Schnelle topografische Vermessungen mit einer Kombination aus Bathymetrie- und LiDAR-Daten

Autor: Sam Pfeifle

An der Staatsgrenze zwischen Washington und Idaho teilt sich der Snake River in zwei Arme: der eine fließt als Snake River weiter entlang der Grenze nach Süden, der andere bildet den Clearwater in Richtung Osten. Wenn man mit dem Boot in Richtung Osten fährt, kommt man recht bald an der Clearwater Memorial Bridge vorbei, einer etwa 228 Meter langen Brücke, die den Veteranen des Zweiten Weltkriegs gewidmet ist.

Die Brücke, die im Frühjahr 1951 eröffnet wurde, wurde vor mehr als einem Jahrzehnt von der Bundesregierung als „nicht mehr funktionstauglich“ eingestuft, vor allem wegen der Zufahrtsstraßen, die nicht mehr für das tägliche Verkehrsaufkommen geeignet sind, das die Brücke bewältigen muss.

Im März 2019, fast 70 Jahre nach Baubeginn der ursprünglichen Brücke, beauftragte das Verkehrsministerium von Idaho zwei Ingenieurbüros mit der Erstellung einer vollständigen topografischen Vermessung der Brücke und der umliegenden Gebiete im Rahmen eines mehrjährigen Projekts, um die Brücke und die umliegenden Straßen zu ersetzen und so einen sicheren und effizienten Verkehr für kommende Generationen zu gewährleisten.

Der Auftrag ging zunächst an Horrocks Engineers, ein Unternehmen mit 15 Niederlassungen im Westen der USA, darunter drei in Idaho. Die Gewinnung von Vermessungsdaten für die Brücke und die umliegenden Straßen war eine Routineaufgabe für das mobile Kartierungsteam, so Lonnie Olson, Geschäftsführer und Vermessungsmanager bei Horrocks, aber das Projekt erforderte auch bathymetrische Daten für den Grund des Flusses und den Brückenunterbau.

„Sie wollten sich die Erosion rund um die Brückenpfeiler ansehen“, sagte Olson. „Eine der Möglichkeiten, die man in Betracht zieht, ist, den Unterbau und einen Großteil der Brücke selbst zu erhalten.“

Er wusste, dass die Ergänzung der Cloud-Daten aus der mobilen Kartierung durch Daten eines Multibeam-Sonars eine konsistente, detaillierte und genaue Topografie vom Flussbett bis zur Oberfläche liefern würde, aber es gab ein Problem: Horrocks verfügt nicht über ein Multibeam-Sonargerät.

„In Utah gibt es keine großen Flüsse und für die meisten Seen sind nicht viele bathymetrische Daten erforderlich“, so Olson. „Normalerweise verwenden wir nur einstrahliges Sonar, aber das ist nicht das, was wir hier brauchen.“

Glücklicherweise verfügt die Spicer Group über eine Multibeam-Einheit für genau diese Art von Erosionsanalyse an Brücken und die hydraulische Modellierung. Noch besser ist, dass das Sonarboot von Spicer auch mit einer mobilen Sensorplattform Leica Pegasus:Two für die mobile Kartierung über und unter Wasser ausgestattet ist – dieselbe mobile Scanplattform, in die Horrocks 18 Monate zuvor für die Kartierung von Straßen investiert hatte.

Olson beschloss, sich an Nathan Shepherd, den Projektvermesser von Spicer, zu wenden und die Kräfte für den Auftrag zu bündeln – das erste Mal, dass er ein anderes Vermessungsteam als Subunternehmer beauftragte.

Erledigt in einem Tag

Horrocks befuhr die Brücke und die umliegenden Straßen. Spicer befuhr den Fluss, um alles unterhalb der Wasserlinie, die Flussufer und die Unterseite der Brücke zu erreichen. Dann fügten sie die Daten zusammen und extrahierten die Planometrie, um ein Oberflächenmodell und eine topografische Vermessung zu erstellen.

Da es sich bei Pegasus um eine Sensorplattform handelt, die Daten aus mehreren Quellen aufnehmen kann, konnten die Informationen von Multibeam- und LiDAR-Einheiten in eine gemeinsame Punktwolke integriert werden.

