DE10159998C1 - Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten eines Messpunktes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten elektrooptischen Bestimmung der Koordinaten eines Messpunktes (M¶1¶), indem zunächst mehrere Referenzpunkte (P¶1¶, P¶2¶, P¶3¶, P¶4¶) mit einem bekannten Abstand (a¶1¶) zu dem Messpunkt (M¶1¶) bestimmt werden. Um insbesondere auch die Bestimmung der Koordinaten eines verdeckten Messpunktes (M¶1¶), bei dem die Bestimmung eines vertikal über dem Messpunkt (M¶1¶) positionierten Referenzpunktes (P¶1¶, P¶2¶, P¶3¶, P¶4¶) ausgeschlossen ist, wesentlich zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, den Messpunkt (M¶1¶) als Schnittpunkt der durch die einzelnen Referenzpunkte (P¶1¶, P¶2¶, P¶3¶, P¶4¶) und ihrem jeweiligen Abstand (a¶1¶) zu dem Messpunkt (M¶1¶) definierten fiktiven Kugelflächen zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten, insbesondere elektrooptischen Bestim­ mung der Koordinaten eines Messpunktes, bei dem die Positionen von zumindest drei ver­ schiedenen zu dem Messpunkt beabstandeten Referenzpunkten gemessen und aus dem Abstand der Referenzpunkte die Koordinaten des Messpunktes ermittelt werden.

Ein solches Verfahren wird in der Vermessungstechnik zur Bestimmung von (unbekannten) Messpunkten eingesetzt. Hierzu werden zunächst die Koordinaten des Instrumentenstand­ punktes durch Messung von Schrägdistanz, Horizontal- und Vertikalwinkel zu mehreren (be­ kannten) Festpunkten und anschließender darauf basierender Berechnung der Koordinaten­ unterschiede bestimmt. Auf den zu bestimmenden Messpunkt wird die untere Spitze eines mit einem Prisma ausgestatteten Prismenstabes vertikal aufgesetzt und die Schrägdistanz, der Horizontal- und der Vertikalwinkel (Zenitdistanz) gemessen. Aus dieser Polaraufnahme werden wiederum Koordinatenunterschiede berechnet, die an die vorher ermittelten Stand­ punktkoordinaten des elektrooptischen Tachymeters angehängt werden. Der Abstand des an dem Prismenstab angeordneten Prismas von dem Messpunkt wird hierzu an einer Skala unmittelbar abgelesen und fließt rechnerisch in die Neupunktkoordinaten ein.

In der Praxis kann durch die örtlichen Gegebenheiten oftmals eine vertikale Ausrichtung des Prismenstabes nicht realisiert werden. Beispielsweise kann der Prismenstab zur Bestim­ mung eines im Inneren von Leitungen oder Kanälen angeordneten Messpunktes nur in einer unerwünschten Schrägstellung nach außen geführt werden und so zur elektrooptischen Messung anvisiert werden. Ebenso können Hindernisse, beispielsweise Gebäudeecken oder Bäume, in der optischen Achse zwischen Meßgerät und Prisma eine vertikale Ausrichtung ausschließen.

Zur Bestimmung dieser sogenannten verdeckten Messpunkte, also solcher Punkte, die eine vertikale Ausrichtung des Messstabes nicht gestatten, wird ein mit zwei Prismen ausgestatte­ ter Kanalstab eingesetzt. Durch die beiden Prismen werden daher zwei Referenzpunkte be­ stimmt. Aus dem bekannten Abstand der Prismen kann dann rechnerisch auf die Orientie­ rung des Prismenstabes geschlossen werden, so daß bei bekannter Prismenstablänge auch die Koordinaten des Messpunktes durch Extrapolieren bestimmt werden können.

