt werden, zählt man zur Tachymetrie. Man unterscheidet optische und elektronische Tachymeter. Elektronische Tachymeter, auch als Totalstationen bekannt, sind Instrumente mit elektrooptischem Strecken- und elektronischem Winkelmeßteil. 1 Geschichte der Tachymeterentwicklung Vor 55 Jahren ließ sich der Wissenschaftler Erik Berkstrand ein Instrument für die elektrooptische Entfernungsmessung patentieren. Die Firma Geotronics kaufte ihm 1947 das Patent ab und entwickelte das Instrument unter dem Namen Geodimeter (von Geodetic Distance Meter) als elektronisches Streckenmeßgerät weiter (Abb. 1). Ende der 60er Jahre wurden Theodolite mit elektronischen Kurzstreckenentfernungsgeräten kombiniert, es entstand das elektrooptische Tachymeter. Seit Anfang der 80er Jahre erfolgte auch der Winkelabgriff am Theodolit elektronisch. Die Schwierigkeiten der Datenspeicherung wurden überwunden. Elektronische Tachymeter gehören zu den am weitesten automatisierten geodätischen Geräten. Seit Anfang der 90er Jahre werden Tachymeter entwickelt, bei denen die Fernrohrbewegung über Servomotoren erfolgt. Durch die Entwicklung einer Positionierungseinheit für das Instrument und einer Steuereinheit am Reflektor kann selbst die Anzielung des Instrumentes vom Meßpunkt erfolgen. Es stehen am Reflektor alle Funktionen des Tachymeters so zur Verfügung, als ob der Bearbeiter am Instrument steht. Seit 1997 erschienen: 1/97 Die historische Entwicklung des Straßennetzes in Sachsen 2/97 Lichtzeichenanlagen in der Straßenbauverwaltung 3/97 Die Straßendatenbank - Organisations- und Steuerungsinstrument für die Straßenbauverwaltung Einführung 4/97 Dienstleistungsangebot des Referates 31 (Straßenbautechnik und Labor) im Landesinstitut für Straßenbau 5/97 Brückennachrechnung und -prüfung im Sächsischen Landesinstitut für Straßenbau 6/97 Lärmbelastung des Straßenunterhaltungspersonals 7/97 Kompaktasphalt Technologie der Zukunft? 8/97 Einsatz biologisch schnell abbaubarer Schmierstoffe und Hydraulikflüssigkeiten in Fahrzeugen und Geräten der Straßenunterhaltung und des Betriebsdienstes der Straßenbauverwaltung 1/98 Qualitätssicherung im Asphaltstraßenbau Ermitteln der Quantität und Qualität von Kalksteinfüllern im Asphaltmischgut für hochstandfeste Asphalte als zusätzliche Kontrollprüfung 2/98 Der Schichtenverbund im Asphaltoberbau 3/98 Entwicklung der Arbeits- und Wegeunfälle in den Straßenbauämtern der sächsischen Straßenbauverwaltung /98 Kettensägearbeiten aus dem Arbeitskorb des Hubsteigers Abb. 1: Elektronischer Streckenmesser, fünfziger Jahre [1; S. 7]

2 2 Nr. 5/Dezember 1998 Abb. 2: Geodimeter System 600 [2; S. 2] Abb. 3: Vermesser des SBA Döbeln-Torgau bei der Feldarbeit [3] 2 Aufbau des elektronischen Tachymeters Ein elektronischer Tachymeter besteht aus Gehäuse, Fernrohr mit Fokussierungseinrichtung, Distanzmesser, Höhen- und Seitenfeintrieben, Tastatur, Display, Zentraleinheit, Horizontiersystem und dem Aufnahmesystem für den Dreifuß (Abb. 2 und 3). Die Geräte können in kompakter Bauweise hergestellt sein, d. h. Strecken- und Winkelmeßteil sowie Rechner- und Registriereinheit sind in einem Gerät integriert. Tachymeter können auch modularen Aufbau aufweisen. Das bedeutet, Strecken- und Winkelmeßteil sowie Rechner- und Registriereinheit sind selbständige Geräte, die nach dem Baukastensystem zusammengesetzt werden. 