Garten- & Landschaftsbau-Verband

GPS-Vermessung: Messdiener im All

Foto Leica Geosystem smalsNeben Tachymetern kommen im Hoch- und Tiefbau oder Garten- und Landschaftsbau zunehmend auch Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) und das 3D-Laserscanning zum Einsatz. Welche Technologie ist wofür am besten geeignet?

Präzise 3D-Messdaten bilden die Grundlage erfolgreicher Bauprojekte und werden für die Entwurfs- und Ausführungsplanung im Hoch- und Tiefbau, im Straßen-, Garten- und Landschaftsbau immer wichtiger. Dabei werden die vorhandene Topographie, Vegetation, Infrastruktur und der Gebäudebestand in ein digitales Datenformat überführt. Auf dieser Grundlage lassen sich dann Planungskonzepte für Hoch- und Tiefbauprojekte, öffentliche Plätze, Parkanlagen, Gärten oder Grünbereiche entwickeln. Neben tachymetrischen Vermessungssystemen bieten sich inzwischen auch Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) und das 3D-Laserscanning an. Doch welche Technologie ist für welche Projekte am besten geeignet? Wie hoch ist der technische, personelle und zeitliche Aufwand und wie werden die Messdaten aufbereitet, um daraus Abrechnungen oder für die Planung verwertbare digitale Bauwerksmodelle, Gelände- und Landschaftsmodelle zu erhalten?

Wie funktioniert die Technik?
Die GNSS-Vermessung und Positionierung basiert auf der Entfernungsmessung zwischen den in der Erdumlaufbahn kreisenden Satelliten und dem GNSS-Empfänger auf der Erde. Aus den Laufzeiten der Signale mehrerer Satelliten, die gleichzeitig empfangen werden, berechnet der GNSS-Empfänger seinen Standort in der Lage und Höhe. Mindestens vier Satellitensignale werden benötigt, um eine Position und die Zeit im dreidimensionalen Raum exakt zu bestimmen. In der Praxis stehen fünf Satelliten, häufig sogar sechs oder sieben zur Verfügung. Bei der Positionsbestimmung werden – je nach geforderter Genauigkeit und dem verfügbaren GNSS-Technik – verschiedene Methoden eingesetzt: Während die autonome Navigation ohne Korrekturdaten eine Positionierungsgenauigkeit nur zwischen 20 und 100 Metern ermöglicht und beispielsweise von Wanderern eingesetzt wird, erlaubt die Differentiell korrigierte Positionierung (DGPS) Genauigkeiten zwischen 0,5 und 5 Metern. Eine höhere, auch im Baubereich verwertbare Genauigkeit zwischen 0,05 und 2 Zentimetern liefert die Differentielle Phasenmessung. Dieses Verfahren kann sowohl für Vermessungszwecke als auch zur Maschinensteuerung eingesetzt werden. Um derart hohe Genauigkeit im Zentimeter- und Millimeterbereich zu erhalten, sind Fehlerkorrekturen der Satellitendaten erforderlich. Diese werden entweder per Funk von einer lokalen Basisstation oder über das mobile Internet von einem Korrekturdatendienst übermittelt. Bei größeren Bauprojekten empfiehlt sich die Einrichtung einer permanenten GNSS-Referenzstation mit mehreren Antennen. Dabei sollte allerdings auf Reichweitenstabilität, Resistenz des Funksignals gegenüber Störquellen und Diebstahlsicherheit geachtet werden.

Was leisten satellitengestützte Systeme?
GPS Vermessung 2 smalZu einem GNSS-System gehört zunächst ein mit einem GNSS-Empfänger ausgestattetes Gerät für die Navigation, Positionsbestimmung oder Vermessung. Das können handgeführte oder an Baumaschinen angebrachte GNSS-Empfänger oder so genannte GNSS-Rover sein, mit denen Messdaten erfasst, respektive zentimetergenaue Positionsdaten übermittelt werden. Zum System gehören auch mit dem GNSS-Empfänger meist per Bluetooth-Funkstandard verbundene Feldrechner und die Feldsoftware. Der Feldrechner ist in der Regel ein baustellentaugliches Rugged-Smartphone oder Tablet, mit dem die Messdaten innerhalb der Feldsoftware verarbeitet und bei Bedarf direkt an den Bürorechner versandt werden können. Inzwischen gibt es mehrere nationale GNSS-Systeme: das US-amerikanische GPS, das von der russischen Föderation betriebene GLONASS sowie die im Aufbau befindlichen Systeme Gallileo (Europäische Union) und Beidou (China). Das Anwendungsspektrum reicht von der Ortung und Navigation, über die Logistik und das Flottenmanagement von Fahrzeugen, bis hin zur Automation und Steuerung von Baumaschinen. Die GNSS-Technik eignet sich ebenso für einfache Vermessungsaufgaben, Absteckungen, Nivellierungen oder Volumenberechnungen, wie für die Überprüfung von Auf- und Abträgen, die Kontrolle des Aushubs oder die Dokumentation ausgeführter Arbeiten. Dazu werden mit Hilfe des GNSS-Empfängers/Rovers, Feldrechners und der Feldsoftware in einer vorhandenen oder neu angelegten Baustellenskizze alle wichtigen 3D-Messkoordinaten eines Geländes, einer Baugrube, Halde oder einer bestehenden Infrastruktur Punkt für Punkt selektiv erfasst. Sind alle Punkte – etwa die Oberkante und Unterkante einer Baugrube –  sukzessive aufgemessen und vom Anwender zugeordnet, kann er im Berechnungsmodul Flächen oder Volumina ermitteln, Querprofile erstellen und ein Abrechnungsprotokoll gleich an den Bürorechner senden. Das rationalisiert Arbeitsabläufe, reduziert Fehlerquellen und den Arbeitsaufwand.

