AT405333B - Verfahren und vorrichtung zur vermessung von streckenprofilen des untertagebetriebes - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Streckenprofilen des Untertagebetriebes, bei dem das Vermessungsobjekt mit mehreren Festpunkten aus einer in Absolutkoordinaten eingemessenen Kameraaufstellung fotografiert und die Fotografie in Absolutkoordinaten umgerechnet wird und mit Hilfe der Fotografie das Vermessungsobjekt bestimmt wird, und weiters eine Vorrichtung zur Durchführung dies Verfahrens.

Die Erfindung ist anwendbar auf die Erfassung eines Streckenprofils im Berg- und Tunnelbau. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren z.B. das Ausbauprofil nach der Hereingewinnung des Abschlages erfaßt werden. Solche Vermessungen dienen hauptsächlich der Überwachung des Streckenvortriebes bzw. des Streckenausbaus, der im Zuge des Vortriebes eingebracht wird. Im Tunnelbau sind die anforderungen an die genauigkeit derartiger Vermessungen besonders hoch, da Tunnelbauwerke während erheblicher Einsatzzeiten unverändert stehen müssen.

Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist z.B. aus der GB 2 101 742 A bekannt. Es dient dazu, im sogenannten Preßverfahren durch das Erdreich von einem Schacht aus vorgetriebene Rohre auf Höhe und richtung sowie Drehung um die Rohrachse zu überwachen. Dabei kann das Schneidmesser des Schneidkopfes in die Messungen einbezogen werden.

Zunächst ist erforderlich, mit mindestens zwei Dioden auf dem Vortrieb des Messers Meßpunkte zu markieren und einzumessen. Dann muß eine Kamera in einem einzumessenden Abstand von diesen Festpunkten aufgebaut werden.Die Messung beginnt mit einer Nullmessung, welche dazu dient, die während des Vortriebes sich ändernden Meßgrößen auf eine Ausgangslage zu beziehen. Wenn lediglich Höhe und Seite eingemessen werden sollen, kommt man mit einer Diode aus. Für Rollmessungen des Rohrstranges sind jedoch zwei Dioden nötig.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß beim Vortrieb im Preßverfahren weder der Ausbruchsquerschnitt noch der Rohrquerschnitt sichtbar ist und daher auch nicht optisch eingemessen werden kann. Der Rohrstrang ist zwar lageveränderlich, hält aber seine Form und somit sein Profil. Mit bloß maximal zwei Dioden ist eine Profilmessung nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. der die erörterten Vermessungsarbeiten so gestaltet werden können, daß sie Ergebnisse mit hinreichender, d.h. für den jeweils beabsichtigten Zweck ausreichender Genauigkeit liefern, sich aber auch ohne größeren Aufwand durchführen lassen, der eine hinreichend häufige Vermessung ausschließt.

Die gestellte Aufgabe wird einerseits mit einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß zugleich mit der mittels einer CCD-Kamera erfolgenden Herstellung der Fotografie des Objektes, das von dem Streckenausbruch oder dem Streckenausbau gebildet wird, eine um 180° verdrehte Orientierungsaufnahme mit wenigstens drei Festpunkten, die vorzugsweise als Vermarkungen in Form von Wandhalterungen und LED-Signal-stäben ausgeführt sind, auf einer mit der Objektfotografie gemeinsamen opti-schen Achse mittels einer zweiten CCD-Kamera hergestellt und jede Aufnahme digitalisiert und ausgewertet wird.

Anderseits wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs dargelegten Art erfindungsgemäß gelöst durch zwei gekoppelte CCD-Kameras, die auf einer gemeinsamen optischen Achse übereinander um 180° verdreht angeordnet sind, und durch Vermarkungen in Form von Wandhalterungen und LED-Signalstäben mit hochpräziser Basis.

