Verschiebungsmessungen im Tunnelbau mit automatisierten photogrammetrischen Methoden

Abstract

Beim Tunnelbau wird als Stand der Technik eine dreidimensionale geodätische Verschiebungsmessung mit Präzessionstotalstation durchgeführt (OGG, 2014, Wulf Schubert, 2004). Ziel derselben ist es, die Bewegungen der Tunnelschale in den drei Raumrichtungen aufzuzeigen. Aus geodätischer Sicht wird bei dieser 3D-Verschiebungsmessung die Bewegung von Punkten bestimmt. In dieser Arbeit wird die Verschiebungsmessung um ein automatisiertes, photogrammetrisches Modell erweitert, mit dem einzelne Verschiebungspunkte bestimmt werden können. Die Modelle der Geotechnik benötigen die vollständige Messung aller Punkte im definierten Bereich, um Aussagen über zu erwartende Verschiebungen tätigen zu können. Den Vermesser stellt diese Forderung von Vollständigkeit vor die Herausforderung, eine Sichtverbindung zwischen Totalstation und jedem Punkt herstellen zu müssen. Sichtverbindungen zu einzelnen Punkten können aus vielen Gründen unterbrochen sein (Unebenheiten der Tunnelwand, stehende Baumaschinen und andere Geräte, an Tunnelwand befestigte Einbauten, ...), sodass im Sinne der Wirtschaftlichkeit ein Abwegen zwischen Vollständigkeit und Messdauer notwendig ist. Um dies zu verringern wird im Zuge der vorliegenden Arbeit eine Erweiterung der geotechnischen Messung vorgestellt. Mithilfe eines automatisierten, photogrammetrischen Modells soll die Möglichkeit gegeben werden, einzelne, terrestrisch mit Totalstation nicht gemessene Punkte zu bestimmen. Der Ansatz entspringt praktischer Überlegung, denn Bilder für ein photogrammetrisches Modell sind deutlich schneller aufgenommen, als Standpunkte mit der Totalstation gemessen. Die Aufgabe der nachfolgenden Diplomarbeit ist nachzuweisen, ob ein automatisiertes, photogrammetrische Modell aufgestellt werden kann und dessen Genauigkeit zu untersuchen. Zur Entwicklung und Testung der Umsetzung wurde weitgehend auf quelloffene Software in der Programmiersprache Python zurückgegriffen. Es wurde ein Messprinzip entwickelt, das auf die einzigartigen Gegebenheiten des Bauwerks Tunnel eingeht. Aus diesem wurde ein Programmablauf entworfen, der Fokus auf die automatische Bildung des photogrammetrischen Modells legt. Als Testumgebung diente die Großbaustelle Semmering Basistunnel Neu, wo die Datenerfassung (Messbilder und tachymetrische Messung) durchgeführt wurde. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die Erweiterung der aktuellen Verschiebungsmessung mit automatisierten, photogrammetrischen Methoden gelingt. Mit Grundlage des Testdatensatzes wurde ein Ablauf gefunden, der Bilder nach dem vorgestellten Messprinzips übernimmt, automatisiert verarbeitet und am Ende Koordinaten von Zielmarken und deren Genauigkeiten ausgibt. Die erzielten photogrammetrischen Genauigkeiten sind aktuell in den besten Fällen um einen Faktor fünf größer, als jene der tachymetrischen. In schlechten Konfigurationen kann jener Faktor auf über 15 steigen, im Extremfall versagt das Programm. Abschließend werden bereits weitere Forschungsaspekte aufgestellt, um die Genauigkeiten weiter zu steigern.

In the field of tunnelling, 3D displacement measurements with total stations are currently considered state of the art (OGG, 2014, Wulf Schubert, 2004). The goal of this method is to measure the movements of the tunnel lining in three directions. In this thesis, we establish how the 3D displacement measurement can be extended through an automated photogrammetric model. Through this model single displacement points can be determined, thereby adding to the current displacement measurement. The outcome of surveyors in tunnelling serves as one of the most important inputs for the geotechnical engineers. By combining this outcome with other sources of information (i.e. geological predictions and observations) geotechnical models predict future displacements and confirm the building methods. The surveyor is therefore required to monitor all of the displacement points in the specified area. Since barriers are often blocking the needed line of sight from the total station to every displacement point, this monitoring can be a challenging task. Furthermore, the surveyor has to consider cost as well, which requires him to weigh measurement accuracy with a minimal amount of time spent underground. Improving this trade-off is where the newly presented automated photogrammetric model finds its place. The model aims to reduce the time underground by avoiding new and additional total station standpoints whilst simultaneously minimizing the need for extra desk work. The images used as inputs for the photogrammetric model are captured through a recording setup and should be taken shortly after the total station measurements. The photogrammetric model then enables the surveyor to determine single points not measured by the total station. The main goal of this thesis was to find a comprehensive and complete process for the automated photogrammetric model. Firstly, a capturing scheme was designed, which was then used in a measurement campaign at the construction site of Semmering Base Tunnel. Afterwards a process was developed using mostly open-source software (coded mainly in Python). The process takes the captured images and automatically calculates the photogrammetric model. During the process, some displacement points are marked for photogrammetric evaluation. These point coordinates are calculated through the photogrammetric bundle adjustment. The results of this thesis show that current displacement measurements can be expanded through modern automated, photogrammetric methods. With the right recording setup and an optimised process, a photogrammetric model is calculated and coordinates of single displacement points are delivered. The test dataset shows that in the best cases, the achieved accuracy is decreased by a factor of five compared to total station measurements. In the worst cases, the accuracy reduces by a factor of fifteen. In extreme configurations, the obtained coordinates are unsuitable. Additional areas for future research are indicated to further improve achieved accuracy.