„Die Halterung für Pegasus ist am Boot festgeschraubt“, sagte Shepherd. „Man kann nicht einfach mit einem gemieteten Boot losziehen und mit der Arbeit beginnen.“

Während die LiDAR-Einheit von Pegasus alles mit nur einer einzigen Hin- und Rückfahrt unter der Brücke und entlang der Flussufer erfassen konnte, ist der Einsatz des Multibeam-Sonar eher mit Rasenmähen zu vergleichen, erklärte Shepherd. Das Team benötigte 40 oder 50 Durchgänge mit dem Multibeam-Sonar, um den Grund des Flusses zu erfassen und die erforderlichen Daten für alle Durchfahrtshöhen und hydraulischen Studien zu erhalten.

Dennoch wurde das an einem Tag erledigt.

Insgesamt dauerte es etwa drei Tage, um das vollständige Festpunktnetzwerk für den Auftrag einzurichten, dann vier Tage vor Ort für die Vorbereitung und Durchführung des eigentlichen Scannens, also insgesamt sieben Tage vor Ort – eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.

„Vor zehn Jahren“, so Olson, „hätte man alle 15 Meter mit einer automatisierten Totalstation einen Querschnitt erstellen und einige wichtige Punkte der Struktur erfassen müssen. Und insgesamt hätte man wahrscheinlich drei bis vier Wochen vor Ort mit der Kontrolle und Erfassung verbringen müssen.“

Was die Unterwasserarbeiten betrifft, „würde man wahrscheinlich alle 75 Meter einen Querschnitt erstellen, vielleicht ein Dutzend Gesamtmessungen mit einem Einstrahl-Sonar vornehmen, und dann ein Modell davon erstellen“, sagte Shepherd. „Und die Erosion hätte man dabei gar nicht gesehen. Es gäbe keine Möglichkeit, Informationen darüber zu bekommen. Man hätte Taucher runterschicken müssen, die sich das Ganze an Ort und Stelle anschauen.

Es geht also um etwa ein Drittel der Zeit“, fasste Shepherd zusammen, „und vermutlich einige hundert Mal mehr Daten.“

Es wird noch besser! „Als ich alles zusammengefügt habe“, sagte Olson, „passten die Punktwolken, die wir aus den Daten von Spicer und unseren eigenen unteren und oberen Daten erstellt hatten, mit einer Genauigkeit von weniger als einem Zentimeter zusammen. Eine derartige Genauigkeit wäre auf keine andere Art und Weise zu bekommen. Man könnte es irgendwie erreichen, aber die Kosten wären gigantisch.“

Der Backoffice-Effekt der mobilen Kartierung

Sie haben vermutlich schon einmal die Horrorgeschichten gehört: „Mobile Kartierung erzeugt so viele Daten, das ist unmöglich zu verwalten!“ „Wer braucht schon ein Vermessungsteam, wenn man einfach nur mit einem Scanner herumfahren muss?“

Natürlich stimmt es, dass der Einstieg in die mobile Kartierung Anpassungen im Backoffice erfordert, aber diese sind eigentlich einfach zu bewältigen, wenn man sich darauf vorbereitet und Schulungen für seine Mitarbeiter anbietet.

Horrocks Engineers führt bereits seit etwa acht Jahren Laserscanning durch, mit dem mobilen Scanning hat das Unternehmen aber erst vor 18 Monaten begonnen, als es die Plattform Pegasus: Two von Leica Geosystem, einem Teil von Hexagon, anschaffte. Lonnie Olson, Geschäftsführer und Vermessungsmanager bei Horrocks, sagte, dass dies merkliche Auswirkungen auf die Belegschaft hatte.

„Einige unserer Außendienstteams sind ins Büro gewechselt“, sagte er. „Und ich habe ein Team ehemaliger erstklassiger CAD-Techniker, die wir für Vermessungsarbeiten ausgebildet haben. Wir konnten den Großteil des Post-Processing intern erledigen.“

Das Unternehmen rekrutierte auch frische Absolventen von Geomatik-Programmen aus der Region und begann sofort mit deren Schulung für die Arbeit mit mobilen Punktwolkendaten.

„Jetzt haben wir ein Team aus fünf Personen“, sagte Olson, „die den ganzen Tag nichts anderes tun, als Daten aus Punktwolken zu extrahieren.“

Jason Ellis von Leica Geosystems sagte, dass Horrocks' Erfahrung typisch sei und dass die Verlagerung von Außendienstmitarbeitern ins Backoffice als kluger Schritt und nicht als Kompromiss angesehen werden sollte.

