Die Videotachymetrie versucht, die hohe geometrische Genauigkeit eines Tachymeters mit den Möglichkeiten bildbasierter Messverfahren zu verbinden. Genau an dieser Schnittstelle werden Vario-Objektive zugleich interessant und problematisch.
Das Vermessungswesen hat verschiedenste Messmethoden hervorgebracht. Wie Werkzeuge in einem Werkzeugkoffer ist die Wahl der Messmethode dabei von der jeweiligen Aufgabenstellung und den Rahmenbedingungen abhängig. In vielen Fällen bringt die Kombination von Messmethoden Vorteile.
Die Tachymetrie zeichnet sich unter den verschiedenen Messmethoden dadurch aus, Punkte und Winkel in großräumigen Bereichen mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Das macht sie innerhalb der verschiedenen Messverfahren zur Schlüsseltechnologie, andere Messverfahren, die eher kleine lokale Bereiche erfassen, geometrisch miteinander in Bezug zu setzen und in ein gemeinsames globales Koordinatensystem zu überführen.
Tachymetrie lässt sich mittels eines Kugelkoordinatensystems erklären. Ein Punkt im Raum wird durch zwei Winkel und eine Entfernung beschrieben.
Ein Tachymeter folgt in seinem ganzen Aufbau diesem Ansatz. Es besitzt zwei hochgenau gelagerte Drehachsen, die Rotationen eines Messkopfes um eine Steh- und eine Kippachse ermöglichen. Diese sind mit hochauflösenden Winkelmessern versehen. Der Messkopf selbst beinhaltet ein Fernrohr zur Anpeilung von Messpunkten sowie in der Regel unterschiedliche elektrooptische Distanzmessverfahren, typischerweise Infrarotmessung auf Reflektoren und eine sichtbare Lasermessung für reflektorlose Ziele.
Die Leistungsfähigkeit eines Tachymeters steht und fällt mit der Genauigkeit seiner Winkel- und Distanzmessungen:
| Winkelgenauigkeit | Grad | Gon | Querabweichung bei 100 m | bei 500 m |
|---|---|---|---|---|
| 0,5″ | 0,0001389° | 0,0001543 gon | 0,24 mm | 1,21 mm |
| 1″ | 0,0002778° | 0,0003086 gon | 0,48 mm | 2,42 mm |
| 2″ | 0,0005556° | 0,0006173 gon | 0,97 mm | 4,85 mm |
| 3″ | 0,0008333° | 0,0009259 gon | 1,45 mm | 7,27 mm |
| 5″ | 0,0013889° | 0,0015432 gon | 2,42 mm | 12,12 mm |
Hochpräzise Instrumente kommen teils auf 0,5″ oder 1″, gute Standard-Totalstationen häufig auf 1″–3″, einfachere Baustelleninstrumente eher auf 5″ oder darüber.
Die Genauigkeitsgruppen werden dabei wieder durch den Verwendungszweck bestimmt. Beim Bau eines Gebäudes bestehen schon wegen der zu messenden Entfernungen weit geringere Genauigkeitsforderungen als in der Landesvermessung oder dem Bau eines langen Tunnels.
Zum genauen Anpeilen von Messpunkten dient das Fernrohr. Aufgrund der Genauigkeit des Tachymeters muss die optische Achse des Fernrohrs dabei extrem stabil bleiben. Aus diesem Grund besitzt das Fernrohr eine feste, meist etwa 30-fache Vergrößerung und nur die Fokussierung ist beweglich. Durch die Fokussierung wird das Bild des Zieles in die Ebene des Fadenkreuzes gelegt, sodass Ziel und Fadenkreuz gleichzeitig scharf wahrgenommen werden können. Die optische Achse des Fernrohrs und des Entfernungsmessers sind in der Regel koaxial ausgelegt, mittels Strahlenteilern.
Andere mächtige Vermessungstechniken entstammen der Photogrammetrie. Hier macht man sich die mathematische Modellierung des Abbildungsprozesses von 3D Objekten auf Film oder Bildsensoren zunutze, um aus mehreren Abbildungen oder einer Abbildung und zusätzlich bekannten geometrischen Abhängigkeiten die abgebildete Geometrie zu rekonstruieren.