3 Tastatur und Display Herzstück für die Kommunikation des Anwenders mit dem Tachymeter stellt die Tastatur dar. Tachymeter verfügen über Mehrfunktionstasten mit alphanumerischen Eingabemöglichkeiten. Die zur Anwendung kommenden Systeme verfügen zur Anzeige über ein LCD-Display mit mehreren Zeilen und beleuchtbaren Zeichen, auch für alphanumerische und graphische Darstellungen. Der Kontrast kann vom Benutzer eingestellt werden. Es gibt mehrere vom Anwender konfigurierbare Displayeinstellungen. Es gibt verschiedene Registriermasken, die vom Benutzer definiert werden können, je nach gewünschten Ergebniswerten und Programmen. Hilfefunktionen erleichtern die Bedienung. 4 Speichermedien und Rechenfunktionen Meß- und Rechenergebnisse werden in einem im Gerät integrierten Speicher oder in eine herausnehmbare Speicherkarte abgelegt. Bei der Verwendung einer Speicherkarte werden die Daten über einen angeschlossenen Übertragungsmodul mit entsprechender Software in einen Computer überspielt. Bei integriertem Speicher können die Daten mit einem Übertragungskabel ausgelesen werden. Folglich kann ein automatischer Datenfluß von der Meßwertgewinnung über die Berechnung bis zur Auswertung realisiert werden.

3 3 Nr. 5/Dezember 1998 Auch die Datenübertragung vom Computer zum Tachymeter ist auf gleichem Wege möglich (Abb. 4). So können die Koordinaten von Festpunkten des Landessystems oder projektierte Bauwerks- und Achspunkte direkt in den Tachymeter übertragen und über Karten gespeichert werden. Fehlerquellen, wie Ablese-, Schreib- und Eingabefehler sind somit weitestgehend ausgeschlossen. Mit dem elektronischen Tachymeter werden Horizontalwinkel, Vertikalwinkel und Schrägstrecken gemessen. Integrierte Rechenfunktionen der elektronischen Tachymeter sind die Berechnung der Orientierung und der Transformation in ein Koordinatensystem, Berechnung von Horizontalstrecken und Höhenunterschieden, Koordinatenbestimmung mit freier Stationierung, Absteckung und Trassierung, trigonometrische Höhenübertragung, Berechnung von Spannmaßen, Geraden- und Bogenschnitten sowie Flächenberechnung. Außerdem steht ein Editor zur Verfügung, in dem Punktnummern, Koordinaten und zusätzliche Punktinformationen eingegeben und abgespeichert werden können. Abb. 4: Möglichkeiten des elektronischen Datenflusses [4; S. 3] 5 Funktionsweise elektronischer Tachymeter Die Streckenmessung erfolgt nach dem Prinzip des Phasenvergleichs. Dabei wird eine kontinuierliche Welle durch einen Modulator geleitet, der durch einen Oszillator großer Frequenzkonstanz gesteuert wird und die Strahlung moduliert. Durch die Sendeoptik wird die Strahlung zum Endpunkt der Strecke geleitet und dort zum Anfangspunkt reflektiert.