Gemäß der Erfindung wird das das Objekt bildende Streckenprofil durch die Herstellung einer Fotografie erfaßt, was deswegen schnell und einfach ist, weil hierfür eine Momentsaufnahme bei hinreichender Ausleuchtung der Strecke auf dem erfaßten Bereich genügt. Diese Aufnahme läßt sich auf unterschiedliche Weise in digitale Meßwerte überführen. Z.B. kommt hierfür die Abtastung mit einem Scanner infrage. Die Digitalisierung des fotografischen Bildes läßt Berechnungen zu, mit denen zunächst die Perspektive des Bildes entfernt wird. Da man die Aufnahmestation der Kamera in dreidimensionalen Koordinaten kennt, lassen sich die Bildkoordinaten in Absolutkoordinaten umrechnen und hieraus das aufzunehmende Strek-kenprofil errechnen, indem man die hierfür relevanten 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, aus der sich Ausbruchmassen eines Abschlages errechnen lassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber der manuellen Polarmethode den Vorteil, daß es im Gegensatz zu diesem Verfahren den Ausbruch erfassen kann, weil es nicht auf punktuelle Erfassungen beschränkt ist und bietet auch den Vorteil, daß es weniger Arbeitskräfte erforderlich macht. Gegenüber der automatischen Abtastung des Streckenprofils bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß es die möglichen Betriebsbeeinträchtigungen durch die Durchführung der Einmessungen und den hohen Geräteeinsatz vermeidet, weil es mit der Fotografie arbeitet, es ist außerdem auch auf nicht begehbare 2

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Streckenabschnitte anwendbar.

Eine wesentliche Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 2 beschrieben. Diese Ausführungsform der Erfindung zielt darauf ab, das Verfahren so weitgehend zu vereinfachen, daß es möglichst alle Betriebszustände eines Streckenvortriebes in dreidimensionlen Koordinaten verfügbar macht. Das wird durch eine Doppelaufnahme erreicht, welche ein zeitsynchrones Doppelbild liefert, von dem der Rückblick in die vermarkte Strecke die Paßpunkte zur Kameraorientierung in einem Orientierungsbild liefert, während der Blick nach vorn das Streckenprofil, d.h. das Objektbild liefert. Diese Momentaufnahme erübrigt die Einmessung des Kamerastandpunktes in das Absolutkoordinatensystem, indem sie diese durch das Orientierungsbild ersetzt und macht dadurch die Vermessung wesentlich schneller und häufiger verfügbar.

Eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich auch von dem Vortriebspersonal ohne spezielle Kenntnis des Meßwesens zur beliebig häufigen Bestandsaufnahme zu jedem geeigneten Zeitpunkt des Vortriebsgeschehens ausführen. Die Doppelbildaufnahme kann aus extremen Perspektiven erfolgen. Geneigte oder gekippte Bilder sind erlaubt und verwertbar, wenn nur im Orientierungsbild genügend Vermarkungspunkte in geeigneter Weise erfaßt werden.

Wenn man das erfindungsgemäße Verfahren auf den Spritzbetonausbau in Strecken des Untertagebetriebes anwendet, so lassen sich damit Streckenprofile erfassen, welche eine Berechnung der Ausbruchmassen und der Spritzbetoneinbaumenge zulassen. Das Letztere ist von erheblicher Bedeutung, weil sich daraus der Rückprallanteil des Spritzbetons ermitteln läßt. Das wiederum gestattet eine Optimierung der gesamten Ausbauarbeit. Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung von Tunnelquerprofilen in jedem Bauzustand, zur Baubetriebsdokumentation, zur geologischen Bestandsaufnahme und zu geotechnischen Daten, z.B. der Erstsetzung im offenen Abschlag benutzt werden.

Mit den Merkmalen des Anspruches 3 werden die zu erfassenden Vermarkungen auf ein Mindestmaß reduziert. Allerdings muß deren Signalisierung geeignet sein, Informationen über Lage und Entfernung des jeweiligen Zieles zur Kamerastation abzugeben. Das erfordert ein hinreichend dichtes Raster der Vermarkung, wie sie für ein hochgenaues Tunnelnetz erforderlich und daher auch vorhanden sind.

In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Patentanspruch 4 ergibt sich eine weitere, wesentliche Rationalisierung durch die digitale Bilderfassung im Gegensatz zu der Analogfotografie. Die digitale Bilderfassung ist mit sogenannten CCD-Kameras möglich und liefert eine Digital-card, weiche die Entwicklung des Bildes im Labor erübrigt, wie sie für Analogfotografien erforderlich ist. Die Digital-card kann unmittelbar ausgewertet, d.h. in einen Systemrechner eingelesen werden, erspart also u.a. die Bildentwicklung und den Scanner, der bei Analogfotografien zur Bildabtastung nötig ist.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die erforderlichen Orientierungsdaten, wie etwa die Nummern der Vermarkungen, das Aufnahmedatum, sowie andere, für die Auswertung erforderliche Bemerkungen digital auf einer Zusatzspur einer Digital-card gespeichert werden.

Das Auffahren der Strecken erfolgt fast allgemein mit Hilfe eines Laserstrahles. Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Anspruch 5 wird zusätzlich zum Bildinhalt der Orientierungsaufnahme, d.h. die den Rückblick erfassende Aufnahme noch der Laseraustrittspunkt bzw. im Objektbild der auftreffende Laser an der Ortsbrust sichtbar gemacht und ist somit ebenfalls digital vorhanden. Daraus ergeben sich weitere Kontrollmöglichkeiten der Gute der Standortbestimmung.

Der Anspruch 6 beschreibt die Hauptverwendungsmöglichkeiten 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 zurückschließen.

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

Es zeigen

Fig. 1 einen Streckenvortrieb im Bereich der Ortsbrust in Draufsicht mit schematischer Darstellung des Aufnahmeverfahrens gemäß der Erfindung,

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

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

Fig. 4 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung zur Verdeutlichung der Schemazeichnung gemäß Fig. 1 und Fig. 6 eine Einzelheit der Fig. 5.

Gemäß der Darstellung der Fig. 1 ist eine CCD-Kamera hinter der Ortsbrust aufgestellt. Der durch Pfeile gekennzeichnete spitze Winkel stellt den erfaßten Bereich dar und ist nach vorn auf die Ortsbrust (1) gerichtet. Er erfaßt auch die Ausbauschale, die schematisch bei (2) dargestellt ist. Die Orientierung der Kamera ist durch dünne Pfeile gekennzeichnet und erfaßt drei Lage- und Höhenfestpunkte, die in den 3

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Pfeilen mit (3-5) gekennzeichnet sind und Festpunkte des übergeordneten Tunnelpoligons darstellen. Die Signalisierung dieser Punkte ist geeignet, Informationen über die Lage und Entfernung des jeweiligen Zieles zur Kamerastation (6) abzugeben.

Aus der Darstellung der Fig. 6 ist die Anordnung der Lage- und Höhenfestpunkte in dem Tunnel dargestellt. Auf dem Orientierungsbild erscheint demnach außer den Vermarkungen (3-5) noch eine Vermarkung (5a), welche aber 2ur Vermessung der Kamerastation (6) nicht erforderlich ist. Die Art der Punktvermarkung ergibt sich aus der Fig. 5. Danach handelt es sich um eine Kombination aus einer Wandhalterung (25) und einem LED-Signalstab (26) mit drei übereinander angeordneten Dioden. Zur Identifikation dient ein in das Blickfeld der Kamera gerücktes Schild (27), auf dem gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Identifikationsziffer erscheint, die im Orientierungsbild lesbar ist.

Die CCD-Kamera ist allgemein mit (7) in Fig. 4 gekennzeichnet. In dem Kameragehäuse (8) befindet sich eine Doppeloptik. An einer Stirnseite der Kamera (9) ist die Optik (10) eingebaut. Sie befindet 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 der beiden Optiken ist genau definiert und bekannt.

Die Optiken (10 und 12) entwerfen auf einem optoelektrischen Festkörperflachensensor (16 bzw. 17) ihr optisches Bild. Im oberen Teil (11) der Kamera wird das Objekt aufgenommen, das gemäß der Darstellung der Fig. 1 von der Ortsbrust gebildet wird, während im unteren Teil (15) der Kamera die Orientierung 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 Aufstellungeort (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 digitlisierte Objektaufnahme wird von einem Systemrechner bearbeitet, welcher nach bekannten mathematischen Methoden aus der Objektenaufnehme die Verzerrungen entfernt bzw. ausgleicht und einen Maßstab festlegt. Diese so bearbeitete Objektaufnahme wird in eine dreidimensionale Grafik überführt, was in einem Rechner ausgeführt wird. Hierbei wird durch Filtern festgelegt, welchem Zweck die Aufnahme dient. Es kann sich um eine Dokumentation, um eine geologische Aufnahme, um die Festlegung dem Ausbruches oder auch um die Spritzbetoneinbaumenge handeln.

