Entwicklung, Kalibrierung und Erprobung eines kameraunterstützten Hängetachymeters
Trotz aller technischen Weiterentwicklungen in der Vergangenheit unterscheiden sich moderne elektronische Tachymeter in ihrer Grundkonstruktion nicht wesentlich von ihren analogen Vorgängern. Ihnen allen ist gemeinsam, dass eine Visur um den Nadir nicht möglich ist. Dies bedeutet, dass Punkte, welche sich in einem Zenitwinkelbereich zwischen ca. 170 und 230 gon befinden, nicht direkt gemessen werden können. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung eines Systems, mit welchem tachymetrische Messungen auch in einem Zenitwinkelbereich zwischen 170 und 230 gon möglich sind. Das Konzept basiert auf dem aus dem Markscheidewesen bekannten Hängetheodolit. Um Messungen im Bereich des Nadirs durchführen zu können, wird ein Tachymeter ähnlich einem Hängetheodolit in hängender Position montiert. In dieser Position ist der zur Horizontierung dienende interne elektronische Neigungskompensator jedoch nicht funktionsfähig. Die Horizontierung wird daher extern überwacht. Zu diesem Zweck wird das Tachymeter über eine geeignete Aufhängevorrichtung mit einem Neigungssensor verbunden. Die Kombination aus in hängender Position montiertem Tachymeter und externem Neigungssensor wird als Hängetachymeter bezeichnet. Bei der Kombination des Systems mit einem externen Neigungssensor kann eine geringe Abweichung zwischen der Stehachse des Tachymeters und der Lotachse des Neigungssensors fertigungsbedingt nicht vermieden werden. Zur Bestimmung dieser Abweichung wurden geeignete Verfahren entwickelt und auf ihre Genauigkeit untersucht. Die mit dem Tachymeter ermittelten Messwerte werden durch Instrumentenabweichungen beeinflusst und müssen um diese korrigiert werden. Auch sind die Messwerte um die mit dem externen Neigungssensor ermittelte Stehachsenneigung zu korrigieren. Die Achsenabweichungen des Tachymeters müssen in hängender Position bestimmt werden. Es kann nicht generell vorausgesetzt werden, dass diese mit den in aufrechter Position bestimmten Werten übereinstimmen. Zur Steuerung des Hängetachymeters wurde eine Software entwickelt, in welche die Kalibrierung der Sensoren, die Auswertung und Korrektur der Messwerte, deren Speicherung und Weiterverarbeitung sowie der Datenexport integriert wurden. Eine Kombination des Hängetachymeters mit einer Okularkamera ermöglicht die automatische Zielerkennung und -verfolgung nichtsignalisierter Punkte auch bei Messungen nahe dem Nadir. Zur Realisierung eines Autofokus wurde das Hängetachymeter mit einem Schrittmotor kombiniert, welcher über den Fokussierring des Tachymeters die Fokussierlinse bewegt. Eine Autofokusfunktion wurde auf Grundlage des Bildkontrastes entwickelt. Die Kalibrierung der Okularkamera basiert auf einer Modellierung des Abbildungsprozesses durch lineare Funktionen. Hierbei wurde die Abhängigkeit der Kalibrierwerte von der Position der Fokussierlinse (Position des Schrittmotors) aufgezeigt. Die zur optischen Zielerkennung eingesetzten Bildverarbeitungsalgorithmen gliedern sich in eine manuelle Punktanzielung im Bild, die Messung punktförmiger Muster durch Kantendetektion und Ellipsenanpassung und Bildzuordnungsverfahren nach der Methode der kleinsten Quadrate. Um die Leistungsfähigkeit des Hängetachymeters zu bestimmen, aber auch um die Güte der Kalibrierung zu testen, wurden mehrere Genauigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Abschließend wurde das Hängetachymeter auch erfolgreich in der Industrievermessung eingesetzt und eine automatische Kalibrierroutine ohne Interaktion des Benutzers entwickelt. Die erreichten Genauigkeiten des Systems liegen im Bereich der Genauigkeiten des eingesetzten Tachymeters.
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