DE19958543C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nivellieren von Gelände - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Nivellieren von Gelände, mit einem Empfänger für einen von einer Lichtquelle zur Festlegung einer Bezugsebene horizontal abgestrahlten Laserstrahl und mit einer mit dem Empfänger mechanisch verbundenen Messvorrichtung zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Empfänger und einem Ort des zu vermessenden Geländes, wobei beim Auftreffen des Laserstrahls auf den Empfänger der Nullpunkt des Empfängers ermittelt und die Entfernung des Laserstrahls von dem Rand des Empfängers bestimmt, mittels der Messvorrichtung durch Reflexionsentfernungsmessung der Abstand zwischen Messvorrichtung und Gelände gemessen, und anschließend mittels einer zentralen Steuereinheit aus den beiden Abständen und einem konstanten Geräteabstand zwischen dem Rand des Empfängers und der Messkante der Messvorrichtung der Abstand zwischen dem Gelände und dem Nullpunkt des Empfängers ermittelt wird. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen das schnelle und sichere Nivellieren im Ein-Mann-Betrieb. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung können sehr viel größere Höhenunterschiede als bisher überwunden werden. Die maximale Höhe hängt nur noch von der Reichweite des Laserentfernungsmessers ab. Damit lassen sich völlig neue Anwendungsfelder erschließen und bisherige Nivellierungen schneller und ohne Berechnungsfehler durchführen. Zusätzlich wird die Sicherheit der Messung in Bezug auf Ablesefehler wesentlich erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nivellieren von Gelände, mit einem Empfänger für mindestens einen von einer Laserquelle zur Festlegung einer Bezugsquelle horizontal abgestrahlten Laserstrahl und mit einer Messvorrichtung zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Empfänger und einem Ort des zu vermessenden Geländes.

Aus dem Prospekt der Firma Nestle & Fischer GmbH & Co. KG "Laser- Nivellierlatte" ist es bekannt, zum Vermessen von Gelände Messlatten mit daran verschiebbar angebrachten Laserempfängern und zudem einen auf einem Stativ rotierend angebrachten Laserstrahler zu verwenden. Letzterer strahlt in horizontaler Richtung einen Laserstrahl ab und legt damit eine Bezugsebene fest, von der ausgehend die Messungen von Höhenunterschieden eines Geländes erfolgen. Zu diesem Zwecke wird die bekannte Messlatte mit dem Laserempfänger senkrecht auf die Orte des Geländes gestellt, deren Höhe in Relation zur Bezugsebene ausgemessen werden sollen. Der an der Messlatte angebrachte Laserempfänger wird dann jeweils so weit entlang der Messlatte verschoben, bis er vom gebündelten Lichtstrahl des Laserstrahlers getroffen wird und dieser vom Laserempfänger somit registriert wird. Die bekannte Messlatte weist eine Skala auf, auf die der entsprechend positionierte Laserempfänger zeigt und die damit Auskunft darüber gibt, wie groß der Abstand zwischen Laserempfänger und dem auszumessenden Messpunkt des Geländes ist. Dieses Messverfahren zum Ausmessen der Höhe zweier unterschiedlicher Messpunkte angewandt, ergibt zwei Messwerte, deren Differenz den Höhenunterschied zwischen diesen beiden Messpunkten darstellt. Um auf diese bekannte Weise Höhenunterschiede eines Geländes zu vermessen, sind somit zumindest eine Messlatte mit Laserempfänger, ein rotierender Laserstrahler und ein Stativ erforderlich, wobei sich insb. beim Transport der Messvorrichtung zum zu vermessenden Gelände die Messlatten als sperrig und unhandlich erweisen. Zudem muss, um auf die bekannte Weise ein Gelände zu vermessen, zunächst der Laserstrahl mit dem Stativ aufgestellt und genau ausgerichtet werden, wonach mit der Messlatte die einzelnen Messpunkte aufgesucht werden müssen, wo der Laserempfänger exakt an die richtige Stelle der Messlatte verschoben werden muss. Dies ergibt eine Reihe relativ aufwendiger Verfahrensschritte, die das bekannte Vermessungsverfahren sehr Zeit- und arbeitsaufwendig gestalten. Zudem muss hierbei sichergestellt sein, dass die Messlatte genau senkrecht gehalten wird. Wird hierbei ungenau gearbeitet, können sich beim bekannten Vermessungsverfahren sehr schnell Messfehler und insbesondere Rechenfehler bei der Ermittlung der Differenz der gemessenen Abstände an unterschiedlichen Orten ergeben.

