Dipl.-Ing. David Mauro, Geospector München · Erstveröffentlichung im Sonderheft „Messtechnik im Bauwesen 2023“ (Ernst & Sohn Special 2023, S. 31–33)
Der Einsatz ferngesteuerter Sensorik in der Luft, auf dem Wasser und auf dem Boden verspricht in den nächsten Jahren äußerst spannend zu werden – nicht nur als Alternative zur klassischen Vermessung, sondern auch durch die Ermöglichung vollkommen neuer Einsatzgebiete. Endlich ist auch eine effiziente Tiefenvermessung von natürlichen und künstlichen Kleingewässern möglich: Teiche, Seen und Becken können jetzt mit innovativer Drohnensensorik innerhalb kürzester Zeit vermessen und inspiziert werden. Besonders wichtig ist das bei kritischen und dynamischen Gewässern mit starken Sediment- und Schlammeinträgen. Insbesondere Kommunen, Betriebs- und Wartungsverantwortliche sowie Wasserbauer haben hier einen zunehmenden und oftmals drängenden, aber aufgeschobenen Bedarf.
Bislang gab es keine einfache Lösung: Für Sondierungen mussten Stege angelegt oder Kräne eingerichtet werden, und der Einsatz von Booten war oftmals aufgrund fehlender Zufahrten unmöglich. Selbst unter optimalen Bedingungen war eine Messung nur an einzelnen Stellen – idealerweise an den kritischen – möglich und eine genaue Dokumentation manuell zu erstellen.
Hier bietet das Messverfahren DTS Acqua, entwickelt vom Spezialisten für Drohneneinsätze Geospector, eine Lösung, die als Dienstleistung zur Verfügung steht: Der Drohnen-Lasermapper von Geospector wurde um weitere Sensorik wie Sonar, ein effizientes Sondierungssystem und eine Unterwasserkamera zu DTS Acqua erweitert.
Damit lassen sich ohne weitere Vorarbeiten innerhalb kürzester Zeit – im Gegensatz zu punktuellen Sondierungen – flächendeckende Tiefenmodelle vermessen. Die Genauigkeit liegt mittels GNSS-RTK bei einer Wassertiefe bis zu 25 m im Zentimeterbereich. Die Messdaten werden bereits während der Messung prozessiert, dokumentiert und unmittelbar auf einer Karte visualisiert, um bspw. kritische Bereiche detaillierter untersuchen zu können.
Somit bietet dieses Messverfahren einen vollkommen neuen Ansatz für die Gewässervermessung: Noch nie war es so einfach – bei gleichzeitig niedrigen Kosten –, exakte und flächendeckende Tiefenmodelle zu erzeugen. Die Messdaten können zu Punktwolken und CAD-Modellen weiterprozessiert und für Soll-Ist-Vergleiche und Volumenbestimmungen verwendet werden.
Das Tiefenmodell eines durchschnittlichen Kleingewässers kann innerhalb von einer Stunde über die gesamte Fläche erfasst werden. Der anschließende Abgleich mit den Sollprofilen (geometrische Becken oder naturnahe Teiche) liefert über die flächenhafte Verteilung von Schlamm- bzw. Sedimentdicken das Minderungsvolumen.
Regenrückhalteanlagen benötigen für den sicheren Betrieb ein Mindest-Fassungsvolumen, das sich im Laufe der Zeit durch den Eintrag von Schlamm und Sedimenten vermindert. Daher ist eine kontinuierliche Überprüfung notwendig, die bei Anlagen mit Dauerwasserstau bislang sehr aufwendig war (Sondierung mit Schlauchbooten, Steganlagen) und daher – wenn überhaupt – meist nur punktuell an wenigen Stellen durchgeführt wurde.
Oftmals wurden die Anlagen vor vielen Jahrzehnten gebaut, und es gibt große Unsicherheiten im Sohlverlauf, da exakte Pläne fehlen, Umbaumaßnahmen nicht ausreichend dokumentiert und keine Nullmessungen gemacht wurden. DTS Acqua kann daher auch den Sohlverlauf bestimmen, fehlende Nullmessungen nachholen und ungenaue Pläne aktualisieren. Mit dieser zuverlässigen Entscheidungsgrundlage lassen sich die Kosten von Sanierungs- und Reinigungsmaßnahmen minimieren und im Idealfall sogar komplett vermeiden.
