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  • Volker
    Volker

    Kanalquerschnitts- und Profilvermessung in der Praxis

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    Versuchsaufbau bei JT-elektronik, Z+F IMAGER 5010c mit zusätzlicher IMUNachdem mit 3D-Kameraequipments auch Querschnitte von Abwasserleitungen vermessen werden sollen, wollen wir uns dem Thema kurz widmen. Vielen von Ihnen sind diverse Fachberichte zu Laserscann, photographischen und manuellen Messmethoden bekannt. Ein perfekteres Vorgehen erfordert jedoch eine detaillierte Lasermessung, wie die Firma Zoller + Fröhlich eine entsprechende Technologie entwickelte, konstruiert und auch vertreibt. Mit unserer Partnerfirma scandric 3D SOLUTIONS aus Bochum haben wir bereits mehrere Kanaluntersuchungen mit dem Scanner Z+F IMAGER 5016 realisiert.

     

    Nun eine knappe, sicherlich auch unvollständige Zusammenfassung über vorhandene Systeme:

     

    1. Mechanische Sensormessung über Kufen und Winkelveränderung

    2. Bildauswertung über an die Rohrwand projizierte Laserkreise

    3. Profil und Abstandsmessung mittels Triangulation

    4. Laserscann über 2 Lichtpunkte mit der anschließenden softwaretechnischen Photogrammmetrie

    5. Laservermessung mittels reflektierter Laufzeit- und somit Entfernungsmessung

     

    Zu 1.

    Bereits in den 90er Jahren hat die in Gera ansässige Firma Optimess ein Verfahren mit 3 und 4 Kufen entwickelt. Die mechanische Einheit wurde durch den Kanal verfahren und gleichzeitig wurden über die Winkeländerungen der auf der Rohrwandung anliegenden Kufen die Durchmesser berechnet. Eine präzise Profil- oder Querschnittsmessung war jedoch nicht möglich, da die Bewegung nicht radial, sondern nur in der Rohrlängsachse erfolgte. Eine von JT entwickelte Radial-Kreismessung wurde aufgrund der aufwändigen Handhabung nicht weiterverfolgt.

     

    Zu 2.

    Mittels einer rotierenden Vorrichtung werden permanent Lichtpunkte auf die Rohrwandung projiziert, welche die Kanalkamera aufnimmt. Diese auf der Kanalwandung reflektierten Messkreise werden softwaremäßig und bildtechnisch ausgewertet. Ein Hilfsmaßstab definiert mit 2 Kanten eine Breite, welche als Referenzlänge verwendet wird. Damit sind Kreisprofile, aber auch andere Kanalquerschnitte ziemlich genau messbar, wobei an sich nicht vermessen, sondern die abgebildeten Laser-Lichtkreise über die Software gemessen werden.

     

    Zu 3.

    Triangulation ist eine geometrische Methode der optischen Abstandsmessung durch genaue Winkelmessung innerhalb von Dreiecken. Die Berechnung erfolgt mittels trigonometrischer Funktionen. Vereinfacht könnte man auch sagen, dass von zwei Punkten, deren Abstand bekannt ist, Winkelmessungen zu beliebig anderen Punkten im Raum erfolgen, um deren Lage eindeutig zu bezeichnen (Wikipedia 2/2021). Bei diesem Verfahren werden im Kamerakopf optische Sender und Empfänger eingebaut, die während der Kreisrotation die Abstände erfassen und das Profil und den Rohrumfang berechnen. Eine vollumfängliche Aussage zu Querschnitt und Deformation, Rohrversätzen, etc. ist während eines Fahrbetriebs vermutlich nur eingeschränkt möglich.

     

    Zu 4.

    Bei dieser Rohr-Durchmesser- und Umfangsberechnung wird eine Bildverarbeitungssoftware verwendet, welche den Abstand der zwei auf der Rohrwand projizierten und im Kreis rotierenden Laserbildpunkte kontinuierlich berechnet. Die auf der Kanalwandung reflektierten Laserpunkte sind optisch sichtbar und die Foto- bzw. Bildauswertung erkennt stetig diese beiden Punkte und berechnet deren Abstände. Über die Winkel des Kamera-Objektivs wird nun der Abstand der Kamera zur Rohrwandung in speziellen Rechenvorgängen berechnet. Durch die permanente Kreisbewegung der Kamera werden mit den berechneten Abständen und der zugehörigen Kreiswinkel der Rohrumfang in sehr komplexen Rechenvorgängen errechnet.
     