Aus der DE 34 44 623 A1 ist eine Vorrichtung zum Vermessen von Gelände bekannt, die einen Empfänger für von einer Laserquelle zur Festlegung einer Bezugsebene horizontal abgestrahlten Laserstrahl und eine Messvorrichtung zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Empfänger und einem Ort des zu vermessenden Geländes beinhaltet. Das Mess- und Steuersystem für Höhenprofile, insbesondere im Straßenbau, benutzt einen Wagen mit einem Strahlempfänger, der sich selbsttätig in Höhe des Leitstrahles einstellt. Ein Entfernungsmeßsystem liefert laufend auf bestimmte Festpunkte bezogene Standortkennwerte. Bezogen auf die Höhe des Leitstrahls wird entweder die Höhe der Standfläche des Wagens gemessen oder die Höhe des Arbeitswerkzeuges der Baumaschine gesteuert in Abhängigkeit von dem jeweiligen Standortkennwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, die ein einfaches und fehlerfreies Messen beim Nivellieren von Gelände ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Aufgabe wir auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den diesbezüglich rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß dem Verfahren zum Nivellieren von Gelände wird beim Auftreffen des Laserstrahls auf den Empfänger der Nullpunkt des Empfängers ermittelt. Dies erfolgt entweder manuell durch Verschieben des Empfängers senkrecht zur Laserebene solange, bis diese den Empfänger mittig trifft, oder - bevorzugt - indem die Entfernung des Laserstrahls von dem Rand des Empfängers, beispielsweise Ende eines Photoempfängerarrays, automatisch bestimmt wird. Mittels der Messvorrichtung wird durch eine Reflexionsentfernungsmessung ( Laser, Ultraschall, etc) der Abstand zwischen Messvorrichtung und Gelände gemessen, indem ein Signal abgestrahlt und aus der Differenz zwischen abgestrahlten und empfangenen Signal die Entfernung ermittelt wird. Die Bezugskante dieser Messung ist z. B. die Geräte- oder Gehäusekante (vorne/hinten) als Referenzkante einer handgehaltenen Reflexionsentfernungseinrichtung. Gemäß dem Verfahren wird mittels eines geeigneten Empfängers (Detektor für Laserlicht oder gebündeltes Licht, z. B. Diodenarray) aus der Lage des von der Laserstrahlquelle ausgesandten Laserstrahls der Gerätenullpunkt ermittelt. Er liegt dort, wo der Lichtstrahl (Laser oder gebündeltes Licht) auf den Empfänger trifft. Durch Auswertung beispielsweise eines Diodenarrays kann der Abstand vom Rand des Empfängers zum detektierten Laser- oder Lichtstrahl (Laserebene) ermittelt werden, und ist einer zentralen Steuereinheit (Mikroprozessor) bekannt. Die Reflexionsentfernungsmessung der Strecke zwischen Messvorrichtung und Gelände kann automatisch bei eintreffendem Bezugslaserstrahl auf den Empfänger oder durch manuelle Auslösung durch den Bediener ermittelt werden. Schließlich werden der Abstand der Laserbezugsebenen vom Rand des Empfängers, der geräteinterne konstante Abstand zwischen dem Rand des Empfängers und der Referenzkante (bzw. bei der manuellen Ermittlung der Abstand zwischen Laserbezugsebene und der Referenzkante durch Addition eines beliebigen Offsetwertes) und das Ergebnis der Reflexionsentfernungsmessung zu einem Wert verknüpft, der dem Abstand zwischen dem Gelände und dem Gerätenullpunkt, welcher der Bezugsebene (Laserebene des Rotationslasers) entspricht, entspricht.

Vorteilhafterweise erfolgt die Reflexionsentfernungsmessung mittels Laserstrahlen. Der vom Boden reflektierte Laserstrahl wird ausgewertet, wobei je nach Prinzip die Entfernung durch die Phasenlage des empfangenen Strahls bezüglich des Sendestrahls durch Messung der Laufzeit oder durch einen andere geeignete Methode bestimmt wird.