4 4 Nr. 5/Dezember 1998 Hier wird sie durch die Empfangsoptik auf einen optisch elektrischen Wandler geleitet, der die Lichtsignale in elektrischen Strom von einer im Rhythmus der Modulation schwankenden Stromstärke verwandelt. Dann wird die Welle als Meßsignal verstärkt und im Phasenmeßteil mit dem Bezugssignal der vom Oszillator erzeugten Welle verglichen. Die reflektierte Welle tritt in einem anderen Phasenwinkel auf, der abhängig ist von der zurückgelegten Strecke und der Lichtgeschwindigkeit. Am Instrument müssen noch Korrekturen für die herrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse eingegeben werden. In dem Phasenmesser wird die Phasendifferenz ausgemessen und im Mikroprozessor die Strecke abgeleitet. Der elektrooptische Distanzmesser ist im Fernrohr integriert. Bei der elektronischen Messung der Horizontal- und Vertikalwinkel befinden sich auf den Winkelteilkreisen Rasterstriche. Bei einer Richtungsänderung des Fernrohrs werden diese Rasterstriche mittels Luminiszensdioden ausgezählt und als Impulse an den Mikroprozessor gesendet. Dieser berechnet aus der Anzahl der Impulse die Winkeländerung (Abb. 5). Abb. 5: Blockschaltbild eines elektronischen Streckenmeßgerätes [nach 5, S. 239, Abb. 613] 6 Meßprinzip elektronischer Tachymeter Zuerst muß das Gerät aufgestellt und justiert werden. Dies kann auf einem bekannten oder unbekannten Punkt erfolgen. Danach wird die Stationierung durchgeführt. Bei Stationierung auf bekanntem Standpunkt (im Kartenausschnitt der Abb. 6 mit rot dargestellt), ist mindestens ein Anschlußpunkt nötig, bei der Stationierung auf einem unbekanntem Standpunkt mindestens zwei. Bis zu 20 Anschlußpunkte können genutzt werden. Das Ergebnis der Stationierung ist die Orientierung in einem Koordinatensystem. Stationierungsabweichungen werden automatisch berechnet und auf dem Display angezeigt.

5 5 Nr. 5/Dezember 1998 Die Standardabweichung S (p) eines ausgeglichenen Lagefestpunktes darf 0,03 cm nicht überschreiten. Nun kann mit der Vermessung begonnen werden. Die Geländeaufnahme hat so zu erfolgen, daß das Relief und sämtliche Objektpunkte erfaßt sind, die bei einer Projektierung berücksichtigt werden müssen (siehe Kartenausschnitt Abb. 6 braune und gelbe Darstellung). Die Punkte sind so auszuwählen, daß sie sich der Erdoberfläche gut anschmiegen und der Verlauf von Höhenlinien gut ableiten läßt. Abb. 6: Tachymeteraufnahme im Gelände [nach 6; S. 5, oben] Die Auswahl der aufzumessenden Punkte hat so zu erfolgen, daß alle Objekte eindeutig dargestellt werden können, die den Verlauf der neuen Trasse beeinflussen und die besondere Maßnahmen beim Bau erfordern. Das ist bei den Objekten auf der Erdoberfläche im allgemeinen ohne nennenswerten Aufwand möglich. Schwierigkeiten können dagegen vorhandene unterirdische Leitungen bereiten. Diese sind jedoch für die Projektierung außerordentlich wichtig, da deren Verlegung mit hohen Kosten verbunden ist. Bei Unkenntnis des genauen Verlaufs erfaßt man zunächst die oberirdischen Sichtzeichen, wie Kabelsteine, Wasser- und Gasschieber, Einläufe und Einstiegsschächte. Die Betreiber der Lei-tungen sind meist in der Lage, den genauen Verlauf nachzuweisen. 7 Anwendungsgebiete der elektronischen Tachymetrie Das wichtigste Anwendungsgebiet elektronischer Tachymeter ist die Geländeaufnahme zur Herstellung von großmaßstäbigen Karten. Da die Planungen überwiegend mit CAD-Programmsystemen ausgeführt werden, ist trotz vorhandener Karten eine Aufnahme mit elektronischen Tachymetern zur Erarbeitung eines digitalen Geländemodells notwendig. Mit einer Aufnahme werden die Situation und die Geländeoberfläche nach dem Polarverfahren punktweise erfaßt. Zur geodätischen Geländeaufmessung gehört auch die Aufnahme von Längs- und Querprofilen. Sie stellen Vertikalschnitte entlang definierter Linien dar.

6 6 Nr. 5/Dezember 1998 Deshalb beziehen sich deren Punktkoordinaten nicht auf das Koordinatensystem der Tachymeteraufnahme, sondern auf die definierte Linie. Die Punktlage wird dabei durch den horizontalen Abstand des Punktes vom Nullpunkt der definierten Linie, durch die Station und durch die Höhenkoordinate festgelegt (Abb. 7). Profile dienen zur Festlegung der Neigungsverhältnisse und des Höhenverlaufs der Trasse in Bezug auf Zwangspunkte. Querprofile bilden die Grundlage für die Erdmengenberechnung als Auf- und Abtrag und für die Bauabrechnung. Längsprofile sind die Grundlage der Gradientenberechnung, der Festlegung von Brücken und Durchlässen und des Höhenverlaufs der Straßenentwässerung. Abb. 7: Profilableitungen aus dem Lageplan [nach 7; S. 105, Abb. 5.3]

7 7 Nr. 5/Dezember 1998 Für die Bauausführung ist im Straßenbau die Absteckung der Fahrbahnachse bzw. der Fahrbahnränder sowie die Angabe der Höhendifferenz erforderlich. Zunächst werden die Absteckelemente berechnet, die eine Übertragung der horizontalen Lage ermöglichen. Die entsprechenden Sollkoordinaten der Achsen werden mit dem elektronischen Tachymeter in das Gelände übertragen. Totalstationen werden für die Höhenabsteckung der Fahrdrähte von Gleitschalungsfertigern, Asphaltfertigern und Fräsmaschinen eingesetzt. Mit ihnen werden Bauüberwachungs- und Baukontrollmessungen ausgeführt. Sie nutzt man zur Bestimmung von geometrischen Daten wie Spannweiten oder Objekthöhen. Tachymeter mit automatischer Zielerfassung können auch zur Maschinensteuerung herangezogen werden. So läßt sich durch kontinuierliche Online-Messungen die aufwendige Installation der Fahrdrähte zur Maschinensteuerung einsparen. Beim Tunnelbau dienen sie der Steuerung von Teilschnittmaschinen und Bohrlafetten. Durch sichere und präzise Bestimmung der Bearbeitungsposition kann so auf kostspielige Nacharbeiten verzichtet werden. Elektronische Tachymeter sind wirkungsvoll arbeitende Vermessungssysteme, die den hohen Genauigkeitsklassen des Vermessungsalltages entsprechen. Bei der Erstellung von Lageplänen sind Zeiteinsparungen durch den kombinierten Einsatz von GPS- Empfängern und elektronischen Tachymetern zu erwarten. Künftig wird eine Automatisierung der Lageplanerstellung durch die Eingabe von Punkt- und Linieninformationen möglich sein. Quellen: [1] Die total flexible Totalstation. Geodimeter System o. O., 1993 [2] Geodimeter System 600. o. O., o. J. [3] Wanzek, M., 1998 [4] Kompakt-Tachymeter Rec Elta 13, Rec Elta 14, Rec Elta 15. ZEISS Jena, o. J. [5] Deumlich, F.: Instrumentenkunde der Vermessungstechnik. Berlin 1988 [6] Fünfundsechzig schlagfertige Gründe, Geodimeter zu wählen. o. O., 1991 [7] Handbuch Ingenieurvermessung, Band 7. Hrsg. von Hennecke, F.; Müller, G.; Werner, H. Berlin, 1995 Bearbeiter: Sächsisches Landesinstitut für Straßenbau, Abteilung 2 Dipl.-Ing. Frank Andert Sächsisches Landesinstitut für Straßenbau Telefon: ( ) Dipl.-Ing. (FH) Gerd Meier Sächsisches Landesinstitut für Straßenbau Telefon: ( ) Herausgeber: Sächsisches Landesinstitut für Straßenbau Seminarstraße Rochlitz Telefon: ( ) Telefax: ( )