Als hinderlich erweist es sich bei der Anwendung eines solchen Kanalstabes jedoch, daß dieser je nach Neigungswinkel und Länge einer unterschiedlichen Biegung unterliegt, wo­ durch die rechnerisch ermittelten Koordinaten von den tatsächlichen Koordinaten des Mess­ punktes erheblich abweichen. Die hierbei auftretenden Abweichungen führen in der Praxis insbesondere bei der Vermessung von Versorgungsleitungen zu Problemen. Weiterhin darf der Kanalstab während der Messung der beiden Referenzpunkte nicht bewegt werden, so daß zumeist die Hilfe einer weiteren Person erforderlich wird. Die Durchführung des Mess­ verfahrens wird dadurch umständlich und zeitaufwendig. Zudem muß der Kanalstab zusätz­ lich mitgeführt werden. Weiterhin können selbst durch den Einsatz des Kanalstabes solche Messpunkte nicht erreicht werden, bei denen der Kanalstab nicht in den von dem Bezugs­ punkt sichtbaren Bereich hineinreicht, weil der Messpunkt beispielsweise im Bereich einer Hinterschneidung liegt und damit der Kanalstab um mehrere Ecken geführt werden müßte. Hierbei behilft man sich in der Praxis damit, daß ein leicht zugänglicher Hilfspunkt vermes­ sen und dessen Abstand von dem Messpunkt anschließend gemessen wird. Durch diese Messkette sind jedoch Fehlereinflüsse unvermeidlich. Zudem wird der Aufwand zur Bestim­ mung des Messpunktes dadurch weiter erhöht.

Die DE 197 21 903 C1 beschreibt bereits ein Verfahren zur indirekten, insbesondere elektro­ optischen Bestimmung der Koordinaten eines Meßpunktes, bei dem die Positionen von drei verschiedenen zu dem Meßpunkt beabstandeten Referenzpunkten gemessen und daraus die Koordinaten des Meßpunktes ermittelt werden. Dabei wird ein Meßpunkt mit einer Tast­ spitze mechanisch angetastet, die mit mehreren Kameras starr verbunden ist. Die Kameras sind von dem Meßpunkt abgewandt auf eine die Referenzpunkte aufweisende Targetfläche gerichtet, die das invariante Referenzsystem bildet. Bereits eine einzige Kamera ermöglicht so die Bestimmung der Position in einer Ebene aufgrund des von der Kamera fokussierten Referenzpunktes. Um jedoch auch die dritte Koordinate zu bestimmen, ist zumindest eine weitere Kamera vorgesehen, deren optische Achse zu der ersten Kamera geneigt ist. Diese fokussiert einen weiteren Referenzpunkt, wobei aus dem Abstand der Referenzpunkte zu­ einander auf die noch fehlende dritte Raumkoordinate des Meßpunktes geschlossen werden kann. Die Tasterspitze dabei kann auch abgewinkelt sein. Als weitere Meßgröße muß der Abstand ermittelt werden, um eine Koordinatenbestimmung des Meßpunktes durchführen zu können

Die DE 199 22 341 A1 offenbart ein Verfahren zur indirekten, insbesondere elektrooptischen Bestimmung der Koordinaten eines Meßpunktes, bei dem die Positionen von verschiedenen zu dem Meßpunkt beabstandeten Referenzpunkten gemessen und daraus die Koordinaten des Meßpunktes ermittelt werden. Hierzu werden die Koordinaten der Referenzpunkte mit einer Streckenmeßeinrichtung bestimmt und die so bestimmten Referenzpunkte gemeinsam mit dem Meßpunkt als Zielbild fixiert. Mittels einer nachfolgenden Bildbearbeitung ist es da­ bei möglich, von dem bekannten Referenzpunkt den Abstand zu dem Meßpunkt in dem Ziel­ bild zu ermitteln und so die Koordinaten des Meßpunktes zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Koordinaten insbesondere verdeckter Messpunkte wesentlich einfacher zu bestimmen. Insbesondere soll hierzu der Einsatz eines Kanalstabes entbehrlich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbil­ dungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Messpunkt als Schnitt­ punkt der jeweils durch den Referenzpunkt und seinen ausgewählten Abstand zu dem Messpunkt definierten fiktiven Kugelfläche bestimmt wird. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß jeder der gemessenen Referenzpunkte den Mittelpunkt einer gedach­ ten Kugelschale bildet, deren Radius durch den Abstand des Referenzpunktes von dem Messpunkt definiert ist, so daß der Messpunkt zugleich einen Punkt der Oberfläche dieser Kugelschale bildet. Durch drei verschiedene, insbesondere nicht in einer Linie angeordnete Referenzpunkte werden somit drei Kugelschalen definiert, die sich in lediglich zwei Punkten schneiden. Durch eine Plausibilitätsüberlegung kann dann problemlos derjenige Punkt be­ stimmt werden, welcher den gewünschten Messpunkt bildet. Hierdurch können in einfacher Weise durch die Messung von drei beliebigen Referenzpunkten mit einem bekannten oder zu bestimmenden Abstand von dem Messpunkt die Koordinaten des Messpunktes errechnet werden, ohne daß hierzu der Referenzpunkt in einer bestimmten, insbesondere lotrechten Position zu dem Messpunkt liegen muß. In einfacher Weise kann daher auch ein verdeckter Messpunkt durch drei beliebige Referenzpunkte und eine jeweilige Abstandsmessung be­ stimmt werden. Dabei kann das Verfahren insbesondere unter zuhilfenahme einer an sich bekannten automatischen Zielverfolgung auch im Ein-Mann-Betrieb ohne hinzuziehen von Messgehilfen durchgeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, daß zusätzlich zu den Referenzpunkten ein weiterer Referenzpunkt und sein Ab­ stand von dem Messpunkt bestimmt wird. Durch die Bestimmung der Position von vier oder mehr Referenzpunkten und dem jeweils zugehörigen Abstand von dem Messpunkt wird eine eindeutige Bestimmung des Messpunktes aus einem einzigen verbleibenden Schnittpunkt möglich, so daß eine Plausibilitätsprüfung entfallen kann. Zugleich können bei mehr als drei Messpunkten mögliche Fehlereinflüsse erfaßt und entsprechende Korrekturrechnungen durchgeführt oder auch die Positionsmessung wiederholt werden.