    Die Tücken einer solchen Messung, die nur auf einer Bildverarbeitung basieren, sind vielfältig. Wenn die Kamera z.B. nicht 90 Grad zur Rohrwandung positioniert ist, dann entstehen sogenannte Winkelfehler, weil die Punkte nicht im gleichen Abstand auf die Rohrwandung treffen. Wie sehen die Reflexionspunkte auf trockenen und feuchten oder nassen Rohroberflächen aus? Sind es präzise Rückstrahlpunkte oder verschwimmen diese auf der Rohrwand? Sollte der Kamerafahrwagen nicht optimal in der Sohle fahren, werden über verschiedene Neigungen und Schrägstellungen der Kamera auch diese Fehlstellungen gemessen und verschlechtern somit vermutlich das Messergebnis. Die automatische Erkennung der beiden Laserpunkte versagt, wenn diese Punkte nicht präzise rückgestrahlt werden. Ein Problem grundsätzlicher Art entsteht, sofern die Rohrsohle nicht abwasserfrei ist. Aber das betrifft an sich alle Messverfahren.

     

    Diese Methode ist jedoch ausreichend, um mit den zwei Laserpunkten statisch und rechnerisch die Breite von Rohrverbindungen oder Muffenversätzen in der Länge und Höhe zu messen, aber auch um Risse oder die Durchmesser von Anschlusskanälen zu ermitteln. Dies erfolgt mathematisch in einem Dreisatz, weil die sichtbaren Laserdioden auf dem Monitor einen bestimmten Abstand definieren.

     

    Zu 5.

    OrthoFoto.jpgEin Laserscann funktioniert gänzlich anders. In Wikipedia finden wir:

    Laserscanning (auch Laserabtastung) bezeichnet das zeilen- oder rasterartige Überstreichen von Oberflächen oder Körpern mit einem Laserstrahl, um diese zu vermessen, zu bearbeiten oder um ein Bild zu erzeugen. Sensoren, die den Laserstrahl entsprechend ablenken, heißen Laserscanner. Ein Laserscanner, der neben der Objektgeometrie zusätzlich die Intensität des reflektierten Signals erfasst, wird abbildender Laserscanner genannt. Die Aufnahme der Intensitätswerte des von den aufgenommenen Oberflächen reflektierten Laserlichtes erfolgt bei heutigen Lasermesssystemen in 16-bit-Graustufen. Im Ergebnis erhält man ein Abbild der Oberflächen ähnlich dem eines Schwarzweißfotos.

     

    In der Zusammenarbeit der Lindauer JT-elektronik mit dem Laserscanner-Hersteller „Zoller + Fröhlich“, die in Wangen/Allgäu ansässig ist, wurde bereits 2015 deren Graustufen-Scanner mit einer speziellen Farb-Fototechnik und integrierter Beleuchtungseinrichtung erweitert. Der heutige Z+F IMAGER 5016 realisiert somit nicht nur millimetergenaue XYZ Koordinaten, sondern darüber hinaus 42 Einzelfotos mit bis zu 11 Belichtungsstufen (HDR). Die Einzelfotos werden softwaregesteuert zusammengesetzt. Das Ergebnis ist ein 360° Panoramafoto, perfekt ausgeleuchtet ohne Über- und Unterbelichtungen. Jedem Farbpixel ist eine XYZ Koordinate zugeordnet, die ideale Grundlage für eine Vielzahl ingenieurtechnischer Fragestellungen.

     

    ingenieurtechnische Auswertungen.jpgEin Laserscann ist vereinfacht gesagt eine kontinuierliche Abtastung der Umgebung, welche in vielen Drehbewegungen erfolgt. Das lasergesendete Signal wird auf dem Gegenstand zurückreflektiert und die Laufzeit des Laserstrahls definiert die Entfernung zum Objekt. Die interne Software berechnet somit präzise den Abstand zwischen Scanner und Objekt. Zu flache Winkel reflektieren nicht, auch abgeschattete Bereiche können nicht gemessen werden. Aus diesem Grunde sind mehrere Scans an verschiedenen Positionen erforderlich. Diese Einzelscans werden softwareseitig zu einer kompletten 3D-Punktwolke zusammengesetzt und können bei Bedarf direkt in ein amtliches Koordinatensystem (z.B. UTM) überführt werden. Der Laserstrahl misst präzise und die Fototechnik unterstützt, wäre die Zusammenfassung.

