eJournals Kolloquium Bauen in Boden und Fels 13/1

Kolloquium Bauen in Boden und Fels
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expert verlag Tübingen
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DMT SAFEGUARD LIDAR –

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2022
Daniel Schröder
Im Rahmen des von HORIZON 2020 über den RFCS geförderten Forschungsprojekts i²MON - „Integrated Impact MONitoring for the detection of ground and surface displacements caused by coal mining“ befasst sich der Autor in Zusammenarbeit mit verschiedenen Institutionen mit der Entwicklung eines integrierten Monitoring-Dienstes zur Identifizierung und Bewertung von Boden- und Hangbewegungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der ingenieurgeodätischen Integration eines Long Range Laserscanners in ein kontinuierliches webbasiertes Monitoringsystem. Aktuelle Forschungsthemen beschäftigen sich mit der Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Integrität von 3D-Punktwolken innerhalb von einem Monitoringsystem. In diesem Beitrag stellt der Autor eine Testinstallation eines Long Range Laserscanners im Dauerbetrieb und limitierende Faktoren der LIDAR-Technologie vor. Es wird gezeigt, wie der Laserscanner innerhalb einer webbasierten Monitoring-Plattform ferngesteuert werden kann. Darüber hinaus wird die Integration verschiedener Sensoren in eine einheitliche, auf einem Webinterface basierende Überwachungsplattform vorgestellt.
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13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 263 DMT SAFEGUARD LIDAR - Echtzeitassistenz zur Gefahrenabwehr im Bergbau, Infrastrukturbereich und von Naturgefahren M.Sc. Daniel Schröder DMT GmbH & Co. KG, Civil & Mining Engineering, Essen, Deutschland Zusammenfassung Im Rahmen des von HORIZON 2020 über den RFCS geförderten Forschungsprojekts i²MON - „Integrated Impact MO- Nitoring for the detection of ground and surface displacements caused by coal mining“ befasst sich der Autor in Zusammenarbeit mit verschiedenen Institutionen mit der Entwicklung eines integrierten Monitoring-Dienstes zur Identifizierung und Bewertung von Boden- und Hangbewegungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der ingenieurgeodätischen Integration eines Long Range Laserscanners in ein kontinuierliches webbasiertes Monitoringsystem. Aktuelle Forschungsthemen beschäftigen sich mit der Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Integrität von 3D-Punktwolken innerhalb von einem Monitoringsystem. In diesem Beitrag stellt der Autor eine Testinstallation eines Long Range Laserscanners im Dauerbetrieb und limitierende Faktoren der LIDAR-Technologie vor. Es wird gezeigt, wie der Laserscanner innerhalb einer webbasierten Monitoring-Plattform ferngesteuert werden kann. Darüber hinaus wird die Integration verschiedener Sensoren in eine einheitliche, auf einem Webinterface basierende Überwachungsplattform vorgestellt. 1. Motivation Das terrestrische Laserscanning (TLS) hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten als neuartiges Messverfahren etabliert. Forschungseinrichtungen, Hersteller sowie die Anwender haben Erfahrungen aus einer Vielzahl von Implementierungen und Projekten in unterschiedlichen Maßstäben sammeln können. Der Laserscanner selbst kann in der Ingenieurvermessung zur Planung, Projektierung oder Überwachung eingesetzt werden, wobei sich das Anwendungsspektrum kontinuierlich weiterentwickelt. Der Laserscanner ist dabei nicht nur ein Substitut für andere Sensoren, sondern die ständigen Weiterentwicklungen und die damit verbundene Leistungsfähigkeit solcher Systeme eröffnen neue Möglichkeiten in der Integration innerhalb eines multisensoralen Netzwerkes. So können z.B. große Messvolumina durch steigende Reichweiten oder die automatische Erfassung benachbarter Scanstandpunkte in kurzen Abständen realisiert werden. Weitere Entwicklungen, die über den Sensor selbst hinausgehen, betreffen das Datenmanagement und die Datenkommunikation am System selbst. Diese Eigenschaften im Zusammenhang eröffnen die Möglichkeit, Objekte permanent, autonom als auch zeitlich und räumlich hochauflösend