Projekt

Marvin J. Gabler - (FB3) Masterarbeit

Evaluierung vermessungstechnischer Aufnahmeverfahren zur Erfassung der Massenbewegungen einer Stauseesanierung

Einreichung der Arbeit: August 2020

Inhalt der Arbeit ist die vergleichende Untersuchung verschiedener vermessungstechnischer Aufnahmeverfahren zur Erfassung von Erdmassenbewegungen wie Echolot-Aufnahme, terrestrische Vermessung, terrestrisches Laserscanning (TLS) und Photogrammetrie im Hinblick auf Effizienz, technische Umsetzung und Genauigkeit.

Dies erfolgte im Rahmen eines Vorhabens des Thüringer Landesamtes für Bodenmanagement und Geoinformation zur Entschlämmung der Gewässersohle und Erhöhung des Überlaufbauwerks der Talsperre Brandrübel (ca. 3,5 km südwestlich der Stadt Schmölln in Ostthüringen) und soll auch helfen, die Bearbeitung künftiger vergleichbarer Projekte zu vereinheitlichen. Vermessungstechnisch begleitet wurde das Entschlämmungsprojekt durch die in Schmölln ansässige Firma Vermessungsbüro Gabler GmbH (Inhaber: Dipl.-Ing. (FH) Jens Gabler).

In der Arbeit werden zunächst die theoretischen Grundlagen der GNSS-Messung (Nutzung eines globalen Satellitennavigationssystems), der tachymetrischen Aufnahme (Nutzung eines elektro-optischen Instruments zur Messung von Distanzen und Richtungen), des Nivellements (optische Bestimmung der Höhendifferenzen zwischen Messpunkten), des terrestrischen Laserscannings (automatisierte laserbasierte Streckenmessungen durch definierte Abtastschritte in vertikaler und horizontaler Richtung), der Bathymetrie (vermessungstechnische Erfassung von Gewässerböden), der Photogrammetrie (Rekonstruktion der Lage und Form von Objekten aus Bildern) sowie der Anwendung von unbemannten Fluggeräten (UAV) und Ultraleichtflugzeugen (UL) zur Erfassung dreidimensionaler geometrischer Daten ausführlich erläutert. Hierbei finden unter anderem auch solche Aspekte Berücksichtigung wie der Workflow bei der photogrammetrischen Prozessierung, die Kamerakalibrierung, die für die effiziente Auswertung photogrammetrischer Aufnahmen benötigte Software und die für UAV sowie UL erforderliche Flugplanungssoftware.

Die vermessungstechnische Datenerfassung gliederte sich im Wesentlichen in 4 Verfahrensabschnitte (Normalzustand vor Beginn der Bauarbeiten, Zustand nach Ablassen des Wassers und vor Beginn der Bauarbeiten, Zwischenzustand nach teilweiser Entschlämmung, Ist-Zustand nach Beendigung der Bauarbeiten). Zunächst wurde eine Reihe von Arbeitsschritten geplant, um die zu evaluierenden Verfahren in sinnvoller Weise in den unterschiedlichen Verfahrensabschnitten anzuwenden. Für künftige vergleichbare Projekte wurde außerdem ein Bearbeitungsworkflow abgeleitet.

In der schriftlichen Arbeit wird die Realisierung der geplanten Arbeitsschritte ausführlich dokumentiert. Zunächst wurde zwecks Herstellung eines einheitlichen Raumbezugs für das Messgebiet ein Festpunktfeld angelegt. Die Lagebestimmung der Festpunkte erfolgte hierbei durch GNSS-Messungen und die Höhenbestimmung zwecks Genauigkeitssteigerung durch Höhenübertragung von amtlichen Höhenfestpunkten mittels Nivellement.

Vor Beginn der Stauseesanierung erfolgte die bathymetrische Datenerfassung zum einen mittels autonomer Echolot-Messung unter Anwendung des von der Münchener Firma CADdy Geomatics GmbH entwickelten autonomen Messbootes Swimming Surveyor. Zum Vergleich wurde eine terrestrische Aufnahme durch Stangenlotung von einem Boot in Kombination mit einer GNSS-Messung durchgeführt. Außerdem wurden vom Boot nicht messbare Flachwasser-, Rand- und Uferbereiche in einer kombinierten terrestrischen Aufnahmemethode mittels GNSS und Tachymeter erfasst.

Diese kombinierte Methode wurde auch für die messtechnische Erfassung der Schlämmgrube nach Abschluss der Bauarbeiten angewandt. Die Schlämmgrube wurde zusätzlich mittels terrestrischem Laserscanning aufgenommen, wobei für die vollständige Aufnahme 31 verschiedene Standpunkte erforderlich waren und diese insgesamt ca. 3 Stunden dauerte.

Die photogrammetrische Aufnahme wurde zur Erfassung des Urgeländes, eines Zwischenstandes und des Endzustandes nach Abschluss der Baumaßnahmen angewandt. Hierbei wurde sowohl ein zu testendes UAV-System als auch ein firmeneigenes UL-System eingesetzt. Die Flugplanung erfolgte unmittelbar vor Ort, wobei auf Wirtschaftlichkeit, Genauigkeit und Witterungseinflüsse zu achten war. Ausgewertet wurden die bei den Flügen erfassten und gespeicherten Daten anschließend im Innendienst mit Hilfe der Software Metashape der Firma Agisoft.

