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Gut und schnell – Mobiles Laserscanning auf der A 7

Das PRO- Survey Ingenieurbüro für Vermessung erhielt den Auftrag, auf der Bundesautobahn A 7 zwischen den Autobahndreiecken Hamburg Nordwest und Bordesholm 67 Kilometer Bestandsdaten zu erfassen und auszuwerten. Dem Unternehmen blieben nur vier Wochen Zeit für die Ausführung. Die Lösung der umfangreichen Aufgabe? Mobiles Laserscanning kombiniert mit der Vermessungs- und Entwurfssoftware CARD/1.

Das Trimble® MX8 ist ein mobiles Datenerfassungssystem zur präzisen Aufnahme räumlicher Daten.Lageplan und Querschnittsansicht eines Brückenbauwerks.3D-Projektansicht einer eingefärbten Punktwolke.
Das Trimble® MX8 ist ein mobiles Datenerfassungssystem zur präzisen Aufnahme räumlicher Daten.
Lageplan und Querschnittsansicht eines Brückenbauwerks.
3D-Projektansicht einer eingefärbten Punktwolke.

Die A 7 ist nicht nur die längste Autobahn Deutschlands, sondern auch eine der wichtigsten Verbindungen zwischen Nord- und Zentraleuropa. Um die A 7 als leistungsfähige und attraktive Verkehrsverbindung zu erhalten, ist der ständige Ausbau und die Anpassung an das stetig wachsende Verkehrsaufkommen notwendig. Der Abschnitt der A 7 vom Autobahndreieck Hamburg-Nordwest bis Autobahndreieck Bordesholm gehört zu den Projekten des vordringlichen Bedarfs. Dieser Abschnitt soll von vier auf sechs bzw. acht Spuren verbreitert werden. Die Realisierung soll als ÖPP Projekt (Öffentlich-Private Partnerschaft) im Rahmen eines sogenannten Verfügbarkeitsmodells erfolgen.

Betreibermodell – Verfügbarkeitsmodell

Das sogenannte Verfügbarkeitsmodell beinhaltet den Ausbau, den Erhalt und den Betrieb der Autobahn durch einen privaten Investor. Dieser wird nach Verfügbarkeit und Ausführungsqualität durch den Staat leistungsabhängig bezahlt.

Veranlassung zur Vermessung

Im Verlauf des Vergabeverfahrens führen die einzelnen Bieter weitere Planungen u.a. zur Bauweise durch. Als Grundlage für diese Planungen benötigen die durch den Bieter beauftragten Planungsbüros Bestandsdaten der Fahrbahn mit zusätzlichen Informationen. Mit der Erfassung und der Bereitstellung dieser Daten wurde die Arbeitsgemeinschaft aus den Ingenieurbüros PROSurvey und MAV Anders beauftragt. Zu liefern waren Bestandsdaten des bestehenden Geländes in Form eines digitalen Geländemodells. Zusätzlich sollten noch Querprofile im Abstand von 20 m und eine 360 Grad Videobefahrung mit allen relevanten Informationen geliefert werden, z. B. der Autobahnkilometrierung.

Projektdetails

Die Bestandsdaten der A 7 sollten von km 83 bis km 150 erfasst werden. Außerdem beinhaltete der Auftrag die Bestandsvermessung von 2 Autobahndreiecken, 20 Anschlussstellen sowie 10 Park-/Tank- und Rastanlagen. Insgesamt 41 Brückenbauwerke waren ebenso Auftragsbestandteil. Die Daten der Hauptstrecke wurden vier Wochen nach Auftragserteilung erwartet.

Vorplanung

Dieser knappe Zeitrahmen schloss von Anfang an die Vermessung mit herkömmlichen Mitteln aus. Zum Einsatz kam daher ein Mobile Laserscanning System (MLS) zur präzisen Aufnahme räumlicher Daten, der MX8 der Firma Trimble®. Für die Datenaufbereitung bot sich das bereits im Hause vorhandene Vermessungs- und Entwurfssystem CARD/1 mit seinen hervorragenden Möglichkeiten zur Verwaltung und Bearbeitung großer Punktwolken an. Im Vorfeld der Befahrung wurden die Lage der Passpunkte (im Abstand von 300 m) und die sinnvolle Unterteilung der Gesamtstrecke in Abschnitte geplant. Letzteres dient dazu, die riesigen Datenmengen zweckmäßig zu unterteilen.

Ausführung

Die Befahrung der A 7 inkl. aller Nebenanlagen dauerte lediglich drei Tage. Letztendlich wurden 326 Einzelscans á ca. 6 Millionen Punkte gespeichert. Das Gesamtdatenvolumen der Video- und Scandaten umfasste bis dahin ca. 2 Terabyte.

Auswertung der Scannerrohdaten

Ein nicht zu unterschätzender Zeitaufwand ist die Aufbereitung der Scanrohdaten. Das MLS liefert:
Dichte Punktwolken

  • Hochpräzise Fahrzeugpositionierung und –ausrichtung
  • Hochauflösende digitale Bilder
  • Diese Einzeldaten müssen so prozessiert werden, dass georeferenzierte Punktwolken entstehen.

