DE4020035C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Streckenprofilen des Untertagebetriebes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen von Streckenprofilen des Untertagebetriebes und eine Vor­ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Solche Vermessungen dienen hauptsächlich der Über­ wachung des Streckenvortriebes bzw. des Strecken­ ausbaus, der im Zuge des Vortriebes eingebracht wird. Im Tunnelbau sind die Anforderungen an die Genauigkeit derartiger Messungen besonders hoch, da Tunnelbauwerke während erheblicher Einsatzzeiten unverändert stehen müssen.

Es ist bekannt, (DE-OS 33 13 932.6) das Innenprofil des Hohlraumes in einer Ebene an zwei frei gewähl­ ten Punkten zu vermessen. Daraus wird eine Bezugs­ gerade erhalten, anhand der durch Strecken- und Win­ kelmessungen beliebig viele Punkte eingemessen wer­ den können, aus denen sich durch mathematische Be­ rechnungen der Verlauf des Profils ergibt. Zur Durchführung dieses Verfahrens dienen im wesentli­ chen ein Laser als Kurvenerzeugungsgerät und ein Strecken- und Winkelmessegerät, dessen Standpunkt nach Koordinaten bekannt ist.

Die Erfindung geht dem gegenüber von einem anderen, ebenfalls vorbekannten Verfahren aus (GB-PS 21 01 742). Bei diesem Verfahren wird der Ausbau einer Rohrstrecke oder einer Tunnelröhre, welche aus ei­ nem Rohrstrang besteht, der als ganzer vorgetrieben wird mit Hilfe von automatischen Scannern, die über Transmitter auf einem Monitor ein Bild entwerfen überwacht. Da die automatischen Scanner am Strecken­ ausbau festliegen, lädt sich auf dem Monitor jede Lageänderung des Rohrstranges wiedergeben. In der Praxis lassen sich als Scanner Kameras und als Transmitter Dioden benutzen. Dieses Verfahren kann mit einer automatischen Lagebestimmung kombiniert werden, so daß die Einmessung in ein Koordi­ natensystem möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Streckenprofile im Berg- und Tunnelbau, insbeson­ dere aber das Ausbauprofil nach der Hereingewinnung des Abschlages mit hinreichender, d. h. mit einer für den jeweils mit der Vermessung beabsichtigten Zweck ausreichenden Genauigkeit zu erfassen, jedoch den Aufwand hierfür zu reduzieren, so daß eine hin­ reichend häufige Vermessung möglich ist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit dem Merkmal des Anspruchs 1. Weitere Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Da man erfindungsgemäß zugleich mit der Entstehung der Fotografie des Objektes, das von dem Strecken­ ausbruch oder dem Streckenausbau gebildet wird, ein um 180° verdrehte Orientierungsaufnahme mit we­ nigstens drei Festpunkten auf einer mit der Ob­ jektfotografie gemeinsamen optischen Achse her­ stellt, wird ein zeitsynchrones Doppelbild erzeugt, von dem das eine einen Rückblick in die vermarkte Strecke und die Paßpunkte zur Kameraaufstellung in einem Orientierungsbild liefert, während der Blick nach vorn das Streckenprofil, d. h. das Objektbild liefert. Diese Momentaufnahme macht die Einmessung des Kamerastandpunktes in das Absolutkoordinatensy­ stem überflüssig. Das Orientierungsbild ersetzt die Vermessung und ist wesentlich schneller und häufi­ ger verfügbar.

Da man erfindungsgemäß die Doppelaufnahme mit CD- Kameras herstellt, wobei man die Vermarkungen in Form von Wandhalterungen und LEC-Signalstäben mit hochpräziser Basis durchführt, lädt sich das Dop­ pelbild in digitale Meßwerte überführen. Das kann durch Abtastung mit einem Scanner erfolgen. Diese Digitalisierung des fotografischen Bildes lädt Be­ rechnungen zu, mit denen zunächst die Perspektive des Bildes entfernt wird. Da man die Aufnahmesta­ tion der Kamera in dreidimensionalen Koordinaten kennt, lassen sich die Bildkoordinaten in Absolut­ koordinaten umrechnen und hieraus das aufzunehmende Streckenprofil errechnen, indem man die hierfür re­ levanten Linien und/oder Flächen herausfiltert und nach sinnvollen Beurteilungskriterien sortiert. Z.B. ist es auf diese Weise möglich eine gezackte Ausbruchlinie mit einem durch einen Bogenausbau vorgegebenen Profil zu kombinieren und auf diese Weise eine Fläche zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber der in der Praxis verfolgten manuellen Polarmethode den Vorteil, daß es im Gegensatz zu diesem Verfahren den Anbruch erfassen kann, weil es nicht auf punk­ tuelle Erfassungen beschränkt ist und bietet auch den Vorteil, daß es weniger Arbeitskräfte erforder­ lich macht. Gegenüber der automatischen Abtastung des Streckenprofils bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß es die möglichen Be­ triebsbeeinträchtigungen durch die Durchführungen der einzelnen Messungen und den hohen Geräteeinsatz vermeidet, weil es mit einer Fotografie arbeitet, die mit CD-Kameras erhalten werden. Das erfindungs­ gemäße Verfahren ist außerdem auch auf nicht begeh­ bare Streckenabschnitte anwendbar.

Das Doppelbild lädt sich auch von dem Vortriebsper­ sonal ohne spezielle Kenntnis des Meßwesens zu be­ liebig häufigen Bestandsaufnahmen an jedem geeigne­ ten Zeitpunkt des Vortriebsgeschehens herstellen. Die Doppelbildaufnahme kann aus extremen Perspekti­ ven erfolgen. Geneigte oder gekippte Bilder sind erlaubt und verwertbar, wenn nur im Orientierungs­ bild genügend Vermarkungspunkte in geeigneter Weise erfaßt sind.

Wenn man das erfindungsgemäße Verfahren auf den Spritzbetonausbau in Strecken des Untertagegebietes anwendet, so lassen sich damit Streckenprofile er­ fassen, welche eine Berechnung der Ausbruchmassen und Spritzbetoneinbaumenge zulassen. Das letztere ist von erheblicher Bedeutung, weil sich daraus der Rückprallanteil des Spritzbetons ermitteln läßt. Das wiederum gestattet eine Optimierung der ge­ samten Ausbauarbeit. Darüberhinaus kann das erfin­ dungsgemäße Verfahren zur Erfassung von Tunnelquer­ profilen in jedem Bauzustand, zur Betriebsdokumen­ tation, zur geologischen Bestandsaufnahme und zur Gewinnung geotechnischer Daten, z. B. zur Erstset­ zung im offenen Abschlag benutzt werden.

Die Vermarkung von wenigstens drei Festpunkten be­ deutet die Reduzierung auf ein Mindestmaß. Aller­ dings muß deren Signalisierung geeignet sein, In­ formationen über Lage und Entfernung des jeweiligen Zieles, abzugeben. Das erfordert ein hinreichend dichtes Raster der Vermarkungen, wie sie für ein hochgenaues Tunnelnetz erforderlich und daher auch vorhanden ist. Die Digitalisierung ergibt eine we­ sentliche Rationalisierung, wenn man sie zur Ana­ logfotografie in Beziehung setzt. Die digitale Bil­ derfassung mit CCD-Kameras liefert eine Digital- Card, welche die Entwicklung des Bildes im Labor erübrigt, wie sie im Analogiefotografieverfahren erforderlich ist. Die Digital-Card kann unmittelbar angewendet, d. h. in einen Systemrechner eingelesen werden, erspart also unter anderem die Bildentwick­ lung und den Scanner, der bei Analogfotografien zur Bildabtastung nötig ist. Eine digitale Bilderfas­ sung speichert zudem die erforderlichen Orientie­ rungsdaten, wie etwa die Nummern der Vermarkungen, das Aufnahmedatum sowie andere für die Auswertung erforderliche Hinweise ebenfalls digital auf einer Zusatzspur der Digital-Card.

Das Auffahren der Strecken erfolgt fast allgemein mit Hilfe eines Laserstrahles. Bei der Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem An­ spruch 5 wird zusätzlich zum Bildinhalt der Orien­ tierungsaufnahme, d. h. die den Rückblick erfassende Aufnahme noch der Laseraustrittspunkt bzw. im Ob­ jektbild der auftreffende Laser an der Ortsbrust sichtbar gemacht und ist somit ebenfalls digital vorhanden. Daraus ergeben sich weitere Kontrollmög­ lichkeiten der Güte der Standortbestimmung.

Der Anspruch 6 beschreibt die Hauptverwendungsmög­ lichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Indem man nämlich aus den bereits beschriebenen Flächen Massen errechnet, kann man sowohl die erforderliche Spritzbetonmenge bestimmen, als auch aus dem Spritzbetonverbrauch auf den Rückprall zurück­ schließen.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Streckenvortrieb im Bereich der Orts­ brust in Draufsicht mit schematischer Dar­ stellung des Aufnahmeverfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in Form eines Diagramms das Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfah­ rens anhand einer Querschnittsdarstellung eines Tunnelvortriebes und

Fig. 4 schematisch eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gemäß der Darstellung der Fig. 1 ist eine CCD- Kamera hinter der Ortsbrust aufgestellt. Der durch Pfeile gekennzeichnete spitze Winkel stellt den er­ faßten Bereich dar und ist nach vorn auf die Orts­ brust (1) gerichtet. Er erfaßt auch die Ausbau­ schale, die schematisch bei (2) dargestellt ist. Die Orientierung der Kamera ist durch dünne Pfeile gekennzeichnet und erfaßt drei Lage- und Höhenfest­ punkte, die in den Pfeilen mit (3-5) gekennzeichnet sind und Festpunkte des übergeordneten Tunnelpoli­ gons darstellen. Die Signalisierung dieser Punkte ist geeignet, Informationen über die Lage und Ent­ fernung des jeweiligen Zieles zur Kamerastation (6) abzugeben.

Die hierfür geeigneten Punktvermarkungen sind be­ kannt. Sie können sich aus einer Kombination aus Wandhalterungen und LED-Signalstäben mit hochpräzi­ ser Basis ergeben.

Die CCD-Kamera ist allgemein mit (7) in Fig. 4 ge­ kennzeichnet. In dem Kameragehäuse (8) befindet sich eine Doppeloptik. An einer Stirnseite der Kamera (9) ist die Optik (10) eingebaut. Sie befin­ det sich im oberen Teil (11) des Gehäuses (8). Die zweite Optik (12) befindet sich in der Rückwand (14) der Kamera und ist im unteren Teil (15) des Gehäuses untergebracht. Der Höhenversatz z′ der bei­ den Optiken ist genau definiert und bekannt.

Die Optiken (10 und 12) entwerfen auf einem opto­ elektrischen Festkörperflächensensor (16 bzw. 17) ihr optisches Bild. Im oberen Teil (11) der Kamera wird das Objekt aufgenommen, das gemäß der Darstel­ lung der Fig. 1 von der Ortsbrust gebildet wird, während im unteren Teil (15) der Kamera die Orien­ tierung der Vermarkungen (3, 4 und 5) aufgenommen wird. Die Orientierung (6) der Kamera (7) erfolgt in der Ebene (18), welche den beiden Brennpunkten (19 und 20) der Optiken (10 und 12) gemeinsam ist. Die Ebene befindet sich gemäß der Darstellung der Fig. 4 in der Längsmitte des Kameragehäuses (8) und ist senkrecht im Kameragehäuse orientiert.

Die Verarbeitung der Objektaufnahme ist in Fig. 2 schematisch wiedergegeben. Da gemäß der Darstellung der Fig. 1 der Erfassungswinkel durch den Aufstel­ lungsort (6) der Kamera so gewählt ist, daß er den Ausbruch und den Spritzbeton erfaßt, bildet sich dies auf der Objektaufnahme ab. Im linken Teil der Grafik ist die Verarbeitung wiedergegeben, der die Aufnahme mit der CCD-Kamera zugrundeliegt. Diese liefert eine Digital-Card, welche auf einem Speichermedium die digitalisierte Objektaufnahme enthält. Die digitalisierte Objektaufnahme wird von einem Systemrechner bearbeitet, welcher nach be­ kannten mathematischen Methoden aus der Objekten­ aufnahme die Verzerrungen entfernt bzw. ausgleicht und einen Maßstab festlegt. Diese so bearbeitete Objektaufnahme wird in eine dreidimensionale Grafik überführt, was in einem Rechner aufgeführt wird. Hierbei wird durch Filtern festgelegt, welchem Zweck die Aufnahme dient. Es kann sich um eine Dokumentation, um eine geologische Aufnahme, um die Festlegung des Ausbruches oder auch um die Spritzbetoneinbaumenge handeln.

Im gleichen Rechner wird nunmehr die Grafik in Absolutkoordinaten umgerechnet, d. h. durch Trans­ formation werden die Bildobjektkoordinaten dem Absolutkoordinatensystem zugeordnet. Der Rechner liefert damit eine Darstellung, die weiterbearbei­ tet werden kann. Eine solche Darstellung ist sche­ matisch in Fig. 3 wiedergegeben. Man erkennt daraus die Sollinie der Ausbauschale bei (21) und die ge­ zackte Linie (22), welche den Verlauf des Aus­ bruches wiedergibt. Die schraffierte Flächen (23 bzw. 24) erfassen die Strosse und zeigen den Mehrausbrauch gegenüber der Sollinie. Aus den Linien (21 und 22) lassen sich Flächen errechnen, deren Größenordnung in der Fig. 3 in Quadratmetern wiedergegeben ist. Hieraus läßt sich im Rahmen der Bearbeitung die Ausbruchmasse errechnen, die durch Spritzbeton ersetzt werden muß. Kennt man diese Masse und setzt man sie mit dem tatsächlichen Spritzbetonverbrauch in Bezug, so ergibt sich dar­ aus der Rückprallverlust als wesentliche Kenngröße zur Steuerung der Ausbauarbeit.

In der linken Darstellung der Fig. 2 ist damit der Bearbeitungsablauf zu erkennen, der sich nach dem Einlesen des Doppelbildes in dem Systemrechner er­ gibt und sich in folgenden Schritten zusammenfassen läßt:

• a) Entfernen jeglicher Perspektiven und Verzer­ rungen,
• b) Verifizierung und Zuordnung der Orientie­ rungspunkte mittels geeigneter Suchroutinen,
• c) Ermittlung der genauen Aufnahmestation in drei D-Koordinaten des übergeordneten Tun­ nelnetzes,
• d) Transformation der Bildkoordinaten der Objektaufnahme in das Gesamtsystem anhand der Orientierungsparameter,
• e) Herausfiltern der relevanten Linien (21, 22) bzw. der Flächen (23, 24), sowie Sortieren nach sinnvollen Beurteilungskriterien und
• f) - mathematische Auswertung und Ausgabe der Flächen und Massen,
• - Gegenüberstellung der Einbau und Liefermen­ gen des Betons,
• - Ermittlung des Rückpralls der Profilgenauig­ keit und anderer interessierender Daten des Streckenprofils.

Damit können an jeder beliebigen Station eines Tun­ nelbauwerkes mehrschichtige Schnitte des Streckenpro­ fils angefertigt werden, die sich vielfach auswer­ ten lassen. Sie können der Vermessung, der Abrech­ nung nach Ist-Aufmaßen, der technischen Bearbei­ tung, z. B. der Planung an räumlichen Modellen, den Controling und Kostenreduzierung vor Ort, sowie der Kalkulation unter Verwendung relastischer und aktu­ eller Faktoren zugrundegelegt werden.

In der rechten Darstellung der Fig. 2 ist die Ver­ arbeitung eines Analogbildes wiedergegeben, was keiner näheren Erläuterung bedarf.

Claims (8)

1. Verfahren zur Vermessung von Streckenprofilen des Unterta­ gebetriebes, bei dem das Vermessungsobjekt mit meh­ reren Festpunkten aus einer in Absolutkoordinaten angemessenen Kameraaufstellung fotografiert und die Fotografien in Absolutkoordinaten umgerechnet wer­ den, um mit Hilfe der Fotografie die Vermessungsob­ jekte zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich mit der Herstellung der Fotografie des Ob­ jektes, das mit einer CCD-Kamera hergestellt und von dem Streckenausbruch oder dem Streckenausbau gebildet wird, eine um 180° verdrehte Orientie­ rungsaufnahme mit wenigstens drei Festpunkten, die als Vermarkungen in Form von Wandhalterungen und LED-Signalstäben mit hochpräziser Basis ausgeführt sind auf einer mit der Objektfotografie gemeinsamen optischen Achse hergestellt und die digitalisierten Aufnahmen ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Aufnahmen mit bekannte in Höhenversatz (z′) vorgenommen und vor der Bild­ auswertung eine etwaige Parallelitätsabweichung der vertikalen und horizontalen Bildachsen des Doppelbildes eliminiert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß mit der Orientierungs­ aufnahme Festpunkte (x, y, z) des Absolutkoordi­ natensystems fotografiert und hieraus der Stand­ ort der Kamera ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprü­ che 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dein digitalisierten Bild mit Hilfe der gespei­ cherten Festpunkte eine dreidimensionale Grafik errechnet und diese durch Transformation den Absolutkoordinaten (x, y, z) zugeordnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprü­ che 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Orientierungsaufnahme der Austrittspunkt eines Lasers oder im Objektbild der Auftreffpunkt des Lasers an der Ortsbrust erkennbar gemacht und digital gespeichert wird, wobei die Speicher­ werte zur Kontrolle der in der Orientierungsauf­ nahme wiedergegebenen Vermarkungen verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprü­ che 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Absolutkoordinaten (x, y, z) überführte Grafik zur Errechnung von Flachen oder Massen weiterbe­ arbeitet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und einem der Anspruch 2 bis 6, gekenn­ zeichnet durch zwei gekoppelte CCD-Kameras, die auf einer gemeinsamen optischen Bildachse übereinander um 180° verdreht angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden CCD-Kameras in einem gemeinsa­ men Kameragehäuse (8) untergebracht sind und die beiden Brennpunkte (19, 20) ihre Optiken (10, 12) auf einer gemeinsamen Ebene (18) angeordnet sind, bei der die Kamera (7) in die Absolutkoordinaten (x, y, z) eingerichtet wird.