Gemäß einer weiteren Ausbildung des Verfahrens wird der Abstand zwischen dem Gelände und dem Nullpunkt des Empfängers von einem ersten Geländemesspunkt gespeichert und aus der Differenz zwischen dem ersten Geländemesspunkte und einem zweiten Geländemesspunkt der Höhenunterschied von einer Steuereinheit ermittelt und ausgegeben. Dabei kann die Ausgabe über eine Schnittstelle oder eine optische Anzeigeeinrichtung erfolgen. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, weil es nur von einer Person durchgeführt werden kann und gleichzeitig automatisch eine Berechnung erfolgt, die Fehler ausschließt.

Bei der Vorrichtung zum Nivellieren ist die Messvorrichtung als Reflexionsentfernungsmessvorrichtung ausgebildet und bildet zusammen mit dem Empfänger, einer Ausgabeeinrichtung und mit einer, mit der Messvorrichtung, mit dem Empfänger und mit der Ausgabeeinrichtung elektrisch verbundenen Steuereinheit eine Einheit. Für diese Einheit ist es wichtig, dass Empfänger und Entfernungsmessvorrichtung mechanisch miteinander verbunden sind und bei Bewegungen gemeinsam mitbewegt werden.

Dadurch, dass hierbei anstelle einer Messlatte eine Messvorrichtung zum Messen der Laufzeit von Signalen verwendet wird, die zusammen mit dem Empfänger für das die Bezugsebene definierende Licht in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, ergibt sich ein kleines handliches Gerät, das leicht zu transportieren aber auch einfach zu bedienen ist, da es lediglich über den zu erfassenden Messpunkt in Höhe des von der Lichtquelle horizontal abgestrahlten Lichtes gehalten werden muss, um nach dem Einschalten des Gerätes sofort den gewünschten Messwert zu liefern. Zudem ist es leichter, dieses Gerät derart zu halten, dass es genau auf den senkrecht unter dem Gerät liegenden Messpunkt gerichtet ist, als eine Messlatte genau senkrecht zu halten. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass ein genaues Justieren des Laserstrahles nicht mehr erforderlich ist, und daher die Messung schneller durchgeführt werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messvorrichtung als elektrooptische Entfernungsmessvorrichtung, insbesondere Laserentfernungsmessvorrichtung, ausgebildet ist, wobei ein Sender für Laserlichtimpulse und ein Empfänger für Laserlicht vorgesehen sind, da derartige Laserentfernungsmesser bereits eine weite Verbreitung gefunden haben und technische Schwierigkeiten bei der Verwendung dieser Messgeräte zum Vermessen von Gelände nicht zu erwarten sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen das schnelle und sichere Nivellieren im Ein-Mann-Betrieb. Anstelle einer Meßlatte mit aufgedruckter Skala, deren Länge i. a. auf maximal 5 m beschränkt ist, können mit dem Verfahren und der Vorrichtung sehr viel größere Höhenunterschiede überwunden werden. Die maximale Höhe hängt nur noch von der Reichweite des Laserentfernungsmessers ab. Damit lassen sich völlig neue Anwendungsfelder erschließen und bisherige Nivellierungen schneller und ohne Berechnungsfehler durchführen. Zusätzlich wird die Sicherheit der Messung in Bezug auf Ablesefehler wesentlich erhöht, da kein analoger Messwert an einer Skala mehr abgelesen werden muss, noch ein Laserempfänger verschoben werden muss, bis der Laserstrahl an einer bestimmten Stelle eines Empfängers eintrifft, noch ein Höhenunterschied manuell berechnet werden muss.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 die schematische Darstellung der Vorrichtung zum Vermessen von Gelände an zwei Messpunkten;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Vorrichtung mit den einzelnen zu beachtenden Abständen bei der Ermittlung des Abstandes vom Gelände, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Signalverarbeitung in der Vorrichtung.

