Koordinatenbestimmung durch Winkelmessungen

Das Verfahren der Koordinatenbestimmung durch Winkelmessung (Horizontalrichtungen und Zenitwinkel) mit Theodoliten bzw. Tachymetern wird allgemein als Triangulationsverfahren bezeichnet. Zur Berechnung der Punktkoordinaten muss mindestens eine Strecke bekannt sein. Beim Verfahren des Räumlichen Vorwärtsschnitts werden, ausgehend von mindestens einer Standlinie, von deren Endpunkten dreidimensionale Koordinaten vorliegen, die Horizontalrichtungen und Zenitwinkel zu den Neupunkten gemessen. Mit den bekannten und gemessenen Größen lassen sich die räumlichen Koordínaten der Neupunke berechnen. Es ist darauf zu achten, dass die Visurstrahlen im Neupunkt einen günstigen Schnittwinkel ergeben. Werden Präzisionsinstrumente eingesetzt, lassen sich im Entfernungsbereich bis zu 10 m die Koordinaten unter 0,1 mm genau bestimmen.

Polare Koordinatenbestimmung

Beim polaren Messverfahren wird ein Neupunkt bestimmt durch die Horizontalrichtung, den Zenitwinkel und durch die Strecke. Gemessen werden die Größen, z. B. mit Tachymetern (siehe Abschnitt Richtungs- und Winkelmessungen), Lasertrackern, Laserscannern, Geräten, die nach dem Verfahren des Laserradars arbeiten und mit Sensoren der PMD-(Photonic-Mixer-Device) Technologie.

Lasertracker bestehen aus einem Laserinterferometer, dessen Strahl über eine motorgetriebene Spiegeleinheit dem Retroreflektor nachgeführt wird, der den Zielpunkt darstellt. Die Spiegelstellung wird über Winkelsensoren erfasst, so dass mit der interferometrischen Streckeninformation die 3D-Koordinaten des Zielpunktes bestimmt werden. Im Entfernungsbereich bis 10 m können die Punkte mit einer Messunsicherheit von <0,1 mm ermittelt werden. Lasertracker führen in einer Sekunde einige tausend Messungen aus, so dass sie auch für dynamische Anwendungen (z. B. der Überprüfung von Industrierobotern, Schwingungsmessungen) eingesetzt werden können. Um die Nachteile der interferometrischen Streckenmessung - bei jeder Signalunterbrechung muss das Gerät neu initialisiert werden - zu mindern, sind die modernen Tracker zusätzlich mit absolut messenden Entfernungsmessern ausgestattet. Die Genauigkeit dieser Distanzmesser soll der interferometrischen von einigen Mikrometern sehr nahe kommen. Neuere Entwicklungen bei den Trackern zielen darauf ab, eine bessere Langzeitstabilität zu erlangen. Durch die Ausrüstung des Retroreflektors mit zusätzlichen Leuchtdioden, die vom Tracker über eine digitale Kamera erfasst werden, kann nicht nur die 3D-Position des Reflektors, sondern auch seine räumliche Orientierung mitbestimmt werden. Ebenso lässt sich die räumliche Lage (Position und Orientierung) eines berührungslosen Handscanners permanent erfassen. Durch diese Innovationen können neue Aufgabenfelder speziell in den Bereichen des Maschinenbaus erschlossen werden. Derzeit werden Tracker angeboten von den Firmen Leica in der Schweiz und SMX in den USA.

Auch bei den Laserscannern wird über eine Spiegeleinheit ein Laserstrahl in den Objektraum gelenkt. Die Streckenmessung erfolgt jedoch hierbei reflektorlos entweder nach dem Verfahren der Impuls- oder Amplitudenmodulation. Der Spiegel wird von einem Rechner gesteuert, in zu wählenden Inkrementen in horizontaler und vertikaler Richtung automatisch verstellt. Über den Abgriff der Spiegelstellung und das Resultat der Streckenmessung lassen sich 3D-Koordinaten vom Zielpunkt berechnen. Die Streckenmessgenauigkeit liegt in Abhängigkeit von den Eigenschaften des angemessenen Materials zwischen 1 mm und 10 mm. Laserscanner führen bis zu einige tausend Messungen in einer Sekunde aus. Dadurch können 3D-Informationen, z. B. von Bauwerken und Maschinen, automatisch in vertretbaren Zeiträumen gewonnen werden. Die bei den Messungen anfallenden großen Datenmengen werden reduziert, indem über Approximationsverfahren aus den Einzelpunkten Linien und Flächen abgeleitet werden. Eine Auswahl von Laserscannern mit unterschiedlichen Leistungsdaten ist im Abschnitt 3.4 "Scan-Verfahren" in der Einführung zum Themenbereich "Architektur und Denkmalpflege" auf dieser Web-Seite vorhanden.

Bei den Geräten, die nach dem Verfahren des Laserradars arbeiten /White 1999/, wird wie bei den Trackern über eine motorgesteuerte Spiegeleinheit ein Laserstrahl in den Objektraum gelenkt. Die Steckenmessung, die auch hier reflektorlos erfolgt, wird über eine spezielle Frequenzmodulation des Laserlichts durchgeführt. Nach Herstellerangaben sollen Messgenauigkeiten bis zu 0,01 mm im Nahbereich möglich sein. Bei einer reduzierten Genauigkeit können bis zu 1000 Messungen in einer Sekunde vorgenommen werden. Mit diesem Gerät erschließen sich aufgrund der hohen Messgenauigkeit und der hohen Messfrequenz neue Anwendungsgebiete im Maschinenbau, im Bauwesen und in der Geodäsie.

