DE10155488A1

DE10155488A1 - Verfahren zur Erfassung der Oberfläche einer Fahrbahn

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Publication number: DE10155488A1
Application number: DE2001155488
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Caspary; Hans Heister
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2003-05-28

Abstract

Die Fahrbahn wird mit einem Fahrzeug in einer vorgegebenen Fahrtrichtung befahren. Durch einen Scanner werden Laserstrahlpulse mit einer Pendelbewegung über einen vorgegebenen Öffnungswinkel in vorgegebenen Winkelschritten erzeugt. Aus dem Empfangssignal des Laserstrahl-Empfängers wird die Dauer zwischen der Erzeugung jedes Laserstrahlpulses und dem Empfang des an der Oberfläche reflektierten Laserstrahls (Laufzeit) ermittelt. Die Laufzeit wird korrigiert mit dem Winkel zwischen einer topographisch festliegenden Linie und dem jeweiligen Laserstrahlpuls. DOLLAR A Die Position des Scanners wird vor der jeweiligen Messfahrtstrecke in den drei Raumachsen eingemessen und bei der Messfahrt synchron zur Erzeugung der Laserstrahlpulse laufend forgeschrieben (Istposition). Die Oberflächensignale werden unter Berücksichtigung der fortgeschriebenen Istposition des Scanners Signalen auf die Anfangskoordinaten des Scanners bezogen.