zu vermessen. Im Zuge dieser Entwicklungen insbesondere im Bereich der geodätischen Deformationsanalyse wurden methodische Ansätze in der Anwendung und Auswertung von Messdaten angepasst oder grundlegend neu entwickelt. Methodische Anpassungen werden derzeit in den verschiedenen Forschungsgruppen bearbeitet. So diskutieren beispielsweise [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8] oder aktuell [9] die Herausforderungen und Lösungen für die Deformationsanalyse mittels TLS. Die DMT hat sich dieser Aufgabe angenommen und in den letzten Jahren terrestrische Laserscanner von RIEGL Laser Measurement Systems in die von der DMT entwickelte webbasierte Monitoring-Plattform DMT SAFEGUARD anwendungsbezogen integriert. 2. DMT SAFEGUARD - Webbasiertes Monitoring Neben den Anforderungen an den Sensor selbst müssen Voraussetzungen an die Datenintegration, die Datenspeicherung und schließlich die Visualisierung erfüllt sein. Die Datenintegration ist eine der zentralen Herausforderungen des digitalen Zeitalters und insbesondere für die sogenannte „Industrie 4.0“ [10]. Im Rahmen des Projekts wird das webbasierte Softwareprodukt DMT SAFE- GAURD eingesetzt und zielgerichtet weiterentwickelt. Dieses Produkt vereint alle Anforderungen an ein modernes Überwachungssystem. Es bietet die Möglichkeit, große Datenmengen zentral zu speichern und dem Nutzer webbasiert zur Verfügung zu stellen. Dies ermöglicht jedem Nutzer, seine Projektplattform unabhängig von seinem Arbeitsplatz weltweit zu betreiben. DMT SAFE- GUARD ist damit eine moderne, umfassende datenbank- 264 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 DMT SAFEGUARD LIDAR - Echtzeitassistenz zur Gefahrenabwehr im Bergbau, Infrastrukturbereich und von Naturgefahren gestützte Softwarelösung für Monitoringaufgaben in der Geotechnik, Geodäsie, Hydrogeologie und Geophysik. Die Software verarbeitet alle Arten von Sensordaten in einem einzigen Monitoringsystem und ermöglicht so eine permanente Überwachung des potenziellen Gefahrenbereichs im Rahmen eines professionellen Risikomanagements. Ein intelligentes Frühwarn-, Alarm- und Meldesystem ermöglicht effektivste Reaktionen, während die Langzeitüberwachung das frühzeitige Erkennen von potenziell gefährlichen Trends zur gezielten Gefahrenabwehr ermöglicht. Die Besonderheit dieser Lösung ist die herstellerunabhängige Hardwareanbindung von „langsamen“ geotechnischen bis hin zu „schnellen“ seismischen Sensoren. Darüber hinaus ist ein Dokumentenmanagementsystem zur Archivierung der Dokumentation aller Maßnahmen und Ereignisse innerhalb eines Projektes eingebunden. Abb. 1: DMT SAFEGUARD - Zusammenfassung der Serviceinfrastruktur 3. DMT SAFEGUARD LIDAR - Systembeschreibung Im Hinblick auf die Anforderungen an ein modernes Überwachungssystem eignet sich ein Laserscanner besonders um flächenhafte Informationen eines Überwachungsobjektes zu erhalten. Unsere Wahl fällt auf das Modell VZ-2000i der österreichischen Firma RIEGL. Mit diesem Scanner können Objekte berührungslos mit einer sehr hohen Genauigkeit bis zu einer Reichweite von 2500 m vermessen werden. Die Laserdistanzmessung erfolgt mittels hochpräziser Pulszeitmessung. Ein augensicheres Messsystem und ein nach Klasse 1 spezifizierter Laser ermöglichen darüber hinaus eine automatische, kontinuierliche Messung ohne Gefahr für Menschen im Überwachungsbereich. Für die Integration in ein Überwachungssystem werden über die RiVLIB Schnittstellen bereitgestellt, die es ermöglichen, den Scanner sowohl über externe Software als auch über die Programmiersprache Python zu steuern und einzubinden. Der Funktionsumfang des Scanners kann so deutlich erweitert werden. Der Scanner ist über eine Cloud-Konnektivität fernsteuerbar und ermöglicht einen kontinuierlichen Datenstrom. Mit einer von der DMT entwickelten Software (z.B. DMT SAFEGUARD) können die Messwerte ausgewertet und visualisiert werden. Abb. 2 zeigt das System schematisch und wird im Folgenden beschrieben. Der Scanner kann dabei weltweit eingesetzt werden und steht innerhalb eines Projektes für viele verschiedene Nutzer zur Verfügung. Heutzutage sind LTE, 5G oder neue Technologien wie Starlink für die Internetverbindung an vielen Orten verfügbar. Der Scanner wird mit einer Telemetriebox von DMT ausgestattet. Die Box enthält einen Watchdog, der sowohl die Internetverbindung als auch den Betrieb des Scanners überwacht, einen Router für die Datenverbindung, ein NAS für die redundante Datenspeicherung und eine Stromversorgung, die bei Bedarf um eine Notstromversorgung erweitert werden kann. Der Scanner ist über eine sichere VPN-Verbindung mit dem DMT-Rechenzentrum in Essen verbunden. Experten initialisieren das System und überwachen den Betrieb. Weitere VPN-Verbindungen können bei der Projektierung und Konfiguration individuell eingerichtet werden. Nach der Initialisierung ist der Scanner in der Lage, automatisch zu arbeiten und zu überwachen, oder Scans können manuell über die Webanwendung gestartet werden. Darüber hinaus können Scans durch zusätzliche Sensoren (z.B. Erschütterungssensoren) ausgelöst werden, so dass z.B. ein Staudamm nach einem Erdbeben nahezu in Echtzeit gescannt wird. So können Entscheidungsträger, wie der Minenbetreiber, die örtlichen Zivil- und Hilfsorganisationen oder der Bauleiter, schnell relevante Informationen erhalten. Abb. 2: DMT SAFEGUARD LIDAR - Interaktion von Messtechnik, Datenmanagement und der Webvisualisierung. Mit Hilfe des DMT SAFEGUARD LIDAR-Moduls werden die Messdaten automatisch in relevante Informationen umgewandelt und über eine passwortgeschützte Web-Plattform dem Anwender oder Entscheidungsträgern weltweit zur Verfügung gestellt. Um die Echtzeitfähigkeit des Systems zu gewährleisten, werden die Daten mittels einer von RIEGL entwickelten Monitoring-App dargestellt. Die App ist direkt in SAFEGUARD integriert und der Kunde benötigt keine zusätzliche Software. Der 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 265 DMT SAFEGUARD LIDAR - Echtzeitassistenz zur Gefahrenabwehr im Bergbau, Infrastrukturbereich und von Naturgefahren Vorteil dieser App ist, dass die 3D-Daten in eine Rasteransicht übertragen werden, deren Dateigröße pro Scan nur etwa 10% beträgt. So müssen beispielsweise statt 250 MB Scandaten nur 25 MB Rasterbilder übertragen werden. Abb. 3 veranschaulicht die Anwendung. Interaktiv können zwei freiwählbare Scans verglichen werden. Verschiedene Einstellungen wie Einfärbung, Transparenz oder eine schattierte Ansicht sind interaktiv wählbar. Der Benutzer kann innerhalb der Anwendung Berichte erstellen und Partnern bereitstellen. Mehrere Benutzer können gleichzeitig in der Plattform arbeiten, so dass eine kollaborative Teamarbeit jederzeit und in Echtzeit möglich ist. Abb. 3: DMT SAFEGUARD LIDAR - Webviewer des Felssturzes in Österreich Zusätzlich zum Scanner kann die volle Funktionalität von SAFEGUARD genutzt werden und beispielsweise GNSS-Daten oder andere geotechnische Messwerte integriert werden (Abb. 4). Mit dieser hybriden Datenkonfiguration kann der Scanner millimetergenau in ein GNSS-Netz eingebunden werden. Abb. 4: DMT SAFEGUARD - Integration von zusätzlichen Sensoren wie Neigungsmesser und Wetterdaten 4. Anwendungsbeispiel: Felssturz in Vals (Tirol) An Heiligabend 2017 ereignete sich im Valsertal in Tirol, Österreich, ein Felssturz, bei dem jedoch keine Menschen verletzt wurden. Die Tiroler Landesregierung hat ein geodätisches Überwachungssystem eingerichtet, das aus Tachymetrie mit entsprechenden am Hang verteilten Prismen und zusätzlichen geotechnischen Sensoren besteht [11]. Die Infrastruktur dieses Monitoringsystems wurde für die dauerhafte Installation eines RIEGL VZ- 2000i Scanners genutzt. Von August 2020 bis Oktober 2020, von Mai 2021 bis Juni 2021 sowie ab Juli 2021 wurden in Vals, Tirol, 3D-Daten aufgenommen. Das Projekt wurde über SAFEGUARD ferngesteuert und kontrolliert. Die Installation der Messgeräte begann am 10. August 2020 in einer Schutzhütte, der sich gegenüber dem vom Felssturz betroffenen Gebiet befindet. In dieser Hütte befinden sich zwei Messsäulen. Auf dem einen ist ein Tachymeter installiert, das 16 Reflektoren in einer Höhe von ca. 250 m bis 800 m in einem Zeitintervall von einer Stunde misst. Der zweite Pfeiler kann für die dauerhafte Installation des Laserscanners genutzt werden. Der Messablauf ist wie