„Die Kontinuität zwischen dem Außendienst und dem Büro ist immer eine Herausforderung“, sagte Ellis. „Es ist schwer zu vermitteln, was vor Ort gemacht wurde und wie die Daten verarbeitet werden müssen.“

Wenn man erfahrene Außendienstmitarbeiter zu Experten für die Arbeit mit Daten umschult, hat man Mitarbeiter, die beim Herausarbeiten wichtiger Informationen intuitiv verstehen, was die Außendienstteams erfassen wollten.

Ebenso, sagt Ellis, kann es sehr hilfreich sein, wenn die Personen, die vor Ort die Scanner bedienen, auch in der Lage sind, mit der Software zu arbeiten.

„Ich erlebe oft, dass Leute die Nachbearbeitung vor Ort durchführen, damit sie wissen, dass alles in Ordnung ist und sie wirklich zusammenpacken können – oder dass sie bei Problemen erneut scannen müssen“, sagte er. „Viele Außendienstmitarbeiter übernehmen allmählich eine Analyse-Rolle, und das ist gut so. Sie haben bessere Leute vor Ort, die sehr viel produktiver sein können.“

Eine übergreifende Ausbildung hilft auch, den Fachkräftemangel im Geoinformationswesen zu schließen. „Es ist schwer, gute Leute zu finden. Wenn also das Team, das die Datengewinnung vor Ort durchführt, den Großteil des Post-Processing selbst erledigen und die Zertifizierung erreichen kann, hilft das, Projekte auf Kurs zu halten“, so Ellis.

Über die Technik muss man sich gar nicht so viele Gedanken machen, meint Olson. Man sollte nur darauf achten, über viele USB-Speichermedien mit mehreren Terabyte Kapazität zu verfügen. Diese sind mittlerweile extrem günstig geworden. Und bei der Hardware sollte man nicht sparen.

„Ihr gewöhnlicher CAD-Rechner kann mit diesem Material problemlos umgehen“, sagte Olson. „Die Software holt jetzt auf. Sie brauchen wirklich nicht viel, um loslegen zu können. Es ist ziemlich einfach. Auch ein schlichter Laptop kann damit umgehen. Klar, man braucht schon einen anständigen Computer, aber wir sind ein Ingenieurbüro, also hatten wir die sowieso.“

Ein nahtloser Workflow

Da das gesamte Post-Processing in Pegasus Manager durchgeführt wurde, war der Workflow zum Zusammenführen der Datensätze unkompliziert. Die Teams in den beiden Fahrzeugen konnten die Daten und das Bildmaterial in Echtzeit hinsichtlich der Abdeckung kontrollieren. Dann nutzten sie das Modul zur Trajektorienanpassung, um alle Daten zusammenzuführen und für die Vermessungskontrolle zu beschränken. Die Pegasus-Software nutzt automatische Merkmalsextraktion und andere automatisierte Funktionen, um das Post-Processing schnell und effizient zu gestalten.

Von dort aus konnte Horrocks die MicroStation- und TopoDOT-Dateien an das Verkehrsministerium von Idaho liefern. (Die Software exportiert in alle gängigen Standardformate der Branche.)

„Um all diese Daten zu verarbeiten und die vollständige Vermessung zu extrahieren, brauchte ein Team von vier Personen etwa anderthalb Wochen“, sagte Olson. „Das ist viel schneller als noch vor ein paar Jahren.“

Jason Ellis von Leica Geosystems leistete technische Unterstützung bei der Arbeit, wie er es seit Jahrzehnten für Vermessungsteams tut. Selbst er war von der Geschwindigkeit der Datenerfassung in diesem Fall beeindruckt.

Dank ihrer sich ergänzenden Kompetenzen, ihres Erwartungsmanagements und ihrer guten Kommunikation arbeiteten die beiden Ingenieurbüros erfolgreich zusammen. Infolge einer guten Kommunikation im Vorfeld und relativ reibungsloser Abläufe konnten die Teams Bathymetrie- und LiDAR-Daten ohne Probleme kombinieren.

Die vollständige Version dieses Beitrags wurde im xyHt Magazin im Oktober 2019 veröffentlicht.