Description

Die Eindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Oberfläche einer Fahrbahn nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 und des Anspruch 6.
Zur Aufnahme des Oberflächenzustandes einer Fahrbahn, z. B. einer Straße, werden nach der US-01 4896964 und DE 36 12 550 C2 Laserstrahlenemittoren und Laserstrahlempfänger benutzt, die an einem Fahrzeug angebracht und auf die Fahrbahn gerichtet sind. Der Empfang der von der Fahrbahn reflektierten Laserstrahlen wird benutzt, um den Zustand der Oberfläche zu erfassen. Nach der genannten US-C1 4896964 werden der Laserstrahlemittor und der Laserstrahlempfänger wiederkehrend quer zur Fahrbahnrichtung über die Fahrbahn geführt, sodass die Fahrbahn in einer bestimmten Breite abgetastet werden kann.
Die bekannten Verfahren erlauben nur eine Differenzmessung und sind hinsichtlich ihres Meßbereichs, ihrer Genauigkeit und Aussagekraft der erzielten Ergebnisse sowie der Geschwindigkeit nur begrenzt verwendbar, insbesondere sind die Verfahren nur zur Erfassung der Oberfläche hinsichtlich Rauigkeiten und Unebenheiten, nicht jedoch zur Darstellung des gesamten topographischen Verlaufs mit topographischen Rechts- und Höhenwerten geeignet; sie sind nur für begrenzte Strecken verwendbar; die Daten einer Messung sind nicht mit ausreichender Genauigkeit reproduzierbar, um Vergleiche verschiedener Strecken oder Zeitvergleiche zu ermöglichen. Soweit mit den bekannten Verfahren Bilder erzeugt werden, ist die Auswertung dieser Bilder nicht nur durch die Genauigkeit und Tiefenschärfe der Aufnahme sondern insbesondere auch durch die menschliche Aufmerksamkeit und Aufnahmefähigkeit begrenzt. Andererseits ist es nachteilig, dass die empfangenen und gespeicherten Daten nur statistisch ausgewertet werden können, um Unebenheiten, Löcher und Risse der Strasse festzustellen. Die Genauigkeit der bekannten Verfahren leidet auch darunter, dass die Messergebnisse abhängig sind von der Lage und Position des Fahrzeuges. So wird z. B. das Eintauchen eines Rades oder zwei gleichachsiger Räder in ein Loch oder eine Bodenweile der Fahrbahn als Erhöhung der Fahrbahn erfasst, wenn sich dadurch der Abstand des Aufnahmegerätes gegenüber der Oberfläche der Fahrbahn ändert. Das Schlagloch, bzw. die Bodenwelle selbst erscheint nicht oder kann bestenfalls durch menschliche Interpretation aus der Aufnahme ermittelt werden.
Ferner ist es nachteilig, dass auch die statistische Auswertung der Messdaten in erheblicher Weise fehlerbehaftet ist, da weder die Neigung der Fahrbahn noch die Neigung des Fahrzeuges relativ zur Fahrbahn in die Messwerte eingehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Verfahren und insbesondere die geschilderten Nachteile zu vermeiden. Durch das neue Verfahren soll die Möglichkeit gegeben werden, mit hoher Geschwindigkeit und ohne Beeinträchtigung des fließenden Verkehrs ein dichtes Punktraster der Straßenoberfläche mit absoluten Koordinaten, hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit (Reproduzierbarkeit) zu erzeugen aufzunehmen und sichtbar zu machen. Somit entsteht ein digitales Modell der Straßenoberfläche, das als numerische Basisinformation für alle geforderten Auswertungen (insbesondere Längs- und Querprofile der Fahrbahn) sowie für die Visualisierung (z. B. Farbcodierung, Geländemodelle) genutzt werden kann.
Die Lösungen ergeben sich aus Anspruch 1 und Anspruch 6.
Mit diesem Verfahren kann nicht nur die Lageänderung der Oberfläche, also der Zustand sondern auch die Entfernung der Oberfläche vom Fahrzeug und bei entsprechender Einmessung des Fahrzeuges der Oberflächenverlauf der Fahrbahn, also Position und Lage - bezogen auf ein zu Anfang der Meßfahrt festgelegtes (relatives) oder ein topographisch festliegendes (objektives) Koordinatensystem - festgestellt werden.
Nach der Erfindung werden die Sensoren durch einen, zwei oder drei Laser-Scanner ersetzt, die jeweils eine auf die Straßenoberfläche gerichteten Laserstrahl aussenden, wobei der Strahl in vorbestimmten Scan-Schritten - hier z. B. jeweils ein Grad - mit einer vorbestimmten Frequenz - hier z. B. 75 Pendelbewegungen pro Sekunde - hin und her pendelt.
Die Anzahl der Scanner ist dadurch festgelegt und begrenzt, dass der Öffnungswinkel der Pendelbewegung nicht mehr als 180° betragen kann, praktisch aber durch den Einfallwinkel zur Straßenoberfläche begrenzt wird, welcher je nach Remissionseigenschaft ca. 60°, also - nach beiden Seiten nur ca. 30° beträgt (siehe unten).
Der Scanner arbeitet nach dem Laufzeitprinzip (Reflektionsprinzip) (Time of flight). Der Laserstrahl wird mit einer bestimmten Pulsfrequenz pulsierend und in auf die Pulsfrequenz abgestimmten Winkelschritten erzeugt. Die Winkelgeschwindigkeit der Pendelbewegung ist vorzugsweise konstant, da auch die Pulsfrequenz der Erzeugung des Laserstrahls konstant ist. In jedem Falle sind beide so auf einander abgestimmt, daß sich vorbestimmte Winkelschritte der Pendelbewegung und synchrone Laserpulse ergeben.
Damit führt der Laserstrahl, ausgehend von dem Emittor, eine Pendelbewegung in einer vorbestimmten Bewegungsebene aus. Diese Bewegungsebene liegt quer und vorzugsweise senkrecht zur Fahrbahnebene und zur Fahrtrichtung. Eine genaue Einhaltung der Rechtwinkeligkeit zur Oberfläche der Fahrbahn bzw. zur Fahrtrichtung ist jedoch nicht erforderlich.
Die Laserstrahlpulse werden dabei mit einem bestimmten Öffnungswinkel ausgesandt, welcher bis zur 180° Grad betragen kann, aus praktischen Gründen jedoch bei ca. 60° Grad beschränkt ist. Aus der Höhe, in der der Laserermittor an dem Fahrzeug montiert ist, ergibt sich dadurch die meßbare Spurbreite (Basislinie), welche abgetastet werden kann.
Durch die Laserstrahlen wird also bei jeder Hinbewegung und jeder Herbewegung jeweils eine Linie auf der Straßenoberfläche abgetastet, welche quer zur Fahrbahn gerichtet äst.
Dadurch daß die Frequenz der Impulse vorgegeben ist und daher für jeden Impuls die Zeit zwischen Erzeugung und Rückkehr des Laserstrahlpulses (die Reflektionszeit) ermittel werden kann, kann mit diesem Verfahren auch die Entfernung der Oberfläche vom Fahrzeug und bei entsprechender Einmessung des Fahrzeuges der Oberflächenverlauf der Fahrbahn auf ein relatives oder objektives Koordinatensystem festgestellt werden.
Es ist jedoch auch möglich (Anspruch 16), an dem Fahrzeug zwei oder mehr Scanner mit jeweils einem Laseremittor und einem Laserempfänger - erforderlichenfalls mit Abstand zueinander - anzuordnen und derart zu betreiben, dass die Öffnungswinkel sich im Bereich der Fahrbahn berühren oder teilweise überlappen. Durch zeitliche Synchronisation der Laserpulse und Laserbewegungen kann dadurch ein Mehrfaches der Basislinie des Öffnungswinkels jeden Scanners aufgenommen werden. Die seitlichen Scanner können daher mit ihrem Öffnungswinkel auch mehr oder weniger seitlich gerichtet sein. Man kann auf diese Weise den gesamten Straßenraum mit der Durchfahrtbreite und - bei Anordnung eines oder mehrerer nach oben gerichteter Scanner - auch die Durchfahrthöhe z. B. an Brücken aufnehmen.
