New Geodetic Monitoring Approaches using Image Assisted Total Stations
Image Assisted Total Stations (IATS) unify geodetic precision of total stations with areal coverage of images. Photogrammetric image measurement methods to detect signalized as well as non-signalized targets can be combined with functions of the total station like precise angle and distance measurements. The instruments are ideally suited for automatic and autonomous operation in monitoring systems. This thesis presents four new geodetic monitoring approaches in the fields of structural monitoring and geo-monitoring. It is shown that IATS offer much greater potential than currently used.
Image Assisted Total Stations (IATS) vereinen die geodätische Präzision von Totalstationen mit der flächenhaften Erfassung mittels Bilddaten. Ein kalibriertes Instrument erlaubt die Umrechnung einer auf dem Bildsensor gemessenen Pixelkoordinate in eine räumliche Richtung. Jedes aufgenommene Bild ist direkt absolut orientiert und kann sofort für Richtungsmessungen verwendet werden. Verknüpfungspunkte auf dem Objekt oder andere Orientierungsmessungen werden nicht benötigt. Photogrammetrische Auswerte- und Analysemethoden zur Detektion von signalisierten, als auch nicht signalisierten Messpunkten können mit Funktionen der Totalstation (z.B. präzise Winkel- und Distanzmessungen) kombiniert werden.
Neben Prototypen aus dem Forschungsbereich ist eine zunehmende Anzahl kommerziell erhältlicher Lösungen verfügbar. Die zusätzlichen Möglichkeiten dieser IATS werden derzeit allerdings nur genutzt, um bestehende Standardmessmethoden ergonomischer zu gestalten oder die Ergebnisse zu dokumentieren. Das volle Potential von IATS wird noch nicht ausgeschöpft, insbesondere der Einsatz der Geräte für Überwachungsmessungen im automatischen und autonomen Betrieb.
In dieser Dissertation werden vier neue Lösungsansätze und Fallstudien aus dem Bereich Monitoring vorgestellt, die dieses Potential von IATS nutzen. Zwei der dargestellten Methoden beziehen sich auf die Bauwerksüberwachung, die weiteren beiden auf den Bereich des Geo-Monitoring.
Der erste Ansatz zeigt ein Beispiel der Eigenfrequenzbestimmung zur Bauwerksüberwachung (Structural Health Monitoring) einer Hängebrücke mit IATS. Aktive LED-Zielzeichen werden mittels Bildanalyse detektiert und anhand deren Bewegungen Schwingungsfrequenzen des Bauwerks abgeleitet. Die präsentierte Methode ist sowohl in der Lage, mehrere Ziele gleichzeitig zu erfassen, als auch für hochfrequente Anwendungen geeignet. Die Stabilität des Standpunktes kann jederzeit mit den Funktionen der Totalstation (Inklinometer, Richtungsmessungen zu umliegenden Festpunkten, o.ä.) kontrolliert werden. Das System kann sowohl im permanenten Betrieb, als für individuelle Einzelmessungen benutzt werden.
Eine Geo-Monitoring Methode für große Reichweiten wird im zweiten Ansatz präsentiert, die auf der Verwendung von zwei IATS in einer Stereokonfiguration beruht, ähnlich wie sie vom Vorwärtsschnitt oder der Stereophotogrammetrie bekannt ist. Das eingeschränkte Gesichtsfeld der IATS Teleskopkamera wird durch die Aufnahme von mehreren Bildern erweitert, die zu einem sphärischen Panorama zusammengesetzt werden. Mithilfe flächenhafter Matchingverfahren und räumlicher Vorwärtsschnitte werden 3D-Punktwolken erzeugt. Werden Korrespondenzen nicht nur in einem Stereo-Paar (zweier Panoramen), sondern auch in darauffolgenden Messepochen gefunden, können 3D-Verschiebungsvektoren direkt abgeleitet werden. Eine klassische Deformationsanalyse kann mithilfe zusätzlicher Messungen zu stabilen Festpunkten berechnet und die Ergebnisse somit auf Signifikanz getestet werden.
Ein dritter Lösungsansatz ist die Implementierung von Auswerteverfahren zur Analyse digitaler Nivellierlattencodes in IATS. Im Gegensatz zu klassischen Nivelliergeräten, werden damit nicht horizontale Visuren ermöglicht. Die Methode kann für die direkte Übertragung der Kippachshöhe einer Totalstation von einer Höhenmarke oder in einem automatischen Überwachungssystem, das Nivellierlatten oder kurze Barcodestreifen verwendet, genutzt werden. Insbesondere der letztgenannte Punkt ermöglicht eine höhere Flexibilität im Bereich der Bauwerksüberwachung. Der Ansatz ist des Weiteren ein Beispiel für die Verwendung passiver Zielzeichen, da der Nivellierlattencode durch jedes beliebige Muster ersetzt werden kann.
Die Scanfunktionalität moderner IATS für eine kombinierte Auswertung von Punktwolken und Bildinformation wird im vierten Ansatz vorgestellt. Sphärische Farbbilder/-panoramen (RGB) werden mit einem Distanzkanal „D“ zu RGB + D Bildern erweitert, in denen 3D Koordinaten direkt abgegriffen werden können. Wie im Stereo-Ansatz können direkt 3D-Verschiebungsvektoren erzeugt werden, falls Korrespondenzen in aufeinanderfolgenden Messepochen detektiert werden. Die Vorteile der verschiedenen einzelnen Sensorinformationen werden vereint und deren Nachteile reduziert. Wie in o.g. Methode präsentiert, erlauben zusätzliche Messungen zu stabilen Festpunkten die Berechnung geodätischer Deformationsanalysen.
Diese verschiedenen Lösungsansätze werden in der Dissertation detailliert beschrieben, sowie deren individuellen Stärken, Chancen, aber auch Schwächen dargestellt. Es wird gezeigt, dass IATS insbesondere in der Bauwerksüberwachung und dem Geo-Monitoring weit mehr Potential bieten als derzeit genutzt wird. Die Instrumente sind ideal für den automatischen und autonomen Betrieb in geodätischen Überwachungssystemen geeignet.