Datenerfassung

Mitglied der Jury im Wettbewerb Höhlenkartografie

Eine schöne Abwechslung für meinen Büropartner Andreas Baumeler und mich: Zusammen mit Rudolf Glutz (Topograph, pensionierter Vermessungsingenieur ETH) bildeten wir die Jury für den Wettbewerb der Höhlenkartografie am nationalen Kongress für Höhlenforschung in Interlaken.

Dabei galt es, eine Vielzahl von kartografischen Werken von Höhlen im In- und Ausland zu beurteilen und zu prämieren. Die meisten Kartenwerke lagen im Massstab 1:500 vor und zeichneten sich durch eine sehr hohe kartografische und grafische Qualität aus.

Um aber die Kartenwerke überhaupt objektiv zu beurteilen können, mussten wir zunächst ein entsprechendes Beurteilungsraster, das durch eine ausführliche Wegleitung begleitet wird, erarbeiten. Neben den formalen Anforderungen an ein Kartenwerk (z.B. Name, Ortschaft, Kartograf, Genauigkeit) beurteilten wir vor allem die grafischen und kartografischen Qualitäten.

Aus grafischer Sicht steht ein ausgewogenes und harmonisches Kartenblatt im Vordergrund. Eine Karte soll den Leser vom ersten Moment an interessieren und zum weiteren Studium animieren. Dagegen geht es bei der kartografischen Qualität um die eigentliche Ausarbeitung der zum Teil sehr detaillierten kartografischen Darstellungen. Hier wird auf eine klare Interpretierbarkeit der Situation geachtet. Auch die zeichnerische Qualität und Ausführung wird akribisch untersucht.

Nach zwei langen Tagen Jury-Arbeit konnten wir die Sieger der einzelnen Kategorien vermelden. Für jedes der drei Jurymitglieder war es eine spannende Erfahrung, zur Abwechslung einmal kartografische Werke zu beurteilen anstatt sie selbst zu erstellen. Eine Erfahrung, welche uns auch bei der Ausarbeitung neuer Projekte helfen wird.

Publikation: Das Schweizerische Gletscherinventar als Produkt des swissTLM3D

Das während den letzten Jahren aufgebaute neue Topografische Landschaftsmodell (swissTLM3D) der swisstopo löste das alte Modell VECTOR25 als Basis der topografischen Grundlagendaten der Schweiz ab. Neben der konsequenten Verwendung der dritten Dimension für alle Geometrien und die deutlich höhere Erfassungsgenauigkeit des swissTLM3D verglichen mit dem VECTOR25 ist der Wechsel zum Topografischen Landschaftsmodell zentral.

Im Gegensatz zum VECTOR25 welches sich historisch bedingt an der kartografischen Repräsentation orientierte, beschreibt das neue swissTLM3D die effektive Lage der Objekte im Raum. Aspekte der Generalisierung und Verdrängung für die kartografische Darstellung werden separat der Grundlagendaten beschrieben. Die strengen topologischen Regeln des swissTLM3D garantieren zudem eine zusätzliche Qualität der Daten.

Dieser Wechsel von einem kartografisch basierten Modell zum Landschaftsmodell ermöglicht es, einzelne Geometrietypen des TLM als Basis für weitere analytische Arbeiten zu verwenden. Im Rahmen des Aufbaus der neuen Datenbank für das Gletschermonitorings Schweiz (GLAMOS) wurde in Kollaboration zwischen swisstopo und der Glaziologie der ETH Zürich die Objekte «Firn und Eis» der Topic Bodenbedeckung des swissTLM3D als Basis für das laufend aktualisierte Schweizerische Gletscherinventar (SGI) spezifiziert und implementiert.

Ab dem Release 2019 des swissTLM3D könne die Objekte «Firn und Eis» als Gletscherinventar verwendet werden. Und mit dem geplanten Release 2020 und dem damit verbundenen Abschluss der Aufbauarbeiten des swissTLM3D wird ein weltweit einmaliges Gletscherinventar vollständig erfasst zu Verfügung stehen.

Die Publikation Das Schweizerische Gletscherinventar als Produkt des swissTLM3D von Yvo Weidmann, Hans Bärtschi, Stefan Zingg und Emanuel Schmassmann beschreibt ausführlich das Vorgehen welche für die Implementation des SGI in das swissTLM3D nötig war und gibt einen Ausblick über die Möglichkeiten und Zukunftsaussichten dieses Datensatzes.

Mehr Informationen zu diesem Thema, dem Gletschermonitoring und den Möglichkeiten findet man auch im Beitrag Gletscher in Echtzeit beobachten der ETH-News von 2018.

MovingSensors Lösung: Roboter-Tachymetrie

Grundsätzlich arbeitet das Messsystem von MovingSensors mit der Lokalisierung der Sensoren über GPS-Daten. In verschiedenen Situationen kann aber keine zuverlässige Positionierung über das GPS-Signal garantiert werden. Zum Beispiel bei grossen Gebäudefronten, wie die der Werfthallen des Flughafen Zürich, liefert es zu wenig genaue und zuverlässige GPS-Daten.

Es musste eine alternative, respektive ergänzende, Methode zur bisherigen Positionierung mit GPS entwickelt werden – ohne aber die Erfassungsgeschwindigkeit von rund 2m/s des Messfahrzeuges zu beeinflussen.

Für die grossen und offenen Flächen des Flughafen Zürichs wurde ein kombiniertes Verfahren GPS-Tachymetrie entwickelt. Zusätzlich zum GPS-Empfänger wird direkt unterhalb der GPS-Antenne ein 360-Grad Reflektor montiert. Mit dieser Konstellation kann die Referenzposition des Systems entweder mit GPS oder mit Tachymetrie oder mit beidem erfasst werden.

Um die Messungen weiterhin mit 2m/s durchführen zu können, wurde die Möglichkeit der Roboter-Tachymetrie, respektive der automatischen Zielverfolgung von Leica-Tachymetern getestet. Dabei durchfuhr das Messfahrzeug einen Kurs auf einer Schleuderkurs-Anlage des TCS in Frick. Die Distanz zwischen Tachymeter und Messfahrzeug betrug dabei zwischen 5 und 100m. Trotz der verhältnismässig hohen Winkelgeschwindigkeit des Messfahrzeuges zum Tachymeter konnte dieser den 360-Grad Reflektor zuverlässig verfolgen. Auch kurze Abschattungen des Reflektors konnte der Tachymeter überbrücken.

Mit diesem Test konnte das Messkonzept von MovingSensors soweit ergänzt werden, dass auch in GPS-technisch schwierigen oder unmöglichen Situation Messungen erfolgreich durchgeführt werden können.

Vermessung Meyersche Stollen Aarau

Institut Geomatik der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW)

2015

Die Meyerschen Stollen in Aarau zur Sammlung von Grund- und Sickerwasser faszinieren auch noch rund 200 Jahre nach ihrer Erbauung – als Kulturgut und historisches Bauwerk. Trotz ihrer archäologischen und kulturellen Bedeutung sind leider grosse Teile durch Bauaktivitäten zerstört worden. Unter dem Bahnhof Aarau befinden sich jedoch noch sehr gut erhaltene Stollenanlagen, die weiterhin der Entwässerung dienen. Diese galt es für die Nachwelt zu dokumentieren – mittels Laserscanning und 3D.

Die Vermessung wurde durch die Studierenden der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) vorgenommen und durch GeoIdee begleitet. Um die Messung auch in den engen und schwierigen Passagen der Stollen durchführen zu können, mussten die Messgeräte und das Vorgehen teils improvisiert und häufig kreativ angepasst werden. Hier kam die ausgewiesene Höhlenforschungsexpertise von GeoIdee zum Tragen.

Beschreibung

Die noch begehbaren Meyerschen Stollen befinden sich direkt unter dem Bahnhof Aarau und unterqueren teilweise die Gleisanlagen. Sie sind Teil des Stadtmuseums und können besichtigt werden; der Zugang befindet sich im 2. Untergeschoss des Bahnhofs.

Das Ziel des Projektes war, ein möglichst hoch aufgelöstes 3D-Modell der Stollenanlage zu erstellen. Zudem musste das Modell an das Landeskoordinatensystem angeschlossen sein.

Für die Vermaschung der einzelnen Scans wurden existierende Passpunkte und eigens montierte Verknüpfungspunkte verwendet. Dafür wurden Styroporkugeln aus dem Hobbymarkt verwendet, welche günstig und in grosser Zahl zur Verfügung standen.

Parallel wurden die Stollen mit zwei Scannern erfasst. Pro Scanner war je eine Gruppe von rund sechs Studenten verantwortlich. In den Gruppen arbeiteten drei Studenten an der Datenaufnahme im Stollen und drei Studenten an der Auswertung der Daten. So konnten Fehler in den erfassten Daten schnell entdeckt und behoben werden.

Eine besondere Herausforderung war die unterschiedliche Stollenhöhe. Durchschnittlich sind die Stollen zwar rund 2 m hoch, in manchen Passagen beträgt die Höhe jedoch auch nur 50 cm. Die zum Teil sehr engen Raumverhältnisse machten die Konstruktion von speziellen Stativen für die Montage der 3D-Scanner nötig. Als Vorbild für die Konstruktion der Stative dienten Erfahrungen aus der Höhlenforschung.

Die Datenerfassung in der Stollenanlage unter dem Bahnhof Aarau dauerte eine Woche. Eine weitere Woche wurde für die Auswertung, Bereinigung und Darstellung der Daten verwendet.

Weiterführende Informationen

Y. Weidmann, K. Hilfiker, M. Griesshammer, and R. Gottwald, “Meyer 3D – Die dreidimensionale Erfassung der Meyerstollen in Aarau,” Stalactite, vol. 66, no. 2, pp. 27–34, 2016. Herunterladen

Y. Weidmann, K. Hilfiker, M. Griesshammer, and R. Gottwald, “Meyer 3D: dreidimensionale Erfassung der Meyerstollen in Aarau,” Geomatik Schweiz, vol. 10/2015, pp. 411–415, 2015. Herunterladen

Das Museum der Meyerschen Stollen

Geschichte der Meyerschen Stollen als Graphic Novel

Impressionen

Inbetriebnahme der Software GeoFaceAcquire im Semmering-Basistunnel

Für die Erstellung von 3D-Modellen der vier Tunnelvortriebsrichtungen im Semmering-Basistunnel in Österreich braucht die Firma Marti Tunnel AG eine zuverlässige Erfassung und Verwaltung der Fotoaufnahmen. Also programmierten wir die Applikation GeoFaceAcquire.

Die Applikation ist auf stabilen und tunneltauglichen Tablets installiert, die wiederum in den jeweiligen Tunnelröhren beim Mannschaftscontainer installiert und über LAN mit dem Baustellenserver verbunden sind.

Um allfällige Fallstricke zu entdecken, fand die Inbetriebnahme der Applikation direkt auf der Baustelle und in den vier Vortrieben statt. Eindrücklich und ungewohnt! Verschiedene kleinere Fragen und Probleme wurden vor Ort diskutiert und behoben. Doch nach einigen anfänglichen Netzwerkproblemen innerhalb der verschiedenen Tunnelröhren wurde ein stabiler Betrieb hergestellt.

Vortrag: Geoinformatik in Tadschikistan

Ist die Arbeit als Geoinformatik im zentralasiatischen Staat Tadschikistan ein abenteuerlicher Traum – oder eher ein nerviger Alptraum?

Zwischen 2009 und 2012 wohnte ich mit meiner Partnerin in Duschanbe, der Hauptstadt Tadschikistans, und arbeitete als selbständiger Geoinformatiker in zahlreichen lokalen und internationalen Projekten.

Drei erlebnisreiche Jahre – geprägt von herzlichen Begegnungen mit Projektmitarbeitern und der spannenden Aufgabe, die Geoinformatik in den verschiedenen Disziplinen und Projekten der internationalen Zusammenarbeit zu etablieren. Doch es gab es auch immer wieder Rückschläge oder Enttäuschungen. Und Konfrontationen mit der noch immer anzutreffenden Sowjet-Mentalität.

Ein Bürgerkrieg, welcher einer ganzen Generation von jungen Ingenieuren und Wissenschaftlern um ihr Studium betrogen hatte, und die allgegenwärtige Korruption erschwerten eine erfolgreiche Durchführung von Projekten im Bereich der Geoinformatik. Doch die Erfahrung zeigte: Gerade kleinere Projekte in der Zusammenarbeit mit lokalen Organisationen konnten durchaus sehr erfolgreich implementiert werden.

Der Fachvortrag „Geoinformatik in Tadschikistan – Traum oder Alptraum?“ beim Geomatik-Alumni-Verein der ETH Zürich fasste drei Jahre Geoinformatik-Erfahrungen in Zentralasien zusammen.

Publikation: Temporale Metadaten swissALTI3D

Mit der immer besseren räumlichen Auflösung der Höhenmodelle der swisstopo werden auch die Begehrlichkeiten immer grösser. Das swissALTI3D mit einer Rasterweite von 2m hat eine solch eindrückliche räumliche Auflösung und Präzision, dass es immer interessanter wird, auch verschiedene Zeitstände dieses Höhenmodelles zu vergleichen. Wo hat sich die Oberfläche wie verändert? Gerade die Glaziologie ist sehr interessiert an möglichst genauen Veränderungen der Gletscheroberflächen.

Aber sind solche Vergleiche und Berechnungen mit dem swissALTI3D überhaupt zulässig? Wie weiss der Benutzer, aus welchem Jahr die zu analysierenden Gitterzellen stammen? Was sagt uns das Release-Jahr der Höhenmodelle?

Ohne sehr detaillierte Kenntnisse über die eigentliche Struktur des swissALTI3D, die Art der Herstellung und der Überarbeitung sowie die möglichen Fallstricke sind solche Analysen nicht durchzuführen. Oder sie führen schnell zu falschen Interpretationen und Schlüssen.

Zusammen mit den Verantwortlichen der swisstopo wurde eine Methodik entwickelt, wie der Faktor Zeit als zusätzliche Dimension bei der Arbeit mit dem swissALTI3D verwendet werden kann und sollte – nachzulesen in der Publikation Temporale Metadaten swissALTI3D von Y. Weidmann, F. Gandor, und R. Artuso im Geomatik Schweiz 10/2018.

Vortrag: QGIS als Lingua franca zwischen Produktion und Nutzung in der Glaziologie

Die Geodaten der Glaziologie an der VAW der ETH-Zürich stammen aus den unterschiedlichsten Quellen. Zum einen werden historische Quellen wie Karten und Beobachtungen ausgewertet, zum anderen werden Luftbilder der swisstopo und Privaten stereoskopisch ausgewertet. Dazu sind sehr spezialisierte Software-Pakete notwendig, welche oft auf ESRI ArcGIS aufbauen.

In einem heterogenen Umfeld wie der Forschung wird aber eine gemeinsame Plattform benötigt, welche die Nutzung der Daten für möglichst alle Forscher erlaubt. Gerade in diesem Umfeld sind Linux und Mac verbreitete Betriebssysteme und werden für aufwendige Modellberechnungen verwendet. Das auf allen drei Plattformen erhältliche QGIS kann dabei die Aufgabe als ideale Lingua franca übernehmen.

Im Rahmen des Workshops «ArcGIS im Zusammenspiel mit Drittprodukten» des ESRI User Forum Schweiz präsentierte ich die Verwendung von QGIS als Lingua franca in der Glaziologie.

Lichtmessungen bei 8 km/h in Delta Süd, Flughafen Zürich

Im Bereich Delta Süd (westlich der Werft-3) des Flughafens Zürich wurden rund 12 neue Flugzeug-Standplätze erstellt und mit neuen LED-Leuchtsystemen ausgestattet.

Bevor die Standplätze in den regulären Betrieb übergeben werden, muss jedoch geprüft werden, ob die international vorgeschriebenen Lichtmengen innerhalb der Standplätze eingehalten werden. Erst nach einer erfolgreichen Messung und Auswertung kann das Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) die Betriebsbewilligung erteilen.

Der geforderte Messraster mit einem Punktabstand von 5m umfasste für dieses Gebiet rund 3’600 Messpunkte. An jedem dieser Messpunkt musste die einfallende Lichtmenge von 5 verschiedenen Richtungen gemessen werden.

Um die 3’600 Messpunkte anzufahren, waren rund 10km Fahrstrecke nötig. Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 8km/h benötigten wir für die gesamte Messfahrt knapp eine Stunde, während der an rund 50’000 Positionen die einfallende Lichtmenge aus allen 5 Richtungen gemessen und gespeichert wurden.

Das anschliessende Post-Processing analysierte die Messdaten und aggregierte die 50’000 Positionen auf die 3’600 Messpunkte. Schlussendlich wurden die Datensätze zusammengestellt, welche für die Betriebsbewilligung des BAZL nötig sind.

Vortrag: QGIS als Front-End von grossflächigen in-situ Beleuchtungsmessungen

Bei den Lichtmessungen von grossen Flächen (z.B. Flugzeug-Standplätzen) durch das Team von MovingSensors gilt es, die geforderten Messpunkte genau anzusteuern. Um die Messpunkte zusammen mit der Situation des Geländes, der aktuellen Position sowie der Positionsqualität und den aktuellen Messdaten anzuzeigen, hat sich QGIS als optimales Werkzeug herausgestellt.

Im Rahmen des Anwendertreffens 2018 der QGIS-Anwendergruppe-Schweiz konnten wir unser Konzept und die Verwendung von QGIS als Navigationssoftware präsentieren.

Lichtmessung auf zwei Rädern für den Heli-Pad REGA Kloten

Mitte Februar 2018 nutzte das Team von MovingSensors das stabile und trockene Wetter, um die Lichtmenge und -verteilung weitere Flugzeug-Standplätze am Flughafen Zürich-Kloten zu messen.

Diesmal musste neben der üblichen Messkonfiguration – Messsensor auf dem Autodach und kontinuierliche Befahrung der grossflächigen Flugzeug-Standflächen – auch die Lichtmenge des REGA-Helipads ausgemessen werden. Statt der üblichen Rasterweite der einzelnen Messpunkte von 5m war hier ein Raster von 2.5m gefragt.

Die kleine Rasterweite und die engen Platzverhältnisse forderten eine kreative, wendige Lösung für die Montage des Messsensors. Der Schritt von vier zu zwei Rädern lag nahe… Also konstruierten wir eigens eine Vorrichtung, um den Sensor auf einem Veloanhänger in 2m Höhe zu montieren. Um die Messungen möglichst effizient durchzuführen, wurden die einzelnen Messpunkte dann direkt mit dem Velo angefahren.

Zur Navigation nutzten wir wie üblich die Messkonfiguration QGIS als Navigationssoftware. Das verwendete Tablet wurde mit einer Halterung am Velolenker montiert – so konnte der Operateur die geforderten Messpunkte genau anfahren.

Indoor-Navigation auf dem Prüfstand in der Tunnelbaustelle Gubrist

Was eignet sich besser für einen Praxistest eines Indoor-Navigationssystems als eine Tunnelbaustelle? Sie bietet eine staubige, dunkle und oftmals wenig übersichtliche Situation, in der sich neben der eigentlichen Applikation des Indoor-Navigationssystems auch dessen Praxistauglichkeit sofort testen lässt. Und mit dem ausgedehnten 3D-Passpunktnetz der Vermessung steht auch eine optimale Testumgebung für die Genauigkeit des Systems zur Verfügung.

Die ständig zirkulierenden Lastwagen und Mannschaftswagen führten immer wieder zu Abdeckungen der Positionssender. Damit wurde auch die Stabilität der gemessenen Position getestet: Mit dem verwendeten System und der zusätzlich programmierten Applikationen konnten in der Lage eine Genauigkeit von unter 20cm erreicht werden. Die Höhengenauigkeit war zwar wesentlich schlechter, doch das war auf die nicht optimale vertikale Verteilung der Sender zurückzuführen.

Fazit: Grundsätzlich ein erfolgreicher Test, der für weitere Entwicklungsschritte motiviert!