Die Meßergebnisse werden durch den mitgeführten Rechner so korrigiert, daß unabhängig von der Winkellage des jeweiligen Laserpulses die durch diese Winkellage hervorgerufene Änderung der Reflektionszeit nicht in die Ausgangssignale eingeht.
Damit wird erreicht, daß die Winkellage der einzelnen Pulse nicht verfälschend in das Ergebnis eingeht. Jedes Meßergebnis wird entsprechend der jeweiligen Winkellage des Pulses in der Pendelebene und relativ zu einer Nulllinie so umgerechnet, als ob der Laserstrahl parallel zu dieser Nulllinie auf die Fahrbahn getroffen wäre. Hierzu werden alle Meßergebnisse auf eine festliegende Linie der Pendelebene bezogen. Damit können die Unebenheiten der Fahrbahn lückenlos erfaßt and auf die mittlere Fahrbahnoberfläche bezogen werden.
Obgleich bei der Auswahl dieser Linie eine gewisse Freiheit besteht, ergibt sich die vorteilhafte Auswahl aus Anspruch 2. Als derartige Nulllinie kommt demnach die Linie des kürzesten Abstandes zwischen Scanner und Fahrbahn in Betracht (Anspruch 2). Es gibt jedoch auch Einsatzfälle, in denen weder die Neigung des Fahrzeugs noch die Neigung der Oberfläche in Fahrtrichtung oder quer dazu außer Acht bleiben sollen. In diesen Fällen kommen die Weiterbildungen des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 bis 6 zum Einsatz.
Durch Eichung zu Beginn jeder Messfahrt, bei welcher die Neigung der Laserstrahlpulse zu einer insbesondere topographisch festliegenden Linie als Nulllinie bestimmt wird, kann im Zuge einer Meßfahrt sowohl die absolute oder relative Neigung des Fahrzeugs relativ zur Oberfläche als auch die Neigung der Oberfläche absolut oder relativ zu der Neigung zu Beginn der Meßfahrt neben den Unregelmäßigkeiten, Löchern und Rissen, Rinnen, Wellen usw. der Oberfläche erfasst werden. Damit wird erreicht, daß die Winkelablage der einzelnen Pulse zur Referenzlage nicht verfälschend in das Ergebnis eingeht. Jedes Meßergebnis wird entsprechend der jeweiligen Winkelablage des Pulses in der Pendelebene und relativ zu der topographischen Linie so umgerechnet, als ob der Laserstrahl auf dieser topographischen Linie auf die Fahrbahn getroffen wäre.
Ein derartiges durch die Ausbildung nach Anspruch 3 gekennzeichnetes Verfahren ist bei der vorherigen oder nachträglichen Vermessung von Gewerken im Straßenbau zwischen zwei Knotenpunkten besonders geeignet und aussagekräftig für die daraus zu gewinnende Vorkalkulation bzw. Nachkalkulation des Gewerkes.
Die Lage der zu Beginn der Meßfahrt gegebenen Nullinie wird hierbei gespeichert und alle Meßwerte auf diese Nullinie bezogen.
Es ist ersichtlich, dass die Korrektur der Messwerte anhand der zu Beginn der Messfahrtstrecke vorhandenen Position des Scanners zwar einfacher ist, dass jedoch das Ziel der Erfindung auch dadurch erreicht werden kann, dass die Meßergebnisse des Scanners fortlaufend auf ein topographisch festliegendes Koordinatensystem und insbesondere eine lotbezogene Solllage bezogen werden. Dadurch wird die Neigung der Fahrbahn erfasst und der Einfluss von Längsneigungen oder Querneigungen des Fahrzeugs eliminiert.
Bei der Verfahren nach Anspruch 4 wird durch die laufende Erfassung der Sensorposition hinsichtlich seiner absoluten geographischen Nulllage und Nullneigung gewährleistet, dass alle Messdaten auf die Anfangskoordinaten zurückbezogen werden. Dadurch können Fahrzeugbewegungen, insbesondere Neigungen in Längsrichtung oder Querrichtung aus den Meßwerten eliminiert werden. Es kann die Neigung der Fahrbahn ebenso wie die Unebenheit der Fahrbahn (Löcher, Risse, Welten, Rillen) erfaßt werden.
Auch hier können die Laserstrahlpulse in Winkelschritten ausgeführt werden. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 3 bis 5 werden die aufgenommenen Daten der Oberfläche einem bestimmten topographischen Punkt der Fahrbahnlänge zugeordnet. Auf diese Weise gelingt es, für jeden Punkt der Testfahrstrecke das Profil der Fahrbahn digital darzustellen. Es entsteht ein digitales Modell der Fahrbahn für die gesamte Messfahrtstrecke.
Als absoluten geographische Nulllage kann dabei eine zu Beginn der Meßfahrt eingemessene topographisch festliegende Linie oder eine beliebige andere topographisch festliegende Linie gewählt werden. Im letzteren Fall wird die Beschaffenheit der Straßenoberfläche als Bestandteil der Erdoberfläche ermittelt. In die Messung kann auch die Abweichung der Neigung der Pendelebene von ihrer zu Beginn der Meßfahrt aufgenommenen Lage und/oder vorzugsweise die Abweichung der geringsten Neigung der Pendelebene zur Lotrechten eingehen (Anspruch 5).
Die Ausbildung der Erfindung nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 3 bis 5 eignet sich auch für andere Arten der Oberflächenaufnahme durch Laserstrahl-Scanner (Anspruch 6).
Der Vorteil der Ausführungen nach den Ansprüchen 3 bis 6 besteht darin, daß alle Meßwerte auf ein einziges Koordinatensystem bezogen werden können, so daß durch die Meßfahrt eine Querschnittsaufnahme der Straßenoberfläche in Längsrichtung (Anspruch 7) und in Querrichtung (Anspruch 8) entsteht.
In der bisherigen Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberfläche bzw. das Oberflächenprofit in seiner Relativlage zu der Scannerposition und Fahrzeugposition zu Beginn der Messfahrt aufgenommen. Es ist mithin während der Meßfahrt eine ständige Fortschreibung der Fahrzeugposition und Fahrzeuglage relativ zu dem Beginn der Meßfahrt erforderlich. Die hierzu vorteilhaften Maßnahmen sind in den Ansprüchen 9 bis 12 enthalten.
In der Weiterbildung nach Anspruch 9 findet eine einfache Längenmessung längs der Meßstrecke statt. Diese Weiterbildung zeichnet sich durch einen geringen apparativen Aufwand aus; dennoch können insbesondere für begrenzte Streckenabschnitte zwischen zwei festliegenden Knotenpunkten ausreichende und aussagekräftige Aufnahmen der Straßenoberfläche erzielt werden, wenn es auf eine in Längsrichtung genaue Vermaßung nicht ankommt.
In der Weiterbildung nach Anspruch 10 und 11 werden nicht nur die topographischen Rechtswerte sondern auch die topographischen Hochwerte zu Beginn der Messfahrtstrecke aufgenommen und laufend fortgeschrieben. Es entsteht dadurch ein auch in Fahrtrichtung topographisch genaues Bild des Fahrbahnprofils.
Dabei können in der Ausgestaltung nach Anspruch 10 und 11 auch Neigungen der Oberfläche in Längsrichtung (Fahrtrichtung) und Querrichtung ermittelt werden. Dies ist z. B. von besonderer Wichtigkeit um zu ermitteln, ob auf einer Fahrbahn Wasserstau entstehen könnten.
In der Ausgestaltung nach Anspruch 12 wird ein GPS-System zur ersten topographischen Einmessung des Scanners und zur laufenden Kontrolle der Fortschreibung der Position des Scanners benutzt. Das Trägheitsnavigationssystem hat dabei den Vorteil, daß es zeitlich lückenlos verfügbar ist, während der Vorteil des Satelliten-Positioniersystems darin besteht, daß an jedem Punkt der Erde die absoluten topographischen Daten ermittelt werden können.