Die Photogrammetrie unterscheidet bei einer Kamera zwischen innerer und äußerer Orientierung. Die innere Orientierung beschreibt die für die geometrische Abbildung relevanten Parameter der Kamera, insbesondere Brennweite beziehungsweise Kamerakonstante, Hauptpunkt und Verzeichnung. Die äußere Orientierung beschreibt die Lage der Kamera im Raum.
Die Videotachymetrie verbindet beide Techniken auf elegante Weise:
- Die äußere Orientierung der Kamera kann aus der Stationierung des Tachymeters, den hochgenauen Winkelmessungen und der kalibrierten Lage der Kamera im Messkopf bestimmt werden. Dadurch reduziert sich gegenüber einer frei bewegten Kamera die Zahl der unbekannten Parameter erheblich.
- Der Blick durch das Fernrohr kann entfallen; die Anpeilung von Messpunkten kann mittels Embedded Vision erfolgen. Dadurch wird die Stationierung freier, da z.B. die Gerätehöhe nicht mehr durch die Augenhöhe des Bedieners bestimmt wird.
- Die Motorisierung von Totalstationen ermöglicht die Erfassung von großen Bereichen in hoher Auflösung
Streng genommen stellen viele Totalstationen bereits Vorstufen zur Videotachymetrie dar. Eingebaute Bildsensoren dienen beispielsweise dem Anfahren und Verfolgen von Prismen. Bei vielen dieser Systeme sind jedoch Bilddaten und Kameraparameter nicht in einer Form zugänglich, die eine freie photogrammetrische Auswertung ermöglicht.
Tachymetrie dient sehr unterschiedlichen Einsatzzwecken:
- Bauvermessung:
Abstecken von Achsen, Fundamenten, Wänden, Stützen, Fassaden, Straßen und Leitungen; Kontrolle, ob Bauteile an der richtigen Position liegen. - Bestandsaufnahme:
Gebäude, Industrieanlagen, Gelände, Straßen, Tunnel oder Brücken geometrisch erfassen. - Ingenieurvermessung:
hochgenaue Messungen an Maschinen, Anlagen, Brücken, Staumauern oder anderen technischen Strukturen. - Deformationsmessung / Monitoring:
feststellen, ob sich Bauwerke, Hänge, Tunnelwände oder Maschinen über die Zeit bewegen oder verformen. - Kataster- und Grundstücksvermessung:
Grenzpunkte, Flurstücke und topografische Punkte aufnehmen. - Topografie und Geländeaufnahme:
Punkte für digitale Geländemodelle, Höhenpläne oder Bauplanung erfassen. - Tunnel- und Bergbau:
Vortrieb steuern, Achsen übertragen, Profile und Verformungen kontrollieren. - Industrievermessung:
große Bauteile, Maschinen oder Produktionsanlagen ausrichten und prüfen. - Architektur / Denkmalschutz:
Fassaden und Gebäudestrukturen dokumentieren. - Maschinensteuerung und Robotik:
Tachymeter können Prismen oder aktive Ziele verfolgen und damit bewegte Maschinen oder Messplattformen hochgenau lokalisieren.
Und hier gibt es sehr unterschiedliche Anforderungen an die Genauigkeiten und das Modell, welches am Ende entstehen soll. Dieser Aspekt ist für unseren Beitrag ausschlaggebend, denn hier treffen zwei Kriterien aufeinander, welche technisch gegenüberstehen:
Flexible Brennweite mit dem daraus folgenden großen Arbeitsbereich des Bildwinkels für photogrammetrische Aufnahmen versus den Anforderungen an die Stabilität der optischen Achse für die hochgenaue Anpeilung von Messpunkten
Damit treffen zwei unterschiedliche Anforderungen aufeinander: Einerseits die hochstabile Richtungsreferenz einer einzelnen Ziellinie, andererseits die flächenhafte Erfassung eines großen Bildfeldes mit hoher räumlicher beziehungsweise angularer Auflösung.
Und damit kommen wir zu einem Kern dieser Serie: Was passiert beim Zoomen tatsächlich mit Hauptpunkt, Fokuslage und optischer Achse? Wie reproduzierbar sind diese Werte? Und wo bringen daher Vario-Objektive einen Mehrwert?
Um an dieser Stelle praktisch zu werden, ein Video als Abschluss des ersten Teils, eine Zoomfahrt kombiniert auf optischem und digitalen Zoom auf ein Gebäude, aufgenommen mit einem 12-MP-Sensor: