Albert Wiedemann Handbuch Bauwerksvermessung Geodäsie, Photogrammetrie, Laserscan ning Birkhäuser Verlag Basel Boston Berlin
VII 1 Grundlagen 1 1.1 Allgemeine Grundlagen 1 1.1.1 Ziele und Aufgaben 1 1.1.2 Methoden 2 1.1.3 Geschichte und Einordnung 4 1.1.3.1 Geschichte der Bauwerksvermessung 4 1.1.3.2 Geschichte des Vermessungswesens 5 1.1.3.3 Geschichte der Architekturphotogrammetrie 7 1.1.4 Rechtliche Grundlagen und Rahmenbedingungen 8 1.1.4.1 Internationale Vereinbarungen und Organisationen. 8 1.1.4.2 Baugesetzbuch, Denkmalpflegegesetze, Vermessungsgesetze 9 1.2 Messgrößen und Maßeinheiten 10 1.2.1 Strecken 12 1.2.2 Winkel 12 1.3 Bezugssysteme und Koordinaten 13 1.3.1 Bezugsflächen 14 1.3.2 Koordinaten 15 1.3.3 Koordinatensysteme 15 1.3.3.1 Polarkoordinaten 16 1.3.3.2 Lokale Koordinatensysteme 17 1.3.3.3 Regionale Koordinatensysteme 17 1.3.3.4 Globale Koordinatensysteme 18 1.3.3.5 Geographische Koordinaten 19 1.3.3.6 Geozentrische Koordinaten 20 1.3.4 Koordinatentransformationen 20 1.3.4.1 Translation (2D) 21 1.3.4.2 Maßstabslose Transformation (2D) 21 1.3.4.3 Ähnlichkeitstransformation (2D) 21 1.3.4.4 Vereinfachte Ähnlichkeitstransformation mit 2 Passpunkten (2D) 25 1.3.4.5 Affintransformation (2D) 28 1.3.4.6 Weitere ebene Koordinatentransformationen 28 1.3.4.7 Räumliche Koordinatentransformation (3D) 29 1.3.5 Festpunktfelder 30 1.3.5.1 Netz trigonometrischer Punkte zur Lagedefinition... 30 1.3.5.2 Höhennetz 31
VIII 1.3.6 Vermessungsnetze für die Bauwerksvermessung 32 1.3.6.1 Netzdesign 32 1.3.6.2 Vermarkung 34 1.3.6.3 Design und Fertigung von Punktsignalisierungen 35 1.3.6.4 Auswahl natürlicher Passpunkte 36 1.3.6.5 Schnurnetz zur temporären Vermarkung 36 1.3.6.6 Punktübersichten und Einmessskizzen 36 1.4 Fehlerlehre und Statistik 37 1.4.1 Fehlerarten und ihre Wirkung 37 1.4.1.1 Zufällige Fehler 37 1.4.1.2 Systematische Fehler 38 1.4.1.3 Grobe Fehler 39 1.4.2 Fehlerfortpflanzung und Ausgleichsrechnung 39 1.4.3 Rechenschärfe und Rundung 43 1.4.4 Toleranzen im Bauwesen 43 2 Dokumentation von Gebäuden und Ensembles 45 2.1 Amtliche Dokumentation 46 2.1.1 Katasterunterlagen 46 2.1.2 Amtliche Karten 47 2.1.3 Lageplan 49 2.1.4 Geoinformationssysteme (GIS) 50 2.2 Pläne 51 2.2.1 Grundriss 52 2.2.2 Schnitt 54 2.2.3 Ansicht 55 2.2.4 Detaildarstellungen 55 2.2.5 Maßstäbe und Detaillierungsgrad 56 2.2.6 Materialien und Aufbewahrung 57 2.3 3D-Beschreibungen 57 2.3.1 CAD-Modell 57 2.3.2 Animation 59 2.3.3 Virtual Reality 60 2.3.4 Augmented Reality 61 2.4 Fotografie 61 2.4.1 Analoge Fotografie 61 2.4.1.1 Fotografisches Material 62 2.4.1.2 Kameras 63 2.4.1.3 Objektive 63 2.4.1.4 Licht 66 2.4.1.5 Belichtung 66 2.4.1.6 Archivierungen von Fotomaterialien 67
IX 2.4.2 Digitale Bilder 67 2.4.2.1 Flächensensoren 70 2.4.2.2 Zeilenkameras 73 2.4.2.3 Spezialkameras 73 2.4.3 Scannen analoger Fotovorlagen 74 2.4.4 Digitale Bildverarbeitung 75 2.5 Textliche und hybride Beschreibungen 76 2.5.1 Raumbuch 76 2.5.2 Hypertext Dokumente 76 2.5.3 Informationssystem 77 2.6 Archivierung digitaler Daten 78 2.6.1 Datenträger 78 2.6.2 Datenformate 79 2.6.2.1 Texte 79 2.6.2.2 Datenbanken 80 2.6.2.3 Vektordaten 80 2.6.2.4 Rasterdaten 80 2.6.2.5 Hypermedia 80 3 Erfassung von Messelementen 82 3.1 Messprinzipien 82 3.1.1 Vom-Großen-ins-Kleine 82 3.1.2 Überbestimmungen 84 3.1.3 Vermeidung von systematischen Fehlern 84 3.2 Geräte und Instrumente 85 3.2.1 Bauteile, Kleingeräte und Zubehör 85 3.2.1.1 Lote und Libellen 85 3.2.1.2 Fernrohr 86 3.2.1.3 Stative 87 3.2.1.4 Fluchtstab 89 3.2.1.5 Nivellierlatten und Kleingerät 90 3.2.1.6 Aufstellen eines Instruments 90 3.2.2 Winkelmessung 92 3.2.2.1 Bestimmung rechter Winkel 92 3.2.2.2 Theodolit 94 3.2.2.3 Satzmessung 96 3.2.2.4 Berechnung von Richtungswinkeln aus Koordinaten 97 3.2.3 Streckenmessung 99 3.2.3.1 Streckenmessung mit dem Messband 99 3.2.3.2 Optische Streckenmessung 101 3.2.3.3 Elektro-optische Entfernungsmessung (EDM) 103
X 3.2.4 Höhenmessung 109 3.2.4.1 Einfache Werkzeuge 109 3.2.4.2 Nivellement 109 3.2.4.3 Rotationslaser 111 3.3 Beschaffung einer Vermessungsausrüstung 113 4 Messverfahren 114 4.1 Schrittskizze 114 4.2 Handaufmaß 114 4.3 Punktbestimmung ohne Theodolit 116 4.3.1 Bogenschlag 116 4.3.2 Einbindeverfahren 118 4.3.3 Orthogonalverfahren 120 4.3.4 Spannmaßkontrolle 123 4.3.5 Streckennetz 123 4.4 Zielpunktvermessung 124 4.4.1 Polarpunktvermessung 124 4.4.2 Vorwärtsschnitt 127 4.4.3 Neupunktausgleichung 132 4.5 Standpunktvermessung 132 4.5.1 Ebener Rückwärtsschnitt 132 4.5.2 Freie Stationierung 136 4.5.3 Standpunktsausgleichung 139 4.6 Netzmessung 140 4.6.1 Freies Netz 140 4.6.2 Netz im übergeordneten Bezugssystem 140 4.6.3 Polygonzug 141 4.6.3.1 Beidseitig angeschlossener Polygonzug 141 4.6.3.2 Einseitig angeschlossener Polygonzug 145 4.6.3.3 Eingehängter Polygonzug 146 4.6.3.4 Geschlossener Polygonzug (Ringpolygon) 150 4.6.4 Netzausgleichung 153 4.6.5 Global Positioning System (GPS) 153 4.7 Höhenmessung 154 4.7.1 Nivellement 155 4.7.2 Trigonometrische Höhenübertragung 157 4.7.3 Höhenmessung mit GPS 159 4.7.4 Barometrische Höhenmessung 159 4.8 Datenerfassung und -management 159 4.8.1 Datenerfassung 159 4.8.1.1 Punktnummerierung und Punktkodierung 161 4.8.1.2 Kartierung vor Ort 163 4.8.1.3 Teilautomatische Messung 164
XI 4.8.2 Datenübergabe 165 4.8.2.1 Konsistenzprüfung 165 4.8.2.2 Berechnung 165 4.8.2.3 Übergabe an CAD 166 4.8.3 CAD-Bearbeitung 166 4.8.4 Bauwerks Informations-System 167 4.9 Geodätische Aufgaben 167 4.9.1 Geländeaufnahme 167 4.9.2 Lageplan 169 4.9.3 Flächen-und Volumenbestimmung 170 4.9.3.1 Flächenbestimmung aus Karten und Plänen 170 4.9.3.2 Flächenbestimmung aus Koordinaten 171 4.9.3.3 Volumenbestimmung 171 4.9.4 Absteckung 173 4.9.4.1 Polare Absteckung 174 4.9.4.2 Bogenschnitt 174 4.9.4.3 Orthogonale Absteckung 174 4.9.4.4 Übertragung von Schnittebenen 174 4.9.4.5 Kreisbogenabsteckung 175 4.9.5 Bauwerksüberwachung 175 4.9.5.1 Absolutmessungen 176 4.9.5.2 Relativmessungen 176 4.9.6 Sonstige Aufgaben 177 4.9.6.1 Ablotung 177 4.9.6.2 Turmhöhenbestimmung 177 5 Architekturphotogrammetrie 178 5.1 Grundlagen 178 5.1.1 Methoden der Architekturphotogrammetrie 178 5.1.1.1 Einzelbildphotogrammetrie 178 5.1.1.2 Stereophotogrammetrie 179 5.1.1.3 Mehrbildphotogrammetrie 180 5.1.2 Vorteile und Grenzen der Architekturphotogrammetrie 181 5.1.3 Erfassung von Bilddaten 182 5.1.3.1 Allgemeine Regeln 182 5.1.3.2 Analoge Bildaufnahme mit Amateurkameras 184 5.1.2.3 Analoge Bildaufnahme mit Teilmesskameras 184 5.1.3.4 Analoge Bildaufnahme mit Messkameras 186 5.1.3.5 Digitale Messbildaufnahme 187 5.1.3.6 Scannen analoger Bilder zu Messzwecken 188 5.1.4 Koordinatensysteme 188 5.1.4.1 Objektkoordinaten 188 5.1.4.2 Bildkoordinaten 189 5.1.4.3 Gemessene Koordinaten 190 5.1.5 Bildkoordinatenfehler 192
XII 5.2 Orientierung 192 5.2.1 Innere Orientierung 193 5.2.1.1 Innere Orientierung einer Kamera 193 5.2.1.2 Berechnung von Bildkoordinaten 197 5.2.1.3 Graphische Bestimmung der inneren Orientierung.. 198 5.2.2 Äußere Orientierung 198 5.2.2.1 Rotationsmatrizen 199 5.2.2.2 Kollinearitätsgleichungen 200 5.2.2.3 Normalfall der terrestrischen Photogrammetrie 201 5.2.3 Orientierungstechniken 202 5.2.3.1 Räumlicher Rückwärtsschnitt 202 5.2.3.2 Zweistufige Orientierung eines Bildpaares 203 5.2.3.3 Einstufige Orientierung eines Bildpaares 203 5.2.3.4 Räumlicher Vorwärtsschnitt 204 5.2.3.5 Andere Orientierungstechniken 204 5.2.3.6 Graphische Bestimmung der äußeren Orientierung.. 204 5.2.3.7 Bündelblockausgleichung 205 5.3 Entzerrung 206 5.3.1 Bildaufnahme 208 5.3.2 Optisch-mechanische Entzerrung 208 5.3.3 Digitale Entzerrung - Übersicht 210 5.3.3.1 Direkte und indirekte Entzerrung 211 5.3.3.2 Resampling 212 5.3.4 Digitale Entzerrung: nicht-parametrisch 216 5.3.4.1 Projektive Entzerrung 216 5.3.4.2 Andere nicht-parametrische Entzerrungen 218 5.3.5 Digitale Entzerrung: parametrisch 218 5.3.5.1 Parametrische Entzerrung 218 5.3.5.2 Abwicklung 218 5.3.5.3 Projektion 220 5.3.5.4 Differenzielle Entzerrung 220 5.3.5.5 Sonderfälle 222 5.3.6 Fehlerbetrachtung 222 5.3.7 Mosaikbildung 223 5.3.7.1 Geometrische Mosaikbildung 223 5.3.7.2 Radiometrische Mosaikbildung 224 5.4 Stereophotogrammetrie 225 5.4.1 Physiologische Grundlagen 225 5.4.2 Bildaufnahme 226 5.4.2.1 Stereokameras 226 5.4.2.2 Phototheodolit 227 5.4.2.3 Genäherte Stereoaufnahme 227 5.4.2.4 Bildpaare 227 5.4.2.5 Bildreihe 228
XIII 5.4.3 Geräte und Software 229 5.4.4 Orientierung 230 5.4.5 Auswertung 232 5.5 Mehrbildphotogrammetrie 234 5.5.1 Bildaufnahme 235 5.5.2 Orientierung 236 5.5.3 Auswertung 237 5.5.4 Software 239 5.6 Sonderverfahren 240 5.6.1 Doppelverhältnis 240 5.6.2 Graphische Entzerrung 240 5.6.3 Graphische Rekonstruktion eines Grundrisses 241 5.6.4 Einschneideverfahren nach MEYDENBAUER 243 5.6.5 Tiefenbestimmung aus Einzelbildern 244 5.6.6 Bildfolgen 245 5.7 Aerophotogrammetrie 245 5.7.1 Systematische Befliegungen mit Reihenmesskameras 245 5.7.2 Digitale Luftbildkameras 246 5.7.3 Sonderlösungen 247 6 Laserscanning 248 6.1 Grundlagen der Laserscanner 248 6.1.1 Laserscanner mit elektro-optischer Entfernungsmessung 248 6.1.2 Laserscanner mit CCD-Kameras 251 6.1.3 3D-Messsysteme mit strukturiertem Licht 252 6.1.4 Übersicht über verfügbare Laserscanner 252 6.1.4.1 Scanner mit CCD-Kameras 252 6.1.4.2 Scanner mit elektro-optischer Streckenmessung 253 6.1.5 Weitere Unterscheidungskriterien 253 6.1.6 Auswahl des richtigen Scanners 254 6.2 Erfassung von figürlichen 3D-Objekten 255 6.3 Erfassung von Oberflächen 257 6.4 Digitale Kopie 261 6.5 Objektmodellierung 262 7 Projektmanagement 264 7.1 Aufgabenanalyse 267 7.1.1 Was muss gemessen werden? 267 7.1.2 Wie detailliert muss gemessen werden? 268 7.1.3 Wie genau muss gemessen werden? 268
XIV 7.2 Messplanung 269 7.2.1 Methodenauswahl 269 7.2.1.1 Wohngebäude 269 7.2.1.2 Repräsentative Fassade 270 7.2.1.3 Dekoration: Reliefs, Mosaiken, Decken- oder Wandfresken 271 7.2.1.4 Dachstuhl 271 72.1.5 Ruine 273 7.2.2 Planung des geodätischen Bezugsnetzes 274 7.2.3 Planung der einzelnen Messungen 279 7.2.3.1... für die Fassadenansichten 279 7.2.3.2... für die Grundrissdarstellung 279 7.2.3.3... für Längs- und Querschnitte 279 7.2.4 Planung der photogrammetrischen Bildaufnahmen 279 7.2.5 Zeitplanung 280 7.2.6 Ausrüstungslisten 281 7.3 Messdokumente 283 7.3.1 Formen der Dokumente 283 7.3.1.1 Zeichnungen 283 7.3.1.2 Feldbücher 284 7.3.1.3 Fotografien 285 7.3.2 Inhalte der Dokumention 286 7.4 Nachbearbeitung 287 7.4.1 Datenfusion 287 7.4.1.1 Manuelles Zeichnen 287 7.4.1.2 CAD-Bearbeitung 288 7.4.1.3 Mosaikbildung 289 7.4.2 Qualitätssicherung 290 7.4.2.1 Mathematische und statistische Bewertungen 290 7.4.2.2 Spannmaßkontrollen 290 7.4.2.3 Plausibilitätskontrolle 290 7.4.2.4 Rückprojektion von 3D-CAD-Daten in Fotos 291 75 Übergabe 292 8 Zusammenfassung und Ausblick 293 8.1 Methoden in Entwicklung 293 8.1.1 Automatische Tachymetrie 293 8.1.2 3D-Modellierung 295 8.1.3 Digitale Bildverarbeitung 296 8.2 Vorgehensweise heute und morgen 297 8.3 Zusammenfassung 298
XV Glossar 299 Symbolverzeichnis 302 Abkürzungen 303 Literaturverzeichnis 304 Sachwortverzeichnis 312