In der Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 13 ist vorgesehen, dass die aus dem Trägheitsnavigationssystem gewonnenen Daten nicht nur laufend fortgeschrieben sondern zusätzlich auch mit den Daten eines am Fahrzeug angebrachten Wegmeßsystems zur Aufnahme der gefahrenen Messfahrtstrecke und/oder eines Barometers zur Ermittlung der topographischen Höhe und/oder eines Neigungsmessers zur Ermittlung der Längsneigung und Querneigung des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem topographischen Lot verglichen werden.
In der Ausgestaltung nach Anspruch 12 und 13 gewinnt das Verfahren eine sehr hohe Verfügbarkeit und Genauigkeit, die auch höchsten topographischen Anforderungen genügt.
Zur Auswertung der gewonnenen Profildaten stehen eine Fülle von Verfahren zur Verfügung, um den Sollzustand mit dem Istzustand zu vergleichen, wenn streckenbezogene Sanierungsarbeiten vorzunehmen sind.
Das Verfahren nach Anspruch 14 mit Weiterbildung nach Anspruch 15 ist besonders nützlich, um den Straßenzustand sichtbar zu machen, wenn die Höhenwerte des Fahrbahnprofils unterschiedlich eingefärbt werden.
Als Ergänzung und zur Verdeutlichung der Aufnahme der Straßenoberfläche wird durch die Ansprüche 17 und 18 vorgeschlagen, daß bei der Bildauswertung auch die Lichtintensität der reflektierten Strahlen berücksichtigt wird, dazu ist es vorteilhaft, die Abtastung des Straßenraums durch Laserstrahlen auch zur Aufnahme eines photographischen Bildes des Straßenraums unter Berücksichtigung der Lichtintensität der reflektierten Strahlen zu nutzen (Anspruch 17). Alternativ oder zusätzlich kann die Fahrbahn durch ein zusätzliches vorzugsweise digitales Bildaufnahmegerät aufgenommen werden. Das Bildaufnahmegerät kann zusätzlich zu dem Scanner an dem Fahrzeug mitgeführt werden. Es ist möglich, auch die Bildpunkte der digital aufgenommenen Straßenoberfläche auf dasselbe Koordinatensystem zu beziehen wie die durch den Scanner aufgenommenen Bildpunkte. Auf diese Weise kann vor allem auch die Lichtintensität der reflektierten Strahlen ermittelt und den durch den Laserstrahl getroffenen Bildpunkten der Oberfläche zugeordnet werden.
Hierdurch können z. B. Fahrbahnmarkierungen, die Rauigkeit oder dar Straßenrand gegenüber den Randstreifen ermittelt und die gesamte Fahrbahn örtlich festgelegt werden.
Mit dem Verfahren nach dieser Erfindung sind folgenden Messungen und Darstellungen möglich:
Linearer Verlauf des Fahrbahnquerschnittes
Fahrbahnneigung in Längsrichtung
Fahrbahnneigung in Querrichtung
Absolute Höhe der Fahrbahnoberfläche, z. B. wichtig für die Frage der Schnee- oder Eisbildung
Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass diese Messergebnisse auch sichtbar gemacht werden können. Grundsätzlich kann nur eines dieser Messergebnisse durch farbliche Ausgestaltung sichtbar gemacht werden. Eine Kombinierung äst jedoch auch möglich und zwar durch
Farbe + Zahlen
Farbe + Isolinien (Linien gleicher Höhe)
Farbe + Schummerung, wobei das Querprofil durch Farbe und die absolute Höhe durch Schummerung dargestellt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Fahrzeug zur Aufnahme der Straßenoberfläche in Seitenansicht.
Fig. 2 dito in Frontansicht.
Fig. 3 einen Messaufbau.
Fig. 4 Beispiel eines aufgenommenen Fahrbahnprofils
Fig. 5 Ein Fahrzeug wie in Fig. 1, jedoch zusätzlich ausgerüstet mit einer Kamera.
In Fig. 1 ist dargestellt, dass die Fahrbahn 1 einer Straße durch ein normales Straßenfahrzeug 2 befahren wird. An dem Fahrzeug ist etwa 2 m über der Fahrbahn 1 ein Kalter 3 auskragend befestigt. An dem Halter 3 sitzt ein Scanner 4. Der Scanner 4 besteht aus einem Sender (Laserstrahlemittor) 4.1 und einem Laserempfänger 4.2. Der Laserstrahl-Emittor ist in einer Bewegungsebene 9 (Pendelebene) auf die Fahrbahn gerichtet. Die Pendelebene liegt dabei im wesentlichen senkrecht - bezogen auf die Längsansicht nach Fig. 1 - auf der Fahrbahnebene. Der Laserstrahl wird diffus von der Oberfläche reflektiert. Der Empfänger 4.2 bildet mit dem Laserstrahl-Emittor den Scanner; beide sind zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Jedenfalls ist ihre Position relativ zueinander festgelegt. Der Empfänger 4.2 besitzt eine ausreichende Empfindlichkeit, um den in seiner Richtung reflektierten Teil des Laserstrahls zu registrieren.
Wie aus der Frontansicht nach Fig. 2 ersichtlich, ist der Scanner 4 etwa mittig an dem Fahrzeug angeordnet. Er kann jedoch auch seitlich, insbesondere links seitlich angeordnet sein. Dadurch wird es möglich, die gesamte Fahrbahn abzutasten, auch wenn sich das Fahrzeug im Rechtsverkehr bewegt und dabei den fließenden Verkehr nicht behindert.
Im dargestellten Beispiel liegt allerdings der Scanner 4 in der Fahrzeugmitte. Das Fahrzeug verfügt jedoch zusätzlich über die an den Fahrzeugseiten angeordneten Scanner 5 und 6 mit jeweils dem Emittor 5.1 bzw. 6.1 und dem Empfänger 5.2 bzw. 6.2.
Der Laserstrahl des Scanners 4 wird in einem vorgegebenen Zeittakt impulsweise erzeugt. Nach jedem Impuls schwenkt die Richtung des nächsten Laserstrahls um einem bestimmten Winkelbetrag von z. B. 1° Grad. Der Gesamtschwenkwinkel phi beträgt ca. 60°. Bei einer Höhe des Scanners von 2 m kann daher etwa eine Profillinie von 2,50 m Länge abgetastet werden.
Für die Scanner 5 und 6 gilt Entsprechendes mit der Besonderheit, dass der Öffnungswinkel phi des jeweiligen Pendelwinkels seitwärts gerichtet ist. Daher überdecken sich die Pendelebenen im Bereich des Oberflächenprofils nur jeweils ein kurzes Stück. Dieses kurze Stück reicht aus, um die Identität der aufgenommenen Daten des mittleren Scanners 4 und der seitlichen Scanner 5 bzw. 6 in dem Überdeckungsbereich festzustellen und dadurch eine ununterbrochene Aufnahme des Querprofils des gesamten Straßenkörpers unter Einschluss der Straßenränder und etwaiger Bauten, Bäume, Schilder und dergleichen im Seitenbereich der Straße. In gleicher Weise kann der obere Straßenraum durch weitere Scanner abgetastet werden, die hier jedoch nicht dargestellt sind.
Das Fahrzeug ist mit einem Inertial (Trägheits) Navigationssystem 7 und einem Satellitennavigationssystem 8 (GPS) ausgerüstet.
Zu Beginn einer jeden Messfahrt wird die genaue topographische Lage des Scanners 4 bzw. auch der Scanner 5 und 6 mit Hilfe des GPS-Systems sowie die topographische Höhe festgestellt und als Nullposition festgelegt und gespeichert. Die Neigung des Fahrzeugs in Längsrichtung und Querrichtung wird an einer festliegenden topographischen Linie wie z. B. dem Lot 18 eingemessen. Hierzu wird die Neigung der Bewegungsebene 9 zum topographischen Lot 18 und ebenso die Neigung der Mittellinie 10 (Fig. 2) der Pendelbewegung zum topographischen Lot ermittelt und mit der Nullposition festgelegt.
In dem topographischen Rechner 11, welcher in Fig. 3 dargestellt ist und welcher in dem Fahrzeug mitgeführt wird, wird diese topographische Position des Scanners eingegeben und als Nullpunkt des dreiachsigen topographischen Koordinatensystems festgelegt.