Wesentliche Auswerteschritte sind

  • Auswertung und Anpassung GNSS Fahrweg
  • Synchronisation mit dem Radsensor
  • Georeferenzierung über Trimble® VRSNowTM
  • Alternative Referenzierung über Passpunkte
  • Synchronisation der kinematischen Laserscandaten
  • Synchronisation der CCD Kameras auf der Trajektorie GNSS

Diese Prozessierung und die dafür erforderliche Analyse und Interpretation der Rohdaten wird in dem Softwarepacket TRIDENT ® der Firma Trimble® ausgeführt. Als Ergebnis werden zur Weiterverarbeitung in CARD/1 Punktwolkendaten im LAS-Format erzeugt. Weiterhin wird ein kundenorientiertes TRIDENT-Viewer Projekt erstellt, in dem sich sämtliche erfassten Informationen, wie Videodaten, Punktwolken etc., darstellen lassen. Mit diesen visuellen Darstellungen kann der Kunde aber nicht planen. Die eigentlichen Planungsdaten werden mit der Software CARD/1 erzeugt.

Bearbeitung der Punktwolken mit CARD/1

Die Software CARD/1 bietet eine Vielzahl an Importfiltern für Punktwolken an. Das allgemein übliche Format LAS wird seit der letzten Version unterstützt. Mit Hilfe der in CARD/1 integrierten Programmiersprache CardScript lassen sich auch unübliche Formate importieren. Der Einsatz von CardScript ist insgesamt für die Punktwolkenbearbeitung von Vorteil. Sei es nur für das Zusammenfügen der Einzelpunktwolken oder für die nachfolgende Transformation der Daten von UTM nach GK.

Diese Aufgabe wurde mit etwas erhöhtem Zeitaufwand problemfrei mit dem internen Transformationsmodul und der externen Transformationslösung des Landes Schleswig-Holstein bewerkstelligt. Wobei bedacht werden muss, dass letztendlich aus der Vielzahl an Punktwolken der Hauptstrecke nur sechs große erzeugt wurden – jede mit ca. 500 Millionen Punkten. Um eine sinnvolle Kontrolle über die Bestandsdaten zu bekommen, haben wir in enger Zusammenarbeit mit unserem CARD/1 Vertriebspartner, der IGM Interaktive Grafik Milde GmbH aus Bannewitz, entschieden, die Geländedaten aus Querprofilen im Abstand von 10 m zu erzeugen. Für die Berechnung von Querprofilen aus Punktwolken steht in CARD/1 ein leicht bedienbares und per CardScript extrem anpassbares Modul zur Verfügung. Es erlaubt eine Vielzahl an Einstellungen, um das Gelände ideal im Querprofil abbilden zu können. Die berechneten Einzelprofile wurden dann visuell auf Plausibilität kontrolliert und bei Bedarf manuell nachgearbeitet. Das ist zwar ein hoher Aufwand, gewährleistet aber auch gleichzeitig einen sauberen Datenbestand. In diesen Querprofilen wurde mit der Kontrolle auch gleich der Fahrbahnrand mit Punkten und Punktnummern versehen.

Mithilfe des Moduls „Lageplan aus Querprofilen“ konnte so der Fahrbahnrand erzeugt werden, das Digitale Geländemodell entstand mithilfe des Moduls DGM aus Querprofilen erzeugen“. Alternativ lässt sich das DGM nach ähnlichen Methoden wie bei der Querprofilentwicklung („tiefster Punkt“) generieren. Eine Kontrolle und Nachbearbeitung fällt aber ungleich schwerer.

Fazit

Für diese Zukunftstechnologie, die teilweise bereits Einzug in den täglichen Arbeitsprozess gefunden hat, ist die Software CARD/1 das Mittel der Wahl. Der Umgang mit riesigen Punktwolken und die Möglichkeiten der Programmiersprache CardScript nehmen der Punktwolkenbearbeitung den Schrecken.

Für MLS

Für die Bearbeitung eines Projektes mit Scannerdaten sprechen:

  • Aufnahme ohne Unterbrechung des fließenden Verkehrs
  • Aufmaß von Gefahrenstellen ohne Personengefährdung
  • Objekte lassen sich ohne physische Berührung aus einer Entfernung von bis zu 300 m schnell und mit hoher Genauigkeit Vermessen
  • Sehr genaue und fotorealistische Aufnahmen werden erzeugt
  • Es entsteht ein genaues und detailliertes Geländemodell
  • Beliebige Schnittführung durch die Punktwolke
  • Nachträgliche Änderung bzw. Verdichtung der Profilabstände ohne Nachvermessung
  • Fotorealistische 3D-Darstellung für Projektveranschaulichungen, Präsentationen und Animationen sind möglich
  • Die Punktwolke ist beweissicher und nicht manipulierbar
  • Punktwolken sind georeferenzierbar
  • Die Verknüpfung mit herkömmlich erfassten Messdaten ist möglich

Wider MLS

Verfahrenseinschränkend wirken zurzeit noch folgende Faktoren:

  • Zur Verarbeitung sehr großer Datenmengen werden moderne, schnelle Rechner benötigt
  • Eine klassische Vermessung lässt sich nicht vollständig ersetzen
  • Der Einsatz bei stark bewaldetem oder bewachsenem Gelände im Vegetationszeitraum führt zu Fehlern
  • Die Genauigkeit ist stark abhängig von der GPS-Genauigkeit (Abschattung etc.), lässt sich aber durch geeignete Passpunktewahl und -dichte Beeinflussen
  • Die Bearbeitung der Datenmengen benötigt enorm viel Zeit (Transformation, Zusammenfügen der Punktwolken). Diese „Wartezeit“ ist nur schwer kalkulierbar.