folgt: Alle 2 Stunden wird ein Scan des Hangbereichs mit einer Auflösung von 15 mdeg durchgeführt. Die Scandauer beträgt etwa 13 Minuten. Dann werden die Prismen nacheinander gescannt; das Scannen eines Prismas dauert etwa 15 Sekunden. Abb. 5: Panoramablick auf die Positionen der Messtechnik im Valser Tal. Abb. 6: Vertikalschnitt, in dem die Höhenlage der Meteosensoren dargestellt ist. 5. Fazit & Ausblick In diesem Beitrag wird die Implementierung eines flächenhaften Messsensors in ein webbasiertes Überwachungssystem vorgestellt. Es wird ein operationelles System vorgestellt, das weltweit in verschiedenen Szenarien einsetzbar ist. Neben dem System selbst von der Datenerfassung über das Datenmanagement bis hin zur Visualisierung der Ergebnisse werden grundlegende wissenschaftliche Themen, wie der Einfluss der Atmosphäre auf die Messdaten, angesprochen und erste Ergebnisse vorgestellt. Forschungsthemen der Zukunft werden sich mit 266 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 DMT SAFEGUARD LIDAR - Echtzeitassistenz zur Gefahrenabwehr im Bergbau, Infrastrukturbereich und von Naturgefahren dem Thema Big Data, neuronalen Netzen und künstlicher Intelligenz auseinandersetzen müssen. Die Datenmengen von ungefähr 360 Scans und 1 Terabyte pro Monat sind der automatischen Auswertung weitgehend vorbehalten. Es gibt vielversprechende wissenschaftliche und akademische Entwicklungen, die das System in naher Zukunft auf eine neue Stufe heben werden. 6. Förderung und Danksagung Diese Arbeit wird vom Europäischen Forschungsfonds für Kohle und Stahl unterstützt [RFCS-Projektnummer 800689 (2018)]. Ich möchte mich auch beim Amt der Tiroler Landesregierung - Abteilung Geoinformation für die Unterstützung bei der Durchführung der zweiten Testmessung bedanken. Im Besonderen sind hier Johannes Anegg und Patrick Fritzmann zu nennen. Des Weiteren möchte ich mich bei der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik in Österreich für die Bereitstellung weiterer Wetterdaten bedanken. Literatur [1] Wujanz D (2016) Terrestrial Laser Scanning for Geodetic Deformation Monitoring (Dissertation). https: / / dgk.badw.de/ fileadmin/ user_upload/ Files/ DGK/ docs/ c-775.pdf (13.11.2020). [2] Lindenbergh R, Pfeiffer N (2005) A statistical deformation analysis of two epochs of terrestrial laser data of a lock. In: Gruen A, Kahmen H (Hrsg): Optical 3-D Measurement Techniques VII. Vienna, 61-70. [3] Paffenholz J.-A (2012) Direct geo-referencing of 3D point clouds with 3D positioning sensors (Dissertation). https: / / dgk.badw.de/ fileadmin/ user_upload/ Files/ DGK/ docs/ c-689.pdf (13.11.2020). [4] Holst C, Kuhlmann H (2016) Challenges and Present Fields of Action at Laser Scanner Based Deformation Analyses. In: Journal of Applied Geodesy 2016; 10(1): 17-25. [5] Neuner H, Holst C, Kuhlmann H (2016) Overview on Actual Modelling Strategies of Point Clouds for Deformation Monitoring. Allgemeine Vermessungs-Nachrichten (avn), 123: 11-12. [6] Wunderlich T, Niemeier W, Wujanz D, Holst C, Neitzel F, & Kuhlmann H (2016): Areal Deformation from TLS Point Clouds-the Challenge. avn. Allgemeine Vermessungs-Nachrichten, 123(12). [7] Eling D (2009) Terrestrisches Laserscanning für die Bauwerksüberwachung (Dissertation). https: / / dgk.badw.de/ fileadmin/ user_upload/ Files/ DGK/ docs/ c-641.pdf (13.11.2020). [8] Soudarissanane S, Lindenbergh R, Mementi M, Teunissen P (2011) Scanning geometry: Influencing factor on the quality of terrestrial laser scanning points. ISPRS journal of photogrammetry and remote sensing, 66(4): 389-399. [9] Friedli E (2020) Point Cloud Registration and Mitigation of Refraction Effects for Ge-omonitoring using Long-Range Terrestrial Laser Scanning (Dissertation). https: / / doi.org/ 10.3929/ ethz-b-000409052 (13.11.2020) [10] Zimmermann K, Schröder D, Fingerhuth S, Gesche R (2019), Integrated Monitoring of Tailings: EIT STINGS in Proceedings of Tailings 2019 July 10 - 12 2019, Santiago de Chile. [11] Anegg J, Fritzmann P (2019) Geomonitoring am Felssturz im Valsertal. https: / / www.tirol.gv.at/ fileadmin/ themen/ sicherheit/ geoinformation/ Monitoring/ Vals_2019_Anegg_Fritzmann_Online.pdf (13.11.2020)