Im gleichen Rechner wird nunmehr die Grafik in Absolutkoordinaten umgerechnet, d.h. durch Transformation werden die Bildobjektkoordinaten dem Absolutkoordinatensystem zugeordnet. Der Rechner liefert damit eine Darstellung, die weiterbearbeitet werden kann. Eine solche Darstellung ist schematisch in Fig. 3 wiedergegeben. Man erkennt daraus die Sollinie der Ausbauschale bei (21) und die gezackte Linie (22), welche den Verlauf des Ausbruches 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 laßt 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 daraus 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 Sebstemrechner ergibt und sich in folgenden Schritten zusammenfassen läßt: a) Entfernen jeglicher Perspektiven und Verzerrungen, b) Verifizierung und Zuordnung der Orientierungspunkte mittels geeigneter Suchroutinen, c) Ermittlung der genauen Aufnahmestation in drei D-Koordinaten des übergeordneten Tunnelnetzes, 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 Flachen und Massen, - Gegenüberstellung der Einbau und Liefermengen des Betons, - Ermittlung des Rückpralls der Profilgenauigkeit und anderer interessierender Daten des Streckenprofils.

Damit können an jeder beliebigen Station eines Tunnelbauwerkes mehrschichte Schnitte des Streckenprofils angefertigt werden, die sich vielfach auswerten lassen. Sie können der Vermessung, der Abrechnung 4

Claims (8)

1. AT 405 333 B nach Ist-Aufmaßen, der technischen Bearbeitung, z.B. der Planung an räumlichen Modellen, dem Controling und Kostenreduzierung vor Ort, sowie der Kalkulation unter Verwendung relastischer und aktueller Fakturen zugrundegelegt werden. In der rechten Darstellung der Fig. 2 ist die Verarbeitung eines Analogbildes wiedergegeben, was keiner s näheren Erläuterung bedarf. Patentansprüche 1. Verfahren zur Vermessung von Streckenprofilen des Untertagebetriebes, bei dem das Vermessungsob-io jekt mit mehreren Festpunkten aus einer in Absolutkoordinaten eingemessenen Kameraaufstellung fotografiert und die fotografie in Absolutkoordinaten umgerechnet wird und mit Hilfe der Fotografie das Vermessungsobjekt bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich mit der mittels einer CCD-Kamera erfolgenden Herstellung der Fotografie des Objektes, das von dem Streckenausbruch oder dem Streckenausbau gebildet wird, eine um 180* verdrehte Orientierungsaufnahme mit wenigstens 75 drei Festpunkten, die vorzugsweise als Vermarkungen in Form von Wandhalterungen und LED-Signalstäben ausgeführt sind, auf einer mit der Objektfotografie gemeinsamen optischen Achse mittels einer zweiten CCD-Kamera hergestellt und die Aufnahmen digitalisiert und ausgewertet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Aufnahmen mit bekanntem 20 Höhenversatz (z1) vorgenommen und vor der Bildauswertung eine etwaige Parallelitätsabweichung der vertikalen und horizontalen Bildachsen des Doppelbildes eleminiert werden.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Orientierungsaufnahme Festpunkte (x, y, z) des Absolutkoordinatensystems fotografiert und hieraus der Standort der 25 Kamera ermittelt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem digitalisierten Bild mit Hilfe der gespeicherten Festpunkte eine dreidimensionale Grafik errechnet und diese durch Transformation den Absolutkoordinaten (x, y, z) zugeordnet wird. 30
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 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 Speicherwerte zur Kontrolle der in der Orientierungsaufnahme wiedergegebenen Vermarkungen verwendet werden. 35
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Absolutkoordinaten (x, .y, z) überführte Grafik zur Errechnung von Flächen oder Massen weiterbearbeitet wird.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 bis 6, gekennzeichnet durch zwei gekoppelte CCD-Kameras, die auf einer gemeinsamen optischen Achse übereinander um 180* verdreht angeordnet sind, und durch Vermarkungen in Form von Wandhalterungen und LED Signalstaben mit hochpräziser Basis.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden CCD-Kameras in einem gemeinsamen Kameragehäuse (8) untergebracht sind und die Brennpunkte (19, 20) ihrer Optiken (10. 12) auf einer gemeinsamen Ebene (18) angeordnet sind, mit der die Kamera (7) in die Absolutkoordinaten (x, y, z) eingerichtet wird. so Hiezu 6 Blatt Zeichnungen 5 55