Bei der PMD-(Photonic-Mixer-Device) Technologie /Lange 2000/ wird ähnlich wie bei den digitalen Kameras über einen CCD-Sensor ein Bild vom Objektraum aufgenommen mit dem Unterschied, dass jedes Pixel nicht nur eine Helligkeitsinformation liefert, sondern gleichzeitig auch noch die Entfernung zum Objektpunkt. Man erhält ein digitales 3D-Bild. Die Entwicklungen in dieser Technik sind noch nicht abgeschlossen; aber es lassen sich schon jetzt interessante Anwendungen für diese Innovation finden.

Photogrammetrische Koordinatenbestimmung

Das Grundprinzip photogrammetrischer Systeme besteht darin, von unterschiedlichen Standpunkten nacheinander oder zeitgleich fotografische Aufnahmen mit entsprechenden Kameras vorzunehmen. Aus den in den einzelnen Bildern sich abzeichnenden Bildpunkten identischer Objektpunkte lassen sich dann durch räumliche Triangulation die äußere Orientierung der einzelnen Kamerapositionen und anschließend die dreidimensionalen Koordinaten der Objektpunkte berechnen. Sind einige Objektpunkte in einem übergeordneten Koordinatensystem bekannt, lässt sich das photogrammetrische System in dieses transformieren. Photogrammetrische Systeme arbeiten mit Kameras, die für die Bildaufzeichnung entweder Film verwenden oder aber die Bildaufzeichnung direkt in digitaler Form mit einem CCD-Sensor vornehmen /Luhmann 2000/.

Wegen der schnellen Bildaufzeichnung mit CCD-Sensoren und der damit gegebenen Möglichkeit, die Auswertung direkt am Messort vorzunehmen, werden heutzutage in der Industriephotogrammetrie verstärkt digitale Kameras eingesetzt. Es steht heute eine Vielzahl verschiedener digitaler Kameras mit unterschiedlichen Sensorabmessungen und mit einer unterschiedlich großen Anzahl von Sensorelementen zur Verfügung. So besitzt z. B. die Kleinbildkamera Kodak DCS 660 mit einer Sensorfläche von 18,4 mm x 27,6 mm insgesamt 2036 x 3060 Sensorelemente. Die Belichtungszeiten sind vergleichbar mit denen von gewöhnlichen Kameras, die mit Film arbeiten. Allerdings werden zum Abspeichern der digitalen Bilder bei der DCS 660 mehrere Sekunden benötigt.

Wegen der hohen Genauigkeitsforderungen in den industriellen Bereichen werden die Objektpunkte mit Klebemarken und Reflexfolie signalisiert. Die Mittelpunkte der auf dem CCD-Sensor abgebildeten Bildpunkte werden über digitale Bildverarbeitung mit Schwerpunkt- bzw. Ellipsenoperatoren bestimmt. Neben den normalen Punkten, die mit kreisförmigen Messmarken definiert werden, werden auch codierte Zielmarken verwendet. Bei diesen Zielmarken ist ihre Punktnummer im Code enthalten; die Punktnummer kann automatisch durch digitale Bildverarbeitung erkannt werden. Damit ist es möglich, die Bildorientierung vollautomatisch durchzuführen, ohne in den einzelnen Bildern erst noch identische Punkte manuell zu kennzeichnen. Die gesamte Auswertung läuft heutzutage innerhalb weniger Minuten vollautomatisch (auf einem Notebook) ab. Die Genauigkeit, die mit derartigen Systemen erreicht wird, kann mit 1 : 100 000 bis 1 : 200 000 angegeben werden. Das bedeutet, dass bei einer Ausdehnung des Messobjektes von z. B. 10 m die Punkte auf 0,1 mm bis 0,05 mm genau bestimmt werden können.

Bei Digitalkameras, die über Framegrabber, über Firewire- oder über USB2-Schnittstellen direkt mit einem Rechner verbunden werden können, kann die Messfrequenz gesteigert werden. Es können mehrere Aufnahmen pro Sekunde dem Rechner zugeführt und dort direkt ausgewertet werden. Damit lassen sich auch dynamische Aufgabenstellungen photogrammetrisch bearbeiten.

Koordinatenmessgeräte

	dem mechanischen Messsystem mit den drei Translationsachsen,
	dem Tastkopf zum Antasten der Werkstücke in allen Raumrichtungen,
	dem Bedienpult und
	einem Rechner zur Steuerung des Geräts und zur Darstellung und Auswertung der Messergebnisse.

	Ständerbauart,
	Auslegerbauart,
	Portalbauart und
	Brückenbauart.

Bei den mechanischen Tastern finden überwiegend schaltende und messende Tastköpfe Verwendung. Unter optimalen Bedingungen kann mit mechanischen Tastern eine Messunsicherheit von 0,1 µm erreicht werden, wenn parallel zu einer der Koordinatenachsen gemessen wird. Ansonsten liegt die Antastunsicherheit bei 3 µm. Optische Tastsysteme, z. B. Triangulationssensoren, besitzen meist eine eindimensionale Messunsicherheit von 3 µm und größer. Ausgenommen davon sind optische Taster, die nach dem Fokussierverfahren arbeiten und als Abstandssensoren Messunsicherheiten von <0,1 µm liefern.