Der Scanner 4 hat also ein eigenes konstant bleibendes Koordinatensystem. Die Daten, welche durch die weiteren Scanner 5 und 6 gewonnen werden, werden ebenfalls auf dieses Koordinatensystem umgerechnet.
Während der Messfahrt in der Strecke S wird nunmehr mittels des Trägheitsnavigationssystems (Inertial-Navigationssystem (INS)) 7 und eines am Fahrzeug befestigten (in Fig. 3 dargestellten) Steckenmessgerätes 12 die Position des Scanners laufend fortgeschrieben und auf eine bestimmte Querschnittsebene der Strecke bezogen. Dies geschieht in einem vorbestimmten Zeittakt, der durch den Zeitgeber 13 vorgegeben wird, z. B. mit 1000 Hz.
Das INS erfasst die Fahrstrecke und die Neigung des Fahrzeuges in allen drei Raumachsen einschl. der lotbezogenen Informationen.
Das INS-System wird ständig an Messdaten des GPS-Systems korrigiert. Zum Vergleich mit den Daten des Trägheitsnavigationssystems kann auch ein Barometer und ein Neigungsmeßgerät dienen.
Das INS arbeitet mit einer Frequenz von bis zu 1000 Hz. Die Arbeitsfrequenz des INS ist dem Zeitrahmen des GPS angepasst. Das GPS arbeitet im Sekundentakt. Dies ist allerdings keine Vorraussetzung; es ist vielmehr auch möglich, dass die Messdaten des INS zeitlich so interpoliert werden, dass sie in den Zeitrahmen des GPS hineinpassen.
In dem Zeitrahmen, welcher durch den Zeitgeber 13 vorgegeben ist, erfolgt gleichzeitig eine Fortschreibung bzw. Gegenkontrolle der Istposition mit Hilfe des Satellitennavigationssystems, bezogen auf das zuvor festgelegte Koordinatensystem. Während der Messfahrt werden Laserstrahlen mit einer vorgegebenen Impulsfrequenz erzeugt und auf die Fahrbahn gerichtet. Anzustreben ist, dass auch diese Impulsfrequenz bzw. der Zeittakt der Impulserzeugung im Zeitrahmen des INS und GPS liegt. Sofern das gerätetechnisch nicht möglich ist, wird in dem Rechner 14 eine Interpolation vorgenommen, d. h. die Signaldaten, die von dem Empfänger 4.2 an den Fahrbahnrechner 14 übermittelt werden, werden auf den Zeittakt des Zeitgebers 13 umgerechnet.
In dem Ausführungsbeispiel hat der Laser einen unterschiedlichen Zeittakt. Daher muss jedes Lasersignal einen bestimmten Zeitstempel haben; von diesem zugeordneten Zeitsignal aus wird das einzelne Lasersignal in den Zeitrahmen des INS interpoliert.
Die Strahlrichtung des Emittors wird in Winkelschritten von z. B. 1° in der Pendelebene 9 zwischen den Schenkeln des Öffnungswinkels phi verschwenkt. Der Fahrbahnrechner 14 erfasst zum einem den Zeitpunkt der Erzeugung des einzelnen Laserstrahls und zum anderen den Zeitpunkt des Empfang des reflektierten Teils des Laserstrahls.
Diese Zeitdifferenz ist ein Maß für den Abstand des jeweils reflektierenden Punktes der Fahrbahnoberfläche von dem Scanner.
Dabei erfolgt eine ständige Korrektur des Mess-Signals entsprechend der Pendelbewegung des Scannerstrahls und dem jeweiligen Abstrahlwinkel.
Aus der Zeitdifferenz wird der Abstand der reflektieren den Stelle von dem Scanner in dem Fahrbahnrechner 14 dadurch ermittelt, daß die Neigung der Pendelebene gegenüber dem Lot sowie die Neigung des jeweiligen Laserstrahls gegenüber der Mittellinie des Öffnungswinkels so berücksichtigt wird, als sei jeder Laserstrahl lotrecht auf die Straßenoberfläche gerichtet worden.
In Fig. 4 ist ein Straßenprofil an einem bestimmten topographischen Punkt der Straßenlänge dargestellt, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommen worden ist.
Es ist ersichtlich, daß die Profillinie topographisch auch mit ihren Höhenwerten eingemessen ist. Dadurch werden z. B. die seitliche Neigung der Straße, der im wesentlichen ebene Standstreifen, die Rillen 17 in dem am stärksten befahrenen Teil der Straße, aber auch Löcher sichtbar. Bäume, Schilder und dergl. erscheinen als seitliche Begrenzung der Profillinie.
Durch eine dichte Folge derartiger Profillinien im Verlauf der Straßenlänge entsteht ein dreidimensionales Gitternetzmodell der Straße, welches die Neigung sowie die Ebenheit/Unebenheit der Straße sichtbar macht.
Ebenso können Punkte gleicher Höhe zu Höhenlinien verbunden und auf diese Weise dargestellt werden.
Die einzelnen angestrahlten Punkte der Straßenoberfläche können jedoch auch "eingefärbt" werden, indem jedem Punkt eine bestimmte, von seiner Höhenlage abhängige Farbe zugeordnet und der Punkt in dieser Farbe in den topographischen Koordinaten der Ebene dargestellt wird.
Diese Visualisierung kann z. B. dadurch geschehen, dass die Reflektionssignale in Kategorien eingeteilt werden und jeder Kategorie eine bestimmte Farbe zugeordnet wird. Dabei kann es sich um unterschiedliche Grautöne (Schummerung) oder aber um Farben der Farbskala handeln. Es wird also jeder Punkt der Straßenoberfläche zum einen Hochwert und Rechtswert geodätisch zugeordnet und zum anderen wird seine Höhe durch Zuordnung einer bestimmten Farbe kodiert. Auf die geodätische Fläche der Straße wird ein quadratisches Gitter gelegt und jedem Gitterpunkt eine bestimmte Höhe zugeordnet.
Die Farbzuordnung geschieht vorzugsweise nicht nach dem topographischen Hochwert sondern nach Werten, welche z. B. um die Istneigung des Scanners, um den mittleren Hochwert der jeweiligen Profillinie, um den mittleren Hochwert der jeweiligen Profillinie unter Einschluß der Neigung der Profillinie derart korrigiert sind, daß durch die farbliche Gestaltung bestimmte Aussagen möglich werden. Dadurch körnen z. B. Schlaglöcher sichtbar gemacht, alle anderen Unebenheiten jedoch ausgeblendet oder - umgekehrt - Schlaglöcher ausgeblendet und nur Neigungen und großflächige Unebenheiten sichtbar gemacht werden.
Dadurch erscheint ein topographisch genaues Bild des Straßenverlaufs, in welchem durch Farbgebung die Hochlage der Bildpunkte sichtbar gemacht und z. B. Ausdehnung und Verlauf von Unebenheiten, Rillen, Wellen, Löchern, Neigungen und dergl. farblich erkennbar sind.
Die Fahrgeschwindigkeit des Vermessungsfahrzeuges geht in das Meßergebnis nur geringfügig und vernachlässigbar ein. Es entsteht auch bei hohen Geschwindigkeiten des Meßfahrzeugs von z. B. 50 und bis zu 70 km/h ein praktisch lückenloses Bild der Fahrbahn.
Das Verfahren ist brauchbar zur Aufnahme der Oberfläche jeder Fahrbahn, welche mit einem Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug befahren werden kann, also für Straßen, Plätze, aber auch z. B. für Rollbahnen auf Flugplätzen.
Um zusätzliche Daten und Darstellungsmöglichkeiten der Fahrbahnoberfläche zu gewinnen, wird auch vorgesehen, die Intensität reflektierter Lichtstrahlen zu messen. Hieraus kann die Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn ermittelt werden. Es kann die Intensität der reflektierten Laserstrahlen gemessen werden. In diesem Falle ist der Laserstrahl-Empfänger entsprechend einzurichten.
Das Fahrzeug nach Fig. 5 entspricht in der Darstellung und Beschreibung demjenigen nach Fig. 1; es ist jedoch zusätzlich ausgerüstet mit einer Kamera, z. B. CCD IR Kamerasystem mit Kamera 19. Das CCD Stereo-Kamerasystem besteht aus folgenden Einzelmodulen:

