Title: Aufnahme & Erfassungstechniken
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Aufnahme- und Erfassungstechniken

Die vermessungstechnischen Aufgaben im Eisenbahnbau sind sehr umfangreich und vielseitig. Im Laufe der Zeit haben sich unterschiedliche Mess- und Rechenverfahren für Gleisvermessung herausgebildet.

Die Qualität einer Eisenbahntrasse hängt von verschiedenen Kriterien ab. Ziel ist es, eine Maximierung von Sicherheit und Komfort, sowie eine Minimierung des Unterhaltungsaufwandes zu erreichen.

Bei den herkömmlichen Verfahren wird noch zwischen neu zu bauenden und bereits bestehenden Gleisanlagen unterschieden. Bei letzteren handelt es sich um sog. Linienverbesserungen, die Ermittlung von Fehllagen (Deformationen), die durch den Eisenbahnbetrieb verursacht wurden. Durch das Aufmessen der Ist - Lage werden Verschiebewerte zur Sollgleislage abgeleitet und die bestehenden Gleise neu abgesteckt.

Die bereits an mehreren Stellen eingesetzten 3D-Aufnahmeverfahren können für beide Aufgabenstellungen vorteilhaft eingesetzt werden. Neben der mess-technischen Erfassung von bestehenden Gleiskörpern liefern sie auch aktuelle Positionsbestimmungen von Gleiskörpern, die sich im Produktionsprozess befinden. Zusätzlich kann die absolute Gleislage überprüft werden, was bei den verbreiteten Verfahren einer zusätzlichen messtechnischen Erfassung der Ist-Lage und -Höhe bedurfte.

Es gilt zwischen absoluter und relativer Gleislage zu unterscheiden. Die Herstellung der theoretisch richtigen, als relative Gleislage bezeichneten Krümmung, ist von der absoluten Gleislage unabhängig. Sie beschreibt die projektierte Gleislage in Bezug auf Punkte der unmittelbaren Umgebung und gewährleistet die Einhaltung von Mindestabständen zu sogenannten Zwangspunkten, z. B. Signalen, Fahrleitungsmasten, Gebäuden, Brücken, Tunnelwänden, Bahnsteigkanten, usw.

Zuerst soll das herkömmliche Richtverfahren zur Bearbeitung der relativen Gleislage erklärt werden, anschließend wird ein kombiniertes Verfahren erläutert, mit dem gleichzeitig sowohl eine hohe absolute als auch eine hohe relative Genauigkeit für den Gleiskörper in einem Arbeitsgang erzielt wird.

Tachymetrische und nivellitische Messungen

Die tachymetrische Aufnahme einer bestehenden Bahntrasse geht vom trassennahen Polygonzug aus. Dabei wächst der Querfehler im Trassenverlauf, je weiter man sich von den einbezogenen Festpunkten entfernt. Daher wird häufig ein Trassenkorridor in Form eines Netzes mit Verstrebungen gewählt. Diese Methode gewährleistet Homogenität in der Standardabweichung der Punkte. Von den Polygon- oder Netzpunkten aus werden die Lagekoordinaten der Fahrleitungsmastbolzen tachymetrisch bestimmt. Diese dienen zur Gleissicherung. Für die Höhenbestimmung der Fahrleitungsmastbolzen wird ein Nivellement durchgeführt. Die Gleisvermarkungsbolzen für das linke und rechte Gleis werden über Spannmaße verbunden. Die Schnittpunktmaße der Gleise mit dem Spannmaß werden als Abzissenmaße festgehalten. Anfangspunkt ist der rechte Vermarkungsbolzen im Trassenverlauf, der erste Schnittpunkt ist Aufmaß rechtes Gleis, der zweite Aufmaß linkes Gleis und das Endmaß ist die Spannmaßlänge.

Die Verbindungslinie zweier benachbarter Punkte auf ein Gleis ist die Langsehne. Die übliche Länge beträgt 20m. Von der Langsehne aus werden bei üblicher 5m Stationierung die Pfeilhöhen zu dem Gleis gemessen.
Die Erfassung des Parameters Längshöhe, auch als Normalkrümmung bezeichnet, geschieht meist in Form der bereits beschriebenen Pfeilhöhenmessung in drei oder mehreren Abnahmepunkten. Dabei ist der Abstand der Punkte maßgebend für die Übertragungsfunktion. Mit dieser Meßmethode ist es nicht möglich Fehler formtreu aufzuzeichnen.

GPS Messungen

Die GPS Messungen eignen sich hervorragend zum Stützen der trassennahen Polygonzüge. Sie ermöglichen ohne weiteren Mess- und Rechenaufwand die Anbindung an Festpunkte in einem Umkreis von 10-15 km.

Bei Trassenabschnitten, die durch Waldgebiete verlaufen oder bei Nahverkehrstraßen in dicht bebauter Umgebung, ist der Einsatz nur bedingt möglich und zwar immer in Kombination mit einem anderen Messverfahren.

Photogrammetrie

Zur Aufnahme und nachfolgender Beurteilung der unmittelbaren Umgebung bestehender Trassen sind photogrammetrische Methoden durchaus effektiv.

LIMEZ ist der Lichtraum-Mess-Zug der Deutschen Bahn, der die Strecken abfährt und mit Stereomesskameras Engstellen aufnimmt, die anschließend photogrammetrisch ausgewertet werden. Es werden Kleinbildkameras mit Reseau-Marken verwendet. Die Bilder werden auf Photo-CD verwaltet. Aufnahmen werden manuell ausgelöst, wenn vom Zugpersonal eine Engstelle vermutet wird. Engstellen sind Signale, Kilometertafeln, Brücken, Geländer, Bahnsteige, Gebäude, Mauern etc.

Digitalisieren und Scannen

zur Übernahme von Punkt - und Liniendaten
Digitalisierung von Punktfolgen zur automatischen Elementenableitung
Digitalisierung für die Leitungsbetreiber
Bestandspläne aus geographischen Informationssystemen
Bestandserfassung, Fernerkundung, Überlandleitungen

Prinzip der Richtverfahren

Das mit Lagefehlern behaftete Gleis dient als Grundlage für die Messung und Absteckung.

Ein vorhandenes deformiertes Gleis soll von der Lage E0 (Standlinie) in die Lage E1 (Entwurf) überführt werden. Unter der relativen Gleislage versteht man die Lage und Höhe von Gleispunkten bezogen auf benachbarte Punkte desselben Gleises bzw. zwischen den verschiedenen Linienzügen E0 und E1.
Vorab sind Größe und Richtung der Verschiebung ei zwischen Standlinie und Entwurf festzustellen. Anschließend wird das Gleis in die richtige Lage verschoben, durch Richten in der Lage und durch Heben und Stopfen in der Gradiente. In kleinen Bereichen findet dieser Prozess manuell statt, in großräumigen Bereichen stehen moderne Messwagen in Kombination mit Richt- und Stopfmaschinen zur Verfügung. Eine getrennte Lage- und Höhenbestimmung des Ist- Gleiskörpers ist somit erforderlich.

Winkelbild- oder Nalenz-Höfer-Verfahren




Aus gemessenen Pfeilhöhen können die Richtungswinkel der Tangenten in den einzelnen Punkten abgeleitet werden mit





Aus den Messungsdaten wird das Winkelbild der Standlinie E0 abgeleitet, d.h. es werden die Tangentenwinkel τi in Abhängigkeit von der Bogenlänge l graphisch dargestellt. In dieses Winkelbild wird der Entwurf E1, der die Soll-Gleislage beschreibt, unter Berücksichtigung folgender Bedingungen eingetragen:

ie Anfangs- und Endtangente sollen durch den Entwurf nicht verändert werden. D.h. gleicher Richtungswinkel von Entwurf und Standlinie am Endpunkt.
Die Abstände bzw. die Verschiebungsbeträge sollen am Bogenende durch Ausgleich der Flächen zwischen Standlinie und Entwurf gleich null sein.
Der Entwurf soll sich durch Minimierung der Flächen der Standlinie so anschmiegen, dass die Verschiebungen möglichst klein sind.

Beurteilung der Richtverfahren

Die Genauigkeit, die bei der Aufmessung und Absteckung eines Gleiskörpers mit dem Nalenz-Höfer-Verfahren erzielt werden kann, ist im wesentlichen von den Fehlern der Theorie und den systematischen Fehlern bei der Standlinienaufnahme abhängig.

Da die Theorie des Winkelbildverfahrens voraussetzt, dass die Längen der alten und der neuen Gleistrasse etwa gleich groß sind, ist der Gesamtlagefehler hauptsächlich von der Bogenlänge, den Krümmungsverhältnissen und der relativen Lage zwischen Standlinie und Entwurf abhängig.

Auch die Genauigkeit der absoluten Gleislage ist wesentlich geringer als die für die relative Lage. Es kann eine hohe Genauigkeit für die Krümmung erzielt werden, das heißt kurzwellige Gleislagefehler können gut abgebaut werden, jedoch werden niemals aus dem Winkelbildverfahren absolute Absteckungselemente errechnet.

Außerdem wird das Nalenz-Höfer-Verfahren dort angewandt, wo die geometrischen Kenngrößen des vorhandenen Gleises nicht oder sehr ungenau bekannt sind, und da diese heute meist mit genügender Genauigkeit bekannt sind, hat das Winkelbildverfahren in den industriell hochentwickelten Ländern an Bedeutung verloren.

Da der Messaufwand relativ hoch ist, lassen sich betriebliche Sperrpausen nicht vermeiden.


3D-Aufnahmesystem des Gleises

Für ein solches System müssen folgende Voraus- und Zielsetzungen erfüllt sein:

Hohe Genauigkeit
Überprüfung der absoluten Gleislage, die Formtreue (relative Lage), die Überhöhung und der Schienenabstand (horizontal und vertikal)
Weitgehend automatischer Messablauf
Online Auswertung direkt bei der Messung
Geringer Zeit-, Material-, und Personalaufwand
Aufmessung der Ist-Trasse, Bestimmung der Differenzen zur Soll-Trasse und Absteckung
Korrektur mit anschließender Kontrolle in einem Regelkreis.

Das System ist auf einem manuell verschiebbaren Messwagen installiert und kann von einer Person allein bedient werden. Um die erforderlichen Messungen durchführen zu können, werden folgende Instrumente benötigt:

Neigungsgeber
Längengeber

Relative Bestimmung des Gleises zum Bezugspunkt P0:

Hierzu muss die Neigung und der zurückgelegte Weg des Messwagens hochgenau bestimmt werden. Aus dem Ergebnis kann man dann die Überhöhung und die Spurweite ermitteln.

Georoboter

Absolute Bestimmung des Bezugspunktes in das übergeordnete Landessystem ausgehend von trassennahen Festpunkten:

Der Punkt P0 wird mittels polarer Aufnahme bestimmt. Hierfür benötigt man, um einen maximalen Automationsgrad zu erreichen, eine selbstzielendes und nachführendes Tachymeter. Das selbstzielende Tachymeter wird auf einem gleisnahen Festpunkt bzw. frei stationiert. Auf dem Messwagen ist eine "intelligente" Reflektorstation (RPU - Remote Positioning Unit) installiert. Das Instrument arbeitet selbstständig ohne Beobachter; dadurch werden Anzielfehler des Beobachters vermieden. Wird ein Punkt P0 gemessen, sendet das Tachymeter die Messwerte zur RPU. Diese leitet die Daten weiter zum Prozessrechner. Hier werden nun die Daten der absoluten Bestimmung von P0 und die relativen Gleislagedaten zusammengeführt und online ausgewertet.

Echtzeit DGPS

Als weitere Alternative zur absoluten Bestimmung vom P0 ist der Einsatz einer DGPS-Ausrüstung möglich. Sie besteht aus zwei GPS-Empfängern, genannt Referenz- und Roverstation, sowie einer Telemetrieverbindung für die Online-Ermittlung der absoluten Position. Die Referenzstation wird auf einem max. 2km entfernten Festpunkt aufgestellt, die Roverstation befindet sich auf dem Messwagen. Das optimale Abtastintervall liegt bei 4-5m.

Dies verbindet eine hinreichende Genauigkeit mit der Wirtschaftlichkeit der Messung. Hier müssen die Messwerte allerdings noch aus WGS84-Koordinaten in das Landessystem transformiert werden. Neueste Versionen der RTK - Real Time Controller ermöglichen dies schon vor Ort. Als problematisch erweist sich, dass die Genauigkeit nur bei einer recht hohen Verweildauer auf einem Punkt ausreichend ist.

Weiterhin haben die Oberleitungen einen nicht vernachlässigbaren Störeinfluss auf die GPS-Messung.

Gleismesswagen

Um eine bestmögliche Erhaltung des Oberbaus bei Bahntrassen zu gewährleisten, ist eine möglichst genaue Beobachtung und Beschreibung des Gleises notwendig. Auf Grund der hohen Streckenbelegung und Zugdichte werden hierzu Gleismessfahrzeuge eingesetzt.

Beim Einsatz moderner Technik erhält man beim Befahren des Gleisabschnittes zusätzliche Datenfiles mit den Messergebnissen, die für die spätere Bearbeitung außerhalb des Messwagens zu Verfügung stehen. Bei ausreichender Genauigkeit lassen sich aus diesen Daten direkt Korrekturgrößen errechnen, die zur Steuerung von modernen Gleisbearbeitungsmaschinen verwendet werden.

Die Erfassung der vier Größen Spurweite, Längshöhenlage, Richtungslage und Überhöhung ist bei der Bahn die Mindestanforderung an ein Messsystem.

Ein optisches Messsystem erfasst über zwei Laser die Spurweite. Auf jeder Seite des Messwagens ist ein Laserpunkt über einen Galvanometerspiegel genau auf 14 mm unter Schienenoberkante fokussiert und eine Einzeilenvideokamera steuert über einen eigenen Rechner den Punkt in die exakte Lage . Dabei wird auch die Spurweite errechnet.
Die Höhenlage der rechten und linken Schiene, oft auch als Längshöhe bezeichnet, wird mit Hilfe von zwei Beschleunigungsaufnehmern erfasst, die im Fahrzeugboden angeordnet sind. Dieses Signal wird im Rechner einer digitalen Doppelintegration mit entsprechender Filterung unterzogen und zu dem Ergebnis werden anschließend die Messergebnisse eines Fühlers hinzu addiert, der jeweils in senkrechter Richtung den Abstand der Achse zu den Beschleunigungsaufnehmern ermittelt.
Die Richtungslage wird auf zwei Arten ermittelt: Mit Hilfe eines Kreiselmesssystems und aus der Fahrgeschwindigkeit wird die Krümmung des Gleises ab einer Wellenlänge von 20 m erfasst. Die kurzwellige horizontale Richtungsabweichung der Gleislage wird mit Hilfe eines im Spurbalken untergebrachten Beschleunigungsaufnehmers und dem rechts- bzw. linksseitigen Anteil der Spurmessung erfasst und als Seitenlage der rechten oder linken Schiene ausgegeben. Da bei diesem Messprinzip keine Pfeilhöhen gemessen werden, sondern die Krümmung der erfassten Raumkurve, wird diese in zwei Anteile zerlegt, welche man sich als Quer- und Längenfehler vorstellen kann.
Für die Überhöhung wird mit Hilfe von zwei Wegaufnehmern das Kreiselsystem an die Laufachse angebunden. Die Verwindung wird als Überhöhung auf einer bestimmten Basis berechnet.

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