Eine besonders einfache Weiterbildung der Erfindung wird auch dann erreicht, wenn der jeweilige Abstand der Referenzpunkte von dem Messpunkt übereinstimmend ausgewählt wird. Hierdurch wird die Bestimmung des Schnittpunktes der gedachten Kugelflächen um den jeweiligen Referenzpunkt erleichtert, so daß der Zeitaufwand für die Durchführung des Verfahrens verringert werden kann. Dabei entfällt insbesondere die zusätzliche Bestimmung des Abstandes, indem dieser entsprechend der jeweiligen Einsatzbedingungen für alle Refe­ renzpunkte einheitlich festgelegt wird.

Hierzu ist es besonders praxisnah, wenn zur elektrooptischen Bestimmung der Positionen der Referenzpunkte ein an einem Prismenstab fixiertes Prisma eingesetzt wird. Hierdurch können die zur Positionsbestimmung in der Praxis bereits gebräuchlichen mit einem Prisma ausgestatteten Prismenstäbe eingesetzt werden, die einerseits konventionell in lot­ rechter Ausrichtung zur Messpunktbestimmung durch lediglich einen einzigen gemessenen Referenzpunkt, andererseits in unterschiedlich geneigten Positionen gegenüber dem Mess­ punkt zur Bestimmung von drei oder mehr Referenzpunkten geeignet sind. Der Abstand des jeweiligen Referenzpunktes von dem Messpunkt wird dabei an dem Prismenstab eingestellt.

Eine andere besonders zweckmäßige Abwandlung wird auch dadurch erreicht, daß der Prismenstab verformbar ist und zur Durchführung der Messpunktbestimmung in der einge­ stellten Form festgelegt wird. Hierdurch können insbesondere auch mehrfach verdeckte Messpunkte, die beispielsweise im Inneren von Kanalschächten eine mehrfache Umlenkung des Prismenstabes erforderlich machen, problemlos gemessen werden, ohne daß hierzu zusätzliche und dadurch zumeist zu Fehlereinflüssen führende Hilfspunkte bestimmt werden müssen. Der Prismenstab wird hierzu in die gewünschte Form gebracht, so daß das Pris­ menstabende an dem Messpunkt anliegt und das Prisma von einem Bezugspunkt ungehin­ dert sichtbar ist. Die so eingestellte Form wird festgelegt und nach der Messung der Abstand zwischen dem Prisma und dem Prismenstabende als fiktive Verbindungslinie gemessen.

Hierzu eignet sich eine weitere Abwandlung besonders gut, bei der zur Formgebung zumin­ dest ein Abschnitt des Prismenstabes abgewinkelt und in der abgewinkelten Position vor­ übergehend fixiert wird. Der Prismenstab ist hierzu mit zumindest einem festlegbaren Gelenk ausgestattet. Der Prismenstab kann dadurch universell eingesetzt werden und ermöglicht eine einfache Handhabung. In seiner gestreckten Position kann der Prismenstab zudem auch zur konventionellen lotrechten Bestimmung des Messpunktes eingesetzt werden, so daß kein zusätzlicher Prismenstab erforderlich ist.

