Autor: Johannes Ohlmann-Bartusel
Titel: Innovative determination of areal deformations of an excavated tunnel intrados by multi-temporal laser scanning data
Art: Diplomarbeit
Jahr, Nr.: 2008, #400
Betreuer: Dipl.-Ing. Thomas Schäfer (TU München, LfG)

Aufgabenstellung
Terrestrisches Laserscanning (TLS) ist im Tunnelbau in nahezu allen Bereichen im täglichen Einsatz und zählt heute zu einem gängigen Messverfahren in diesem Umfeld. Aus tunnelbauprozesslicher, ingenieurgeodätischer und geotechnischer Sicht besticht die Möglichkeit, insbesondere für Tunnelvortriebe nach der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise (NÖT), zeitnah flächendeckende Informationen über Deformationen des ausgebrochenen Tunnelgewölbes anstatt der bisherigen profilweisen Erfassung zu erlangen. In diesem Sektor hinkt allerdings die Auswertealgorithmik gegenüber der Aufnahmetechnik beträchtlichen nach. Hier Möglichkeiten der Verbesserung zu erkunden, zu entwickeln und auf einen vorliegenden Testdatensatzes anzuwenden, stellt die zentrale Aufgabe dieser Diplomarbeit dar. Dabei soll der Schwerpunkt auf innovativer Datenfilterung, der Analyse von Deformationen und deren Visualisierungen liegen.

Kurzfassung
Die verfasste Diplomarbeit beinhaltet die Entwicklung eines flächenhaften und automatischen Ansatzes, zur Bestimmung von radialen Deformationen einer neu ausgebrochenen und mit Spritzbeton versiegelten Tunnellaibung. Der hierfür entwickelte Algorithmus wurde an einem multitemporalen Laserscanning-Testdatensatz, eines NÖT-Tunnelvortriebes, angewendet. Für diese Umsetzung wurde der Algorithmus in einem MATLAB-Programmpaket, als Softwareeigenentwicklung, vollständig implementiert. Das Marktpotential von Laserscanning im Tunnelbau und einer vortriebsbegleitenden Datenerfassung im Speziellen, ist im Rahmen der Diplomarbeit berücksichtigt.

Die Ausgangsüberlegung der flächenhaften Deformationsbestimmung wird durch ein Deformationsmodell (Modell nach [LINDENBERGH und PFEIFER]) für multitemporale Laserscanning-Daten beschrieben, welches systematische Einflüsse sowie zufällige Unsicherheiten (Rauscheinflüsse) berücksichtigt. Die Bestimmung der radialen Deformationen basiert auf einer, für praxisrelevante Tunnelgeometrien allgemeingültig entwickelten, Transformation der Punktwolken in ein Tunnelband (projektive Azimutalprojektion), welche ein an die mittlere Objektpunktauflösung bestangepasstes Delaunay-Interpolationsgitter als 2,5D punktweise Analysegrundlage ermöglicht. Die Transformation kann als Koordinatentransformation aufgefasst werden, die höchsten Genau-igkeitsansprüchen, im Gegensatz zu einer "Pixeltransformation", genügt.

Verfahrensschritte der modellbasierten Deformationsbestimmung sind ein gleitender Binomialfilter zur Reduktion des Rauschens und ein im Rahmen der Arbeit entwickelter regional adaptiver Filter zur Elimination von fehlerhaften Pseudo-Deformationen an messtechnisch unsicher zu erfassenden Bereichen, welche das flächenhafte Deformationsbild ohne Filterung grob statistisch verfälschen würden.

Die Anwendung des entwickelten Algorithmus zur flächenhaften (radialen) Deformationsbestimmung einer Tunnellaibung erfolgte an zeitversetzt erfassten, sich überlappenden Laserscanning-Punktwolken. Dieser vortriebsbegleitend erfasste Datensatz, aus einem nach der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise vorgetriebenen Tunnel, wurde von der GEODATA Group in Leoben (Österreich) für die Erprobung des Algorithmus zur Verfügung gestellt. Der Datensatz wurde mit der firmeneigenen Entwicklung ORTHOS Laser Tunnel Scanner (RIEGL LMS Z360i als Systemkomponente) erfasst. Der flächenhaften Deformationsbestimmung konnten konventionelle tachymetrische 3D-Verschiebungsmessungen mit geringen Abweichungen gegenübergestellt werden. „Deformations-Kacheln“ als neuartige Form der Ergebnisaufbereitung und intuitiv interpretierbare Visualisierungsart für flächenhafte Deformationen werden darüber hinaus als mögliche Schnittstelle zu Finite Elemente Modellen (FEM) und Tunnelinformationssystemen (TIS) vorgeschlagen.