 

Welche Vorteile hat die GNSS-Maschinensteuerung?
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Die Aufmaßdaten lassen sich nicht nur in Abrechnungen oder in CAD-Systemen zu dreidimensionalen Digitalen Geländemodellen (DGM) verarbeiten und daraus Planungsunterlagen erstellen. Planungsdaten können auch für die Maschinensteuerung auf der Baustelle eingesetzt werden, zum Beispiel von Baggern oder Planierraupen, die mit 3D-Maschinensteuerungssystemen ausgestattet sind. Baugruben, Böschungen, Gräben oder Dämme lassen sich damit sehr schnell und sehr präzise realisieren. Dabei wird das Geländemodell über einen Monitor im Führerstand der Baumaschine angezeigt. Darauf sieht der Fahrer kontinuierlich die Position der Maschine im Gelände, zusammen mit weiteren Gelände- und Positionsdaten. Damit ist er in der Lage, zentimetergenau zu arbeiten. Mit Hilfe der 3D-Maschinensteuerung erübrigen sich ungenaue Schätzungen oder zeitaufwändige, manuelle Vermessungsarbeiten und Absteckungen zur Positionierung und der Ermittlung von Soll- und Ist-Maßen. Arbeitsabläufe lassen sich optimieren und beschleunigen. Insgesamt vereinfacht der Einsatz moderner Mess-, Dokumentations-, Navigations- und Steuerungstechnologien den Ablauf auf der Baustelle und ermöglicht Planern einen kontinuierlichen Überblick über den Baufortschritt. Zu den weiteren Vorteilen der satellitengestützten Vermessung und Positionsermittlung zählt, dass keine Sichtverbindung zwischen den Messpunkten bestehen muss, das Verfahren zu jeder Tages- oder Nachtzeit und bei jedem Wetter einsetzbar ist, dass es präzise Messungen liefert und weniger personellen Aufwand erfordert. Es gibt auch Grenzen: so können in der Praxis die Satellitensignale durch große Gebäude, Gebäudeteile oder die Vegetation etc. abgeschattet werden. Daher ist GNSS im urbanen Bereich, in bewaldeten Gebieten oder in beengten Baustellensituationen nur eingeschränkt, in Innenräumen überhaupt nicht einsetzbar. Bei vielen Vermessungsaufgaben ist es daher sinnvoll, ergänzende Systeme, etwa das 3D-Laserscanning einzusetzen.

Wo kann 3D-Laserscanning GNSS ergänzen?
Beim 3D-Laserscanning tastet ein auf einem Dreibeinstativ befestigter, horizontal und vertikal rotierender Laserscanner die Umgebung rasterförmig ab und speichert die Geometriedaten in Form von 3D-Koordinatenwerten. Das Ergebnis ist ein millimetergenaues geometrisches Aufmaß. Zusätzlich macht die integrierte Digitalkamera während der Drehung Digitalfotos, die nahtlos zu einem 360-Grad-Fotopanorama zusammengefügt und beispielsweise für Visualisierungen der Planung genutzt werden können. Aktuelle 3D-Scanner erfassen ein 360 x ca. 320 Grad-Panorama (horizontal/vertikal), über Distanzen bis 500 Meter und mehr, mit einer Auflösung von bis zu einer Million Messpunkten pro Sekunde – und das bis auf wenige Millimeter genau. Da nicht wie bei der satellitengestützten Vermessung Punkt für Punkt manuell erfasst, sondern rasterförmig gescannt wird, eignet sich das Laserscanning besonders für extrem komplexe oder stark strukturierte Objekte. Ein weiterer Vorteil ist, dass nur eine Bedienperson erforderlich ist. Da die Datenerfassung relativ schnell abläuft, lässt sich die Verweildauer, die Unfallgefahr und die Wetterexposition vor Ort minimieren. Weil der Scanner nicht durch massive Objekte oder durch die Vegetation hindurch messen kann, ist in der Regel immer eine Mehrfach-Aufstellung des Laserscanners notwendig. Die dabei entstehenden Scans aus unterschiedlichen Standpunkten werden später bei der Auswertung anhand von Referenzpunkten passgenau zusammengefügt und überlagert. Der gesamte Messvorgang läuft so schnell ab, dass auch schwierige Messaufgaben in wenigen Minuten erledigt werden können. Dieser Zeitvorteil relativiert sich zwar bei der anschließenden Auswertung der aus mehreren Millionen 3D-Messpunkten bestehenden "Punktwolken" etwas. Dennoch lassen sich im Vergleich zu anderen Messverfahren etwa ein Drittel an Aufmaßkosten einsparen. Wie lange man für die Auswertung insgesamt braucht, hängt vom gewünschten Ergebnis ab. Gelände-Aufsichten oder ﷓Schnitte lassen sich relativ schnell in wenigen Minuten ableiten. Etwas länger dauert es, wenn aus der Punktwolke ein dreidimensionales CAD-Modell generiert werden soll. Da immer mehr CAD-Programme über einen Punktwolken-Import und entsprechende Bearbeitungsfunktionen verfügen, kann man häufig direkt im CAD-Programm auswerten und die Laserscanning-Daten beispielsweise mit GNSS-Daten überlagern, was den gesamten Prozess deutlich beschleunigt.