Eine andere besonders erfolgversprechende Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird auch dadurch erreicht, daß der Abstand zwischen dem Messpunkt und dem jewei­ ligen Referenzpunkt durch ein elektrooptisches Messsystem bestimmt wird. Hierdurch kön­ nen die Referenzpunkte beliebig und entsprechend der örtlichen Gegebenheiten ausgewählt und die jeweilige Position bestimmt werden. Dabei kann der Abstand des Messpunktes von dem Referenzpunkt durch das elektrooptische Messsystem unmittelbar bestimmt werden, wodurch mögliche Fehlereinflüsse minimiert werden. Als Referenzpunkte können daher bei­ spielsweise bereits bekannte Positionen genutzt werden.

Hierbei ist es besonders günstig, wenn der Abstand zwischen dem Messpunkt und dem je­ weiligen Referenzpunkt mit einem reflektorlosen Entfernungsmesser bestimmt wird, so daß auch solche Messpunkte bestimmt werden können, die nur eingeschränkt oder überhaupt nicht zugänglich sind.

Hierzu eignet sich eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher der Referenzpunkt mittels einer satellitengestützten Positionsbestimmung ermittelt wird. Hier­ durch kann die Bestimmung der Koordinaten des Messpunktes weiter vereinfacht werden, indem zunächst die Position der Referenzpunkte durch ein GPS-System ermittelt und der Messpunkt aus den Abständen durch die Schnittpunktberechnung bestimmt wird. Auf diese Weise können auch Messpunkte bestimmt werden, die aufgrund möglicher Abschattungen durch das GPS-Verfahren nicht direkt gemessen werden können.

Dabei erweist sich die Durchführung des Verfahrens als besonders einfach, wenn mittels einer Steuereinheit eine aufeinanderfolgende Messung von zumindest drei Referenzpunkten bei unverändertem Standpunkt erfaßt und daraus unter Einbeziehung eines jeweils bekann­ ten oder zu bestimmenden Abstandes eine Schnittpunktberechnung durchgeführt wird. Hier­ durch können die erforderlichen Berechnungen unmittelbar vor Ort durch die Steuereinheit durchgeführt und dabei mögliche Meßfehler erkannt werden. Das Verfahren läßt sich daher %. mühelos ohne spezielle Kenntnisse des Messprinzipes durchführen.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipskizze in

Fig. 1 eine Messpunktbestimmung mittels eines Prismenstabes durch vier Referenzpunkte;

Fig. 2 einen abwinkelbaren Prismenstab.

Fig. 1 zeigt einen Prismenstab 1 mit einem an seinem oberen Endabschnitt 2 angeordneten Prisma 3. Mit seinem dem Prisma 3 abgewandten Prismenstabende 4 liegt der Prismenstab 1 auf einem zunächst unbekannten Messpunkt M₁ auf dessen Koordinaten durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren zu bestimmen sind. Hierzu wird der Prismenstab 1 zusätzlich zu der dargestellten Position nacheinander in drei weitere, abweichende, lediglich gestrichelt dargestellte Positionen gebracht und die jeweils zugeordneten Referenzpunkte P₁, P₂, P₃ und P₄ elektrooptisch gemessen. Der Messpunkt M₁ bildet dadurch zugleich einen Oberflä­ chenpunkt einer jeweiligen fiktiven Kugelhülle, die durch den jeweiligen Referenzpunkt P₁, P₂, P₃ und P₄ und dem übereinstimmenden, durch den Prismenstab 1 festgelegten Abstand a₁ eindeutig beschrieben ist. Der einzige Schnittpunkt aller durch die gemessenen Referenz­ punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ definierten fiktiven Kugelhüllen ist damit zugleich der gesuchte Messpunkt M₁, dessen Koordinaten daher problemlos rechnerisch ermittelt werden können. Der Prismenstab 1 muß daher nicht wie bei konventionellen Messverfahren lotrecht über dem Messpunkt M₁ ausgerichtet sein, sondern kann in einer beliebigen Neigung zu dem Mess­ punkt M₁ positioniert sein, so daß nicht nur bei örtlichen ungünstigen Gegebenheiten, die unter Umständen eine lotrechte Position nicht gestatten, eine einfache Durchführung des Messverfahrens realisierbar wird, sondern zudem der Aufwand für die exakte lotrechte Posi­ tionierung des Prismenstabes 1 entfällt.

Anhand der Fig. 2 wird ein solcher vorteilhafter Einsatz für ungünstige örtliche Gegeben­ heiten veranschaulicht. Dabei befindet sich der zu bestimmende Messpunkt M₂ im Inneren eines Kanals 5 an dessen Oberkante, so daß der Einsatz des in Fig. 1 gezeigten, geraden Prismenstabes 1 ebenso wie der Einsatz eines nach dem Stand der Technik bekannten mit zwei Prismen ausgestatteten Kanalstabes ausgeschlossen ist. Um dennoch eine Mess­ punktbestimmung ohne Hilfsmessungen durchführen zu können, wird ein mit einem Gelenk 6 ausgestatteter Prismenstab 7 eingesetzt, dessen abgewinkelter Abschnitt 8 mit seinem Prismenstabende 9 gegen den Messpunkt M₂ anliegt. Ein an einem oberen Endabschnitt 10 angeordnetes Prisma 11, welches aus einem Schacht 12 herausragt, kann daher problemlos elektrooptisch vermessen werden. Die Kenntnis der Winkelstellung des abgewinkelten Ab­ schnittes 8 ist dabei nicht erforderlich. Der zur Messpunktbestimmung erforderliche Abstand a₂ zwischen einem Referenzpunkt P₅ und dem Messpunkt M₂ wird in einfacher Weise als fik­ tive Verbindungslinie gemessen. Die Durchführung des Verfahrens wird dadurch wesentlich vereinfacht. Zudem kann das Messverfahren universell bei unterschiedlichen Einsatzbedin­ gungen eingesetzt werden, ohne daß zusätzliche Hilfsmittel oder Hilfsmessungen erforder­ lich sind.

Claims (10)

1. Verfahren zur indirekten, insbesondere elektrooptischen Bestimmung der Koordinaten eines Messpunktes (M₁, M₂), bei dem die Positionen von zumindest drei verschiedenen zu dem Messpunkt (M₁, M₂) beabstandeten Referenzpunkten (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) gemessen und aus dem Abstand (a₁, a₂) der Referenzpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) die Koordinaten des Mess­ punktes (M₁, M₂) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Messpunkt (M₁, M₂) als Schnittpunkt der jeweils durch den Referenzpunkt (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) und seinen ausgewähl­ ten Abstand (a₁, a₂) zu dem Messpunkt (M₁, M₂) definierten fiktiven Kugelfläche bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Referenz­ punkten (P₁, P₂, P₃) ein weiterer Referenzpunkt (P₄) und sein Abstand (a₁) von dem Mess­ punkt (M₁, M₂) bestimmt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Abstand (a₁) der Referenzpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) von dem Messpunkt (M₁) übereinstimmend ausgewählt wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zur elektrooptischen Bestimmung der Positionen der Referenzpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) ein an einem Prismenstab (1, 7) fixiertes Prisma (3, 11) eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenstab (7) verformbar ist und zur Durchführung der Messpunktbestimmung in der eingestellten Form festgelegt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formgebung zumindest ein Abschnitt (8) des Prismenstabes (7) abgewinkelt und in der abgewinkelten Position vorübergehend fixiert wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand (a₁, a₂) zwischen dem Messpunkt (M₁, M₂) und dem jeweiligen Refe­ renzpunkt (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) durch ein elektrooptisches Messsystem bestimmt wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand (a₁, a₂) zwischen dem Messpunkt (M₁, M₂) und dem jeweiligen Refe­ renzpunkt (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) mit einem reflektorlosen Entfernungsmesser bestimmt wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Referenzpunkt (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) mittels einer satellitengestützten Positionsbe­ stimmung (GPS) ermittelt wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels einer Steuereinheit eine aufeinanderfolgende Messung von zumindest drei Referenzpunkten (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) bei unverändertem Standpunkt erfaßt und daraus unter Einbeziehung eines jeweils bekannten oder zu bestimmenden Abstandes (a₁, a₂) eine Schnittpunktberechnung durchgeführt wird.