     

    Durchführung einer Vermessung

     

    Software Z+F LaserControl_02.JPGWir fahren den Z+F IMAGER 5016 auf einer Vorrichtung vor dem Kamerafahrwagen und positionieren diese Einheit meistens kurz vor einer Rohrverbindung oder auch einem besonderen Ereignis, wie z.B. Ausbrüche, Scherbenbildung, Anschlüsse, Deformierungen, etc.. Somit werden meist in 2 bis 5 m langen Abschnitten komplette 3D-Scans erzeugt, welche in der Nachbearbeitung eine Zylinderdarstellung des Rohres generieren. Zu wenige oder zu weit auseinanderstehende Positionen des Laserscanners verschlechtern die Berechnungen und die Darstellungen. Sogenannte Abschattungen sollten vermieden werden.

     

    Software Z+F LaserControl_01.JPGIn unserer seit 2016 bestehenden Zusammenarbeit mit der Firma scandric 3D SOLUTIONS konnten schon viele gemeinsame Aufträge abgearbeitet werden. Oftmals waren es Erstaufnahmen zu einer Beweissicherung, aber auch der Oberflächenmessung von Straßen und Schachteinbauten. Durch den Einsatz weiterer Messensorik wie z.B. hochwertiger IMUs, so werden spezielle Lage- Höhendetektoren bezeichnet, können Daten und Anforderungen an die Untersuchung noch weiter gesteigert und somit die Auswertungen noch perfekter und aussagefähiger gemacht werden. Präzise Umgebungs- und Schachtaufnahmen mit den hochgenauen Laserscans in den Haltungen gewährleisten die besten Voraussetzungen, um den Bestand zu dokumentieren, aber auch für eine spätere Bearbeitung im Büro als z.B. „digitale Baustelleneinrichtung“.

     

    360°Scan_01.jpgZusammen mit der generierten Laservermessung einer gesamten Haltung und der Inspektion von Anschlusskanälen können komplette Kanalnetz Darstellungen virtuell in 3D erzeugt werden. Mit der Software ASYS 3D von der Firma bluemetric software aus Griesheim, welche die XYZ-Lagedetektion von Grundstücksanschlussleitungen und GEA-Kanälen erfasst und berechnet, werden somit Abwassernetze komplett in der Lage berechnet und perfekt in den XYZ-Koordinaten dargestellt. Mehrere virtuelle Darstellungen und Ergebnisse finden Sie beispielsweise auf www.jt-elektronik.de oder www.scandric.de.

     

    Beispiel zu Messung und Auswertung

     

    Eine im vergangenen Jahr erfolgte Untersuchung musste Fehlerquellen bei der Verlegung von Maulprofilen erkennen und beweisen. Die hochauflösende und millimetergenaue Lasertechnologie konnte somit „Licht ins Dunkel“ bringen.

    Bestandssicherung, Gewährleistungsdokumentationen, aber auch die Strukturen zu BIM erfordern die hochwertige Laserscan-Technologie, auch wenn aktuell die Einsatzbereiche erst bei Rohren größer/gleich DN 500 liegen.

    Eine vernünftige Qualität zur Rohr- oder Kanalprofil-Vermessung erfordert auch eine bessere Technik. Nachhaltig zu agieren muss jedoch nicht teurer sein als eine aufwendige und herkömmliche Ingenieurleistung. Eine TV-Kanalinspektion mit der Ergänzung über die Laserscan-Messungen gewährleistet eine vollinhaltliche Aussage zum Kanal, aber auch der Lage, der Lageabweichungen und Deformationen. Das ist nicht so aufwändig wie es sich anhört, muss jedoch gänzlich und vollumfänglich, auch mit entsprechenden Absperr- und Rückhalte-Szenarien realisiert und letztendlich auch bezahlt werden.

     

     

     

    Autoren:

    Dipl.-Ing. (FH) Erik Büttner, scandric 3D SOLUTIONS, Bochum

    Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Jöckel, JT-elektronik GmbH, Lindau

     

     

     

    Info/Kontakt:

    JT-elektronik GmbH, Robert-Bosch-Str. 26, 88131 Lindau, Tel. 08382/967360, www.jt-elektronik.de

    Ansprechperson: Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Jöckel, B. Eng (FH) Tobias Jöckel, Dipl.-Kffr. Sonja Jöckel

    Email: info@jt-elektronik.de

     

    scandric 3D SOLUTIONS, Pieperstr. 37, 44789 Bochum, Tel. 0234-54425290, www.scandric.de

    Ansprechperson: Dipl.-Ing. (FH) Erik Büttner

    E-Mail: info@scandric.de

    JT Versuchsaufbau_02.jpg

    PointCloudManager Viewer.png

    Punktwoke mit 3D-Modell.JPG



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