Fazit: Neue Technik setzt Know-how voraus
GPS Vermessung 5 smalDie GNSS-Vermessung und das 3D-Laserscanning sind relativ junge Technologien, deren Potenziale noch längst nicht ausgeschöpft sind. Beide Verfahren eignen sich ideal für eine digitale, BIM-gerechte Bestandserfassung (Building Information Modeling), weil man aus den Aufmaßdaten schnell BIM-Modelle generieren kann. Auch der Aktuelle Trend zur Projektvisualisierung und Präsentation mit Hilfe der Virtual und Augmented Reality (VR, AR) wird durch die digitale 3D-Erfassung unterstützt. So lässt sich beispielsweise das per Laserscanner erfasste Baustellenumfeld mit CAD-Planungsdaten überlagern und per VR-Brille präsentieren. Damit kann man dem Bauherrn, noch bevor die Baugrube ausgehoben ist, eindrücklich vermitteln, wie das geplante Projekt später aussehen wird. Gleichwohl sind die modernen Vermessungsverfahren keine Universalwerkzeuge. Die Einschränkungen im praktischen Einsatz werden häufig durch örtliche Abschattungsbedingungen bestimmt. Deshalb muss man sich vorher Gedanken machen, wo man am besten welche Messwerkzeuge einsetzt. Zudem setzen die neuen Technologien nicht nur ein umfangreiches Equipment mit entsprechender datentechnischer Vernetzung, sondern auch fachkundiges Personal mit entsprechender Ausbildung und Erfahrung voraus.

GNSS, GPS, GLONASS – oder was?
GNSS (Globales Navigationssatellitensystem) ist ein Sammelbegriff für verschiedene nationale Satellitensysteme wie GPS, GLONASS oder Galileo. Globale Navigationssatellitensysteme werden im Baubereich für Vermessungs-, Absteckungs-, Nivellierungs-, Kontroll- oder Dokumentationsaufgaben oder die Steuerung von Baumaschinen eingesetzt. Um eine im Baubereich nutzbare Genauigkeit im Zentimeterbereich zu erhalten, sind zusätzlich zu den Satellitendaten Korrekturdaten erforderlich.

 

Weitere Infos und Quellen
GPS Vermessung smalwww.laserscanning-europe.com - Infos, Service, Produkte
www.wikipedia.at - Suche: GNSS etc.
www.youtube.at - Suche: Laserscanning etc.
Bauer, M.: Vermessung und Ortung mit Satelliten. Globales Navigationssatellitensystem (GNSS) und andere satellitengestützte Navigationssysteme. Wichmann-Verlag/Berlin, 2011
Leica Geosystems (Hrsg.): GPS-Grundlagen. Einführung in die GPS-Vermessung (Global Positioning System), Eigenverlag/Heerbrugg, 2000, Download: http://www.leica-geosystems.de/de/Support-Service-Downloads_8346.htm?cid=6759

Wiedemann, A.: Handbuch Bauwerksvermessung. Geodäsie, Photogrammetrie, Laserscanning, Birkhäuser-Verlag/Basel, 2004

GNSS-Anbieter*: www.etieve.com - www.leica-geosystems.de - www.sitech.de - www.spectraprecision.com - www.topconpositioning.com - www.trimble.com
Laserscanner-Anbieter*: www.faro.com - www.leica-geosystems.de - www.maptek.com - www.riegl.co.at - www.surphaser.com - www.topconpositioning.com - www.trimble.com - www.zf-laser.com
* Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit

  • Die GNSS-Technik eignet sich auch für einfache Vermessungsaufgaben, Absteckungen, Nivellierungen, Volumenberechnungen, die Kontrolle von Aushubarbeiten oder die Dokumentation ausgeführter Arbeiten
  • Zum Equipment gehören der GNSS-Empfänger und ein Feldrechner mit darauf installierter Feldsoftware
  • 3D-Laserscanner ergänzen die GNSS-Vermessung, weil komplexe Objekte sehr schnell rasterförmig erfasst werden können
    Per Laserscanner lässt sich schnell und mit hoher Genauigkeit prüfen, wo Soll- und Ist-Maße schon oder noch nicht übereinstimmen.

Text: DI Martin Behaneck

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