Die in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen 1 zum Vermessen von Gelände sind mit je einem Empfänger 2 für gebündeltes Licht 3, der als eine Reihe von Fotoempfängern 2' ausgebildet ist, ausgestattet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um Laserlicht. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine Messvorrichtung 4 zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Empfänger 2 und einem Ort 5, 5' des zu vermessenden Geländes 6 auf, die als Vorrichtung zum Messen der Laufzeit von Signalen 7 ausgebildet ist und zusammen mit dem Empfänger 2 in einem gemeinsamen Gehäuse 16 untergebracht ist. Hierzu werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel Laserlichtsignale verwendet. Hierbei weist die Vorrichtung 4 zum Messen der Laufzeit von Signalen einen Sender 4' für Laserlichtimpulse und einen Empfänger 4" für vom Ort 5, 5' reflektiertes Laserlicht 7' auf.

Die Vorrichtung 1 zum Vermessen von Gelände weist weiterhin eine mit dem Empfänger 2 für Laserlicht 3 elektrisch verbundene Steuereinheit 8 auf, die zudem mit der Vorrichtung 4 elektrisch verbunden ist. Zur Ausgabe der Rechenergebnisse ist die Steuereinheit 8 weiterhin an eine elektrische Anzeigevorrichtung 9 angeschlossen.

Abgestrahlt wird das gebündelte Licht 3, das im vorliegenden Fall Laserlicht ist, von einer Laserlichtquelle 10, die auf einem in der Fig. 1 schematisch dargestellten Stativ 11 montiert ist. Wird hierbei anstelle der Laserlichtquelle 10 eine Quelle für herkömmliches Licht verwendet, ist eine Linsenanordnung 12 zur Bündelung dieses Lichts erforderlich.

In der Praxis hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Laserlichtquelle 10 auf dem Stativ 11 drehbar angeordnet wird, weil bei einer Rotation der Laserlichtquelle 10 der Laserlichtstrahl 3 eine Ebene bildet, die sich als Bezugsebene 13 zur Messung der Abstände 14 und 15 zwischen der Bezugsebene 13 und den Orten 5, 5' des zu vermessenden Geländes 6 eignet, wobei dann lediglich erforderlich ist, dass der Empfänger 2 das Laserlicht 3 empfängt, was nur dann der Fall ist, wenn die Vorrichtung 1 genau auf Höhe der Bezugsebene 13 gehalten wird.

Zum Vermessen von Gelände wird eine Vorrichtung 1 gemäss der Erfindung über einen Ort 5, 5' des zu vermessenden Geländes derart gehalten, dass ein Empfänger 2 von Laserlicht 3 getroffen wird, was bedeutet, dass die Vorrichtung 1 sich auf der Höhe einer Bezugsebene 13 befindet. Der Empfänger 2, der als eine Reihe von Fotoempfängern 2' ausgebildet ist, muss hierbei vertikal gehalten werden. Da in der Regel mehrere Fotoempfänger von dem Laserstrahl getroffen werden, wird der arithmetische Mittelwert aus den Messwerten gebildet. Diese Information wird in einer Steuereinheit 8 oder einem Speicher 17 gespeichert.

Entweder wird automatisch durch das Auftreffen des Laserstrahls 3 auf den Empfänger 2 oder von einer Bedienperson per Knopfdruck die Laserentfernungsmessvorrichtung 4 aktiviert. Abgestrahlt wird hierbei das Laserlicht 7 von einem Sender 4' für Laserlichtimpulse, das als reflektierter Laserlichtstrahl 7' von einem Empfänger 4" für Laserlicht erfasst wird.

Auch dieser Abstandswert wird nun in der Steuereinheit 8 (oder dem Speicher 17) gespeichert, die derart ausgebildet ist, dass sie zum einen zum gemessenen Abstand zwischen der Messvorrichtung 4 und dem Ort 5, 5' des zu messenden Geländes 6 die kurze Strecke zwischen der Messvorrichtung 4 und derjenigen Fotodiode 2' des Empfängers 2 hinzuaddiert, die vom gebündelten Licht 3 getroffen wird, so dass hieraus exakt der Abstand 14, 15 der definierten Bezugsebene 13 zum zu vermessenden Ort 5, 5' des zu vermessenden Geländes 6 errechnet wird, und die zum anderen diesen Messwert speichert. Über eine elektrische Anzeigevorrichtung 9, die beispielsweise als LCD-Display ausgebildet ist, kann der so berechnete Abstandswert 14, 15 angezeigt werden.

Die Steuereinheit 8 weist nun zusätzliche Informationsspeicher auf, in die weitere auf obige Weise errechnete Abstandswerte 14, 15 eingespeichert werden können, um durch Bildung der Differenz zwischen dem Abstand 15 und dem Abstand 14 bspw. die Höhe des Hügels 6' zu errechnen. Auch dieser Differenzwert kann nun über die Anzeigevorrichtung 9 ausgegeben werden.

In den Fig. 2 und 3 sind die einzelnen Abstände und deren Verarbeitung angegeben. Mit Sc ist der Abstand zwischen dem Laserstrahl 3 und dem Rand des Empfängers 2 (Ende des Fotoempfängerarrays), mit Sb der Abstand zwischen dem Rand des Empfängers 2 und der Messkante der Laserentfernungsmessvorrichtung 4 (Geräte- bzw. Gehäusekonstante abhängig von der räumlichen Anordnung aus Speicher 17), und mit Sa der Abstand zwischen der Messkante der Laserentfernungsvorrichtung 4 und dem Messpunkt 5 bezeichnet. Der zentrale Mikroprozessor 8 ermittelt aus diesen Werten die Entfernung und führt die Berechnung aus zwei aufeinander folgenden Messungen durch.

Claims (7)

1. Verfahren zum Nivellieren von Gelände (6), mit einem Empfänger (2) zum Empfang eines von einer Laserlichtquelle (10) zur Festlegung einer Bezugsebene (13) horizontal abgestrahlten Laserstrahls (3) und mit einer mit dem Empfänger (2) mechanisch verbundenen Messvorrichtung (4) zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Empfänger (2) und einem Ort (5, 5') des zu vermessenden Geländes (6), dadurch gekennzeichnet, dass
beim Auftreffen des Laserstrahls (3) auf den Empfänger (2) der Nullpunkt des Empfängers (2) ermittelt und die Entfernung des Laserstrahls (3) von dem Rand des Empfängers (2) bestimmt,
mittels der Messvorrichtung (4) durch Reflexionsentfernungsmessung der Abstand zwischen Messvorrichtung (4) und Gelände (6) gemessen, und
anschließend aus den beiden Abständen und einem konstanten Geräteabstand zwischen dem Rand des Empfängers (2) und der Messkante der Messvorrichtung (4) der Abstand zwischen dem Gelände (6) und dem Nullpunkt des Empfängers (2) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsentfernungsmessung mittels Laserstrahlen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Gelände (6) und dem Nullpunkt des Empfängers (2) von einem ersten Geländemesspunkt (5) gespeichert und aus der Differenz zwischen dem ersten Geländemesspunkte (5) und einem zweiten Geländemesspunkt (5') der Höhenunterschied von einer Steuereinheit (8) ermittelt und ausgegeben wird.

4. Vorrichtung (1) zum Vermessen von Gelände (6), mit einem Empfänger (2) für von einer Laserlichtquelle (10) zur Festlegung einer Bezugsebene (13) eines horizontal abgestrahlten Laserstrahls (3) und mit einer Messvorrichtung (4) zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Empfänger (2) und einem Ort (5, 5') des zu vermessenden Geländes (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (4) als Reflexionsentfernungsmessvorrichtung ausgebildet ist und zusammen mit dem Empfänger (2), mit einer Ausgabeeinrichtung (9) und mit einer mit der Messvorrichtung (4), mit dem Empfänger (2) und mit der Ausgabeeinrichtung (9) elektrisch verbundenen Steuereinheit (8) eine Einheit (16) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (4) als elektrooptische Entfernungsmessvorrichtung ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) das Aussenden und den Empfang der Signale (7, 7'), das Ermitteln und Anzeigen des Abstandes (14, 15) zwischen der Vorrichtung (1) zum Vermessen von Gelände und dem Ort (5, 5') oder der Differenz dieser Abstände (14, 15) steuert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) aus dem von der Messvorrichtung (4) gelieferten Abstandswert (Sa), einem konstanten Gerätewert (Sb), der den Abstand zwischen Messkante der Messvorrichtung (4) und dem Rand des Empfängers (2) angibt, und dem Abstand (Sc) zwischen dem Rand des Empfängers (2) und dem Laserstrahl (3) der Laserquelle (10) den Abstand zum Gelände (6) ermittelt und über die Ausgabeeinrichtung abgibt.