Bisher gab es nur die Möglichkeit der Sondierung. Ein Sondierstab wird vom Ufer, Steg oder Boot aus an ausgewählten Stellen senkrecht durch die Ablagerung bis zur Gewässersohle gestoßen; nach dem Zurückholen des Stabs wird die Ablagerungsdicke D direkt über die Anhaftungen bestimmt. Im Falle von Kies o. ä. Material versagt diese Methode, und es kann versucht werden, die Dicke über den abgelesenen Wasserstand bei Berührung der Ablagerungsoberfläche zu schätzen. Eine automatische Dokumentation von Lage und Dicke erfolgt dabei nicht, und insgesamt ist das Vorgehen i. d. R. auf wenige Stichproben beschränkt.
Im Gegensatz zur klassischen Sondierung werden die Ablagerungsoberfläche und das Sohlniveau getrennt vermessen. Dabei steht je nach örtlichen Gegebenheiten eine Vielzahl von drohnengestützten und manuellen Verfahren (Laserscan, Sonar, automatische Sondierung etc.) zur effizienten und flächenhaften Erfassung zur Verfügung. Neben den vertikalen Distanzen h werden mittels GNSS-RTK bei allen Verfahren einheitlich die zentimetergenauen Lagekoordinaten X erfasst und in Echtzeit zur Weiterverarbeitung auf einen Server übertragen.
Die Ablagerungsdicke D ergibt sich danach durch Differenzbildung der absoluten Höhen zwischen Oberkante der Ablagerung und der Gewässersohle (Gleichung 1):
D = hO – hS = hO-GNSS – dO – (hS-GNSS – dS) (1)
In der Praxis liegen meist CAD-Pläne oder Handskizzen der Gewässergeometrie vor, sodass nur wenige Messungen des Sohlverlaufs zur Plausibilisierung und ggf. Korrektur der Pläne benötigt werden. In diesem Fall ist die Vorgehensweise wie folgt:
Mittels der Sondierungsdrohne werden mehrere Quer- und Längsprofile aufgenommen. Im Falle einer unbekannten oder natürlichen Sohlgeometrie kann durch entsprechende Verdichtung auch auf bestehende CAD-Pläne verzichtet und die Sohlgeometrie ausschließlich durch die automatisierten Sondierungen bestimmt werden.
Über Sonar oder bathymetrischen Laserscan wird die gesamte Ablagerungsfläche dicht erfasst, um auch lokale Anhäufungen oder Ausspülungen detailliert ausmachen zu können.
Es werden mehrere Geländepunkte mittels GNSS-RTK eingemessen, für die in den CAD-Plänen Höhenangaben vorhanden sind (z. B. Unterkante Zulauf). Nach einer Plausibilisierung werden die Transformationsparameter vom CAD-Plan in das aktuelle GNSS-System festgelegt.
Die CAD-Pläne werden transformiert und mittels der Sohlsondierungen plausibilisiert, eventuelle Abweichungen werden korrigiert, und es wird ein 3D-Tiefenmodell der Gewässersohle erstellt.
Von den Höhenwerten hO aller Oberflächenmessungen werden die entsprechenden Höhenwerte des Sohlmodells abgezogen; es ergibt sich der jeweilige Wert für die Ablagerungsdicke D. Da gleichzeitig die Lagekoordinaten PO bekannt sind, ergibt sich eine flächenhafte Darstellung der Ablagerungshöhen auf der Gesamtfläche der Gewässersohle.
Die grundlegende Auswertung der Messungen bis zur flächenhaften Bestimmung der Ablagerungshöhen ist damit abgeschlossen. Je nach Aufgabenstellung sind weitere Auswertungsschritte sinnvoll:
Dieser Beitrag erschien zuerst im Sonderheft „Messtechnik im Bauwesen 2023“ (Ernst & Sohn Special 2023, Rubrik „Geopositionierung & Digitale Welt im Bauwesen“, S. 31–33). Das Sonderheft kann beim Verlag Ernst & Sohn bestellt werden: Messtechnik im Bauwesen 2023 bei Ernst & Sohn.
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