- Der CCD-Kamera 19 mit mittlerer Auflösung und einer spektralen Sensitivität vom sichtbaren Licht bis ins nahe Infrarot
- ein Trigger (zur synchronen Bildaufnahme)
- eine Hochgeschwindigkeits-Bilderzeugung (Framegrabber)
- eine zusätzliche Infrarotbeleuchtung
- eine Schnittstelle zur Zentralen Prozessoreinheit 14

Auch die Position der Kamera wird zu Beginn der Meßfahrt eingemessen. Das Meßprinzip beruht darauf, daß gleichzeitig - triggergesteuert - Einzelbilder mittels der Kamera aufgenommen und die Bildpunkte einer Straßenprofil-Linie mittels des Scanners ermittelt werden. Durch eine Bildverarbeitung werden automatisch in den durch die CCD-Kamera aufgenommenen Bildern die durch den Scanner gleichzeitig aufgenommenen Bildpunkte ausgesucht. Auf diese Weise kann für jeden Bildpunkt die Intensität des reflektierten Lichtstrahls und damit seine Reflektionseigenschaft festgestellt werden.
Aus allen gemessenen Reflektionseigenschaften werden zusätzliche Aussagen über die Oberflächenstruktur der Fahrbahn abgeleitet. Zur Visualisierung können unterschiedliche Oberflächenstrukturen auch farblich dargestellt werden. Es können z. B. Schäden in der Fahrbahnmarkierungs Schäden oder ungewollte Rauigkeiten der Fahrbahn, Straßenränder und Bankette sichtbar gemacht werden.
Die Kombination von Laser-Scanner und CCD-IR Kamera hat den Vorteil, daß die beiden Systeme die gleiche Information auf unabhängige und unterschiedliche Art und Weise sammeln. Dadurch wird neben der Redundanz und Überprüfbarkeit der Aufnahmen auf Plausibilität auch eine zusätzliche Bildliche Darstellung der Straßenoberfläche ermöglicht. Bezugszeichenaufstellung 1 Fahrbahn, Oberfläche
2 Fahrzeug, Kraftfahrzeug
3 Halter
4 Scanner
4.1 Emittor
4.2 Empfänger
5 Scanner
5.1 Emittor
5.2 Empfänger
6 Scanner
6.1 Emittor
6.2 Empfänger
7 INS, Trägheitsinvigationssystem, Inertial-Navigationssystem
8 GPS, Global-Positioning-System, Satellitennavigationssystem
9 Bewegungsebene, Pendelebene
10 Mittellinie des Öffnungswinkels phi
11 Rechner, Positionsrechner
12 Streckenmessgerät, Wegstreckenzähler
13 Zeitgeber
14 Fahrbahnrechner, Oberflächenrechner, Profilrechner
15 Barometer
16 Neigungsmessgerät
17 Spur-Rillen
18 topographisches Lot, Lotrechte
19 Kamera, 3D CCD Kamera

Claims

1. Verfahren zur Aufnahme des Oberflächenzustandes einer Fahrbahn, bei welchem
die Fahrbahn mit einem Fahrzeug in einer vorgegebenen Fahrtrichtung befahren wird,
an dem Fahrzeug ein Scanner, bestehend aus Laserstrahlemittor und Laserstrahl-Empfänger über und mit Abstand zu der Oberfläche angeordnet ist,
Laserstrahlen auf die Fahrbahn gerichtet werden,
der Laserstrahl-Empfänger die von der Oberfläche diffus reflektierten Laserstrahlen erkennt und Empfangssignale erzeugt,
durch Umformung der Empfangssignale in einem Datenprozessor Signale erzeugt werden, welche die Lageänderung der Oberfläche und Unebenmäßigkeiten der Oberfläche repräsentieren (Oberflächensignal),
der Laserstrahlemittor eins wiederkehrenden Bewegung in einer Abtastebene quer zur Fahrtrichtung ausführt.
Kennzeichen:
Der an einer festen Stelle des Fahrzeugs montierte Scanner und insbesondere der Laserstrahlemittor führt in der Abtastebene (Pendelebene) eine Pendelbewegung mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit über einen vorgegebenen Öffnungswinkel aus;
Die Laserstrahlen werden impulsweise mit vorgegebener Frequenz (Laserstrahlpuls) derart erzeugt, daß in der Abtastebene (Pendelebene) bei der Pendelbewegung des Scanners in vorgegebenen Winkelschritten jeweils ein Laserstrahlpuls erfolgt;
Aus dem Empfangssignale des Laserstrahl-Empfängers wird die Dauer zwischen der Erzeugung jedes Laserstrahlpulses und dem Empfang des an der Oberfläche reflektierten Laserstrahls (Laufzeit) ermittelt;
Zur Ermittlung des Oberflächensignals wird die Laufzeit korrigiert mit dem Winkel zwischen einer festliegenden Linie und dem jeweiligen Laserstrahlpuls.

2. Verfahren nach Anspruch 1.
Kennzeichen:
Als festliegende Linie ist die Linie des kürzesten Abstandes des Scanners zur Fahrbahn gewählt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Als festliegende Linie ist eine Linie gewählt ist, welche dem Fahrzeug, insbesondere dem Fahrzeug in seiner Ausgangslage zugeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festliegende Linie eine topographische Linie, insbesondere die in der Pendelebene liegende Senkrechte auf der in der Pendelebene liegenden Erdtangente oder das Lot zur Erdoberfläche ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Kennzeichen:
die Abweichung der Neigung der Pendelebene von ihrer zu Beginn der Meßfahrt aufgenommenen Lage und/oder vorzugsweise die Abweichung dar geringsten Neigung der Pendelebene zur Lotrechten wird in die Korrekturrechnung zur Ermittlung des Oberflächensignals einbezogen.

6. Verfahren zur Aufnahme des Oberflächenzustandes einer Fahrbahn, bei welchem
die Fahrbahn mit einem Fahrzeug in einer vorgegebenen Fahrtrichtung befahren wird,
an dem Fahrzeug ein Scanner, bestehend aus Laserstrahlemittor und Laserstrahl-Empfänger über und mit Abstand zu der Oberfläche angeordnet ist,
der Laserstrahl mit vorgegebener Frequenz impulsweise (Laserstrahlpuls) auf die Fahrbahn gerichtet wird,
der Laserstrahl-Empfänger die von der Oberfläche diffus reflektierten Laserstrahlen erkennt und Empfangssignale erzeugt,
durch Umformung der Empfangssignale des Laserstrahl-Empfängers in einem Datenprozessor Signalen erzeugt werden, welche die Lageänderung der Oberfläche und Unebenmäßigkeiten der Oberfläche repräsentieren (Oberflächensignal),
wobei der Laserstrahlemittor eine wiederkehrenden Bewegung in einer Abtastebene quer zur Fahrtrichtung ausführt;
insbesondere Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Kennzeichen:
bei der Meßfahrt wird die Position des Scanners synchron zur Erzeugung der Laserstrahlpulse laufend fortgeschrieben (Istposition);
Die in dem Datenprozessor erzeugten Oberflächensignale werden auf die fortgeschriebene Istposition des Scanners bezogen.

7. Verfahren nach Anspruch 6.
Kennzeichen:
Die Position des Scanners wird vor der jeweiligen Messfahrtstrecke in den drei Raumachsen eingemessen und danach die Anfangskoordinaten des Scanners und der Oberfläche festgelegt;
Die in dem Datenprozessor erzeugten Oberflächensignale werden unter Berücksichtigung der fortgeschriebenen Istposition des Scanners auf die Anfangskoordinaten des Scanners bezogen.

8. Verfahren nach Anspruch 7.
Kennzeichen:
Die Neigung des Fahrzeugs bzw. des Scanners, vorzugsweise die Neigung in Fahrtrichtung (Längsneigung) und/oder die Neigung quer zur Fahrtrichtung (Querneigung), wird vor der jeweiligen Messfahrtstrecke in den drei Raumachsen eingemessen (Anfangsneigung) und bei der Meßfahrt synchron zur Erzeugung der Laserstrahlpulse laufend fortgeschrieben (Istneigung); Die in dem Datenprozessor erzeugten Oberflächensignale werden unter Berücksichtigung der Istneigung des Scanners auf die Anfangskoordinaten des Scanners bezogen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8.
Kennzeichen:
Die Messfahrtstrecke wird laufend gemessen und die Oberflächensignale werden auf die Messfahrtstrecke bezogen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
Kennzeichen:
Die Position des Scanners wird nach der Einmessung, welche vor der jeweiligen Messfahrtstrecke geschieht, während der Meßfahrt durch ein an dem Fahrzeug mitgeführtes Trägheits-Navigationssystem (Inertial-Navigationssystem-INS-) laufend fortgeschrieben (Istposition).

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
Kennzeichen:
Die Neigung des Fahrzeugs bzw. des Scanners (Längsneigung und/oder Querneigung) wird durch das an dem Fahrzeug mit geführte Trägheits- Navigationssystem eingemessen (Anfangsneigung) und bei der Meßfahrt laufend fortgeschrieben (Istneigung).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11.
Kennzeichen:
Die topographische Lage des Scanners wird durch ein Satelliten- Navigationssystem (Global positioning system -GPS-) vor der jeweiligen Messfahrtstrecke erfaßt sowie eingemessen und/oder während der Meßfahrt synchron zur Erzeugung der Laserstrahlpulse laufend fortgeschrieben.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12.
Kennzeichen:
Die Position des Scanners wird nach der Einmessung, welche vor der jeweiligen Messfahrtstrecke geschieht, während der Meßfahrt durch ein an dem Fahrzeug mitgeführtes Wegmeßsystem und/oder Barometer und/oder Neigungsmesser synchron zur Erzeugung der Laserstrahlpulse laufend fortgeschrieben (Istposition) und die ermittelten Daten mit den fortgeschriebenen gleichwertigen Istpositionen anderer Geräte laufend abgeglichen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Kennzeichen:
Den Oberflächensignalen werden bestimmte Farben für die bildliche Darstellung zugeordnet.

15. Verfahren nach Anspruch 14.
Kennzeichen:
Die Oberflächensignale werden in Klassen eingeteilt, welche jeweils einem vorbestimmten absoluten oder relativen Höhenbereich zugeordnet sind; Den Klassen werden bestimmte Farben für die bildliche Darstellung zugeordnet.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Kennzeichen:
an dem Fahrzeug sind zwei oder mehr Scanner mit jeweils einem Laseremittor und einem Laserempfänger mit Abstand derart zueinander angeordnet und durch zeitliche Synchronisation der Laserpulse und Laserbewegungen derart betrieben, dass die Öffnungswinkel sich berühren oder teilweise überlappen, wobei vorzugsweise ein oder mehrere Scanner mit ihrem Öffnungswinkel seitlich gerichtet und/oder nach oben gerichtet sind.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Kennzeichen:
die Lichtintensität der reflektierten Strahlen wird ermittelt und den durch den Laserstrahl getroffenen Bildpunkten der Oberfläche zugeordnet.

18. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 11.
Kennzeichen:
Durch eine vorzugsweise digitales Bildaufnahmegerät wird ein photographisches Bild der Oberfläche unter Berücksichtigung der Lichtintensität der reflektierten Strahlen hergestellt.