Um die von den unterschiedlichen Aufnahmeverfahren generierten 3D-Punktwolken in einheitlicher Weise auswerten zu können, wurde für die Modellierung, die Genauigkeitsbetrachtung, die Evaluierung und die abschließende Massenberechnung als gemeinsame Softwarelösung die von der Firma AllTerra Deutschland GmbH für dieses Projekt bereitgestellte Software Trimble Business Center (TBC) benutzt.

Mit Hilfe von TBC wurden aus den mit den unterschiedlichen Verfahren erhobenen Daten digitale Höhenmodelle (DHM) abgeleitet. Dabei wurden diejenigen Modelle als Referenzmodelle für die Evaluierung benutzt, die aus den Aufnahmemethoden abgeleitet sind, welche die bisherige firmeninterne Vorgehensweise bei der Bearbeitung vergleichbarer Projekte repräsentieren (Tachymetrie, GNSS, Bathymetrie). Erforderlichenfalls erfolgte eine Verbesserung und Vervollständigung der Datengrundlage durch zusätzliche Erfassung der Bruchkanten in der Örtlichkeit. Als Bezugshorizont für die Volumenberechnungen wurde die Höhe des tiefsten Punktes im Verfahrensgebiet festgelegt.

Zur Ableitung von Sollwerten für die punktuelle Validierung der unterschiedlichen 3D-Punktwolken wurden ferner insgesamt 61 über das gesamte Verfahrensgebiet verteilte Kontrollpunkte mittels doppelter GNSS-Messung und anschließender Mittelbildung aufgenommen. Um einen detaillierten Einblick in die Qualität der unterschiedlichen Höhenmodelle zu ermöglichen, wurde eine in Teilgebiete gegliederte Analyse vorgenommen, bei der sowohl das Gesamtgebiet des Staukörpers als auch geeignet gewählte größere und kleinere Kontrollgebiete innerhalb des Gesamtgebiets sowie Testfelder außerhalb des Speicherbeckens betrachtet wurden. Für diese Testfelder wurden Höhenmodelle mit Hilfe der erwähnten Kontrollpunkte abgeleitet, die als feste Bezugsflächen zur Bestimmung absoluter Fehler der zu evaluierenden Verfahren dienten. Im Hinblick auf einen möglichen Einfluss auf die Genauigkeit der Resultate wurden bei der Festlegung der Kontrollgebiete und Testfelder auch unterschiedliche Oberflächenmaterialien wie Asphalt, Pflaster, Kies und Schlamm berücksichtigt.

Um die verschiedenen Verfahrem miteinander vergleichbar zu machen, wurden für die festgelegten Gebiete Volumenberechnngen gegen den Bezugshorizont durchgeführt. Bei Berücksichtigung der Flächen dieser Gebiete konnten daraus Höhenabweichungen der Verfahren abgeleitet werden, die als eindimensionale Größen eine vereinfachte Einschätzung ihrer Güte ermöglichten. Im Einzelnen wurden so für die verschiedenen Gebiete wie Gesamtgebiet, Staukörper West, Staukörper Ost, ausgewählte Kontrollgebiete und Testfelder für die aus den angewendeten Verfahren für das Urgelände, den Zwischen- und Endstand abgeleiteten Höhenmodelle sowohl die Streubreite der relativen Höhenabweichungen der Verfahren als auch die absoluten Höhenabweichungen bezüglich des weiter oben erwähnten Referenzmodells bestimmt.

Im Ergebnis der Evaluierungen der Verfahren zur Ersterfassung, der projektbegleitenden Verfahren und der Verfahren zum Endzustand konnten so jeweils der Mittelwert der ermittelten Volumina gegen den Bezugshorizont, die absouten Abweichungen der mittleren Höhen vom Referenzwert und die Standardabweichung der mittleren Höhen vergleichend gegenübergestellt und ausgewertet werden. Als grundlegendes Resultat dieser im Detail recht umfangreichen Auswertungen konnte festgehalten werden, dass die evaluierten Verfahren zwar unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen, jedoch alle dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen und die betriebsinternen Genauigkeitsanforderungen erreichen. Somit sind alle evaluierten Verfahren zur 3D-Punktwolkenbestimmung, zur DGM-Generierung und zur Massenberechnung geeignet und können auch für künftige Projekte verwendet werden.

Außerdem wurden weitere, vom Auftraggeber des bearbeiteten Projekts geforderte Berechnungen durchgeführt. So wurde die Gesamtmasse der bei den Bauarbeiten entnommenen Sedimente bestimmt und ein im Rahmen der Hochwasserschutzmaßnahmen benötigtes Anstaukonzept erarbeitet. Mit diesen Berechnungen konnte auch bestätigt werden, dass der geplante zusätzliche Hochwasserrückhalteraum durch die Bauarbeiten erreicht wurde.

Die schriftliche Arbeit wird ergänzt durch eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zu den evaluierten Aufnahmeverfahren, bei der sowohl die Anschaffungs- und Verfahrenskosten als auch der zeitliche Aufwand berücksichtigt werden. Dabei konnte unter anderem herausgestellt werden, dass die Verfahren TLS, UAV und Echolot im Vergleich zur bisherigen firmeninternen Bearbeitungsweise deutliche Vorteile aufweisen.