Bei einer Vermessung werden Lage und Höhe des Geländes und von Objekten vor Ort erhoben, so dass ein Abbild der vorgefundenen Situation geschaffen werden kann. Vor der Vermessung muss entschieden werden, wie hoch die Übereinstimmung zwischen der Situation vor Ort und dem Abbild sein soll. Dies entscheidet mit welcher Punktdichte aufgenommen werden muss und welche Genauigkeit der Aufnahme in Lage und Höhe gewährleistet sein muss.

Vermessung ist die Grundlage für eine weitere Bearbeitung, ein kleiner jedoch entscheidender Baustein in einem Gesamtprojekt.

Die Vermessung wird passend zur eigentlichen Fachaufgabe angelegt und durchgeführt. Daher benötigt der Vermesser umfangreiche Informationen über die der Vermessung folgenden Bearbeitungsschritte und ausreichende Unterstützung durch den Auftraggeber und der mit der weiteren Bearbeitung beauftragten Person (Planer, Hydrauliker, . . .).

Die Beschreibung des Projekts bereits vor der Ausschreibung ist Aufgabe des Auftraggebers. Ist diese ungenügend oder schlecht, so kann die Vermessung nur mit viel Glück den späteren Anforderungen genügen!

Der Vermesser wählt an Hand der Beschreibung und den Anforderungen des Projektes aus den vielfältigen, in Aufwand und Ergebnis vollkommen unterschiedlichen Vermessungsmethoden diejenige aus, mit der er das optimale Ergebnis erzielen kann.

Die gängigen Vermessungsmethoden werden im Folgenden beschrieben und erläutert.

Bei der klassischen Vermessung ist der Vermessungstrupp vor Ort. Dort trifft der Vermesser eine Auswahl der aufzunehmenden Punkte, mit denen die Situation vor Ort für die jeweilige Fachaufgabe optimal beschrieben werden kann.

Bei der klassischen Vermessung muss deshalb vor Beginn der Messung festgelegt werden, welche Lage- und Höhengenauigkeit der neu zu bestimmenden Punkte gefordert ist. Daraufhin kann der Vermesser entscheiden welche Vermessungsmethode und welche Vermessungsinstrumente genutzt werden können.

Beim Nivellement wird lediglich die Höhe eines Punktes in Bezug zu einem bereits der Höhe nach bekanntem Festpunkt bestimmt. Strecken oder Winkel werden dabei nicht gemessen, damit ist auch keine Lagebestimmung möglich.

Dafür kann bei entsprechendem Aufwand und geeigneten Messinstrumenten die Höhenübertragung mit einer Genauigkeit von weniger als 1mm vorgenommen werden.

Zur Messung muss der zu bestimmende Punkt mit der Nivellierlatte aufgehalten werden.

Der Tachymeter ist ein hochmodernes Vermessungsinstrument, mit dem Winkel und Strecken gemessen werden können. Je nach Typ können dabei Strecken direkt gemessen werden oder die zu bestimmenden Punkte müssen mit einem Reflektor aufgehalten werden.

Tachymeter bei der Bauwerksvermessung

Durch die Messung von Winkel und Strecke können die Koordinaten Ostwert, Nordwert und Höhe der zu bestimmenden Punkte berechnet werden. Dazu müssen jedoch bereits der Lage und der Höhe nach bekannte Punkte mit gemessen werden. Diese werden durch das amtliche Festpunktfeld der Landesvermessung Baden-Württemberg vor Ort zur Verfügung gestellt.

Mit geringem Aufwand können Lage und Höhe der neu zu bestimmenden Punkte mit einer Genauigkeit von 5cm ermittelt werden, mit größerem Aufwand steigt die Genauigkeit auf besser 2cm. Mit besonderem Aufwand können auch Genauigkeit im Millimeterbereich erreicht werden, dies ist jedoch nur für sehr spezielle Aufgaben sinnvoll.

Da bei der Vermessung mit dem Tachymeter einzelne ausgesuchte Punkte exakt aufgenommen werden eignet sich dieses System besonders um technische Bauwerke aufzunehmen oder Geländeaufnahmen mit geringerer Punktdichte zu erstellen (z. B. Querprofile). Dagegen ist eine großflächigere detaillierte Geländeaufnahme mit dem Tachymeter nicht sinnvoll.

Statt einen Lage- und Höhenbezug über bekannte Punkte des amtlichen Festpunktfeldes herzustellen kann der Tachymeter mit einem GNSS-Empfänger gekoppelt werden (GNSS = Global Navigation Satellite System). Moderne GNSS-Empfänger können sowohl die Signale der amerikanischen GPS-Satelliten als auch der europäischen GALILEO-Satelliten oder der sowjetischen GLONASS-Satelliten empfangen. Damit ist selbst in engen Tälern oft ein GNSS-Empfang gegeben. Über die GNSS-Signale kann der Tachymeter seine eigene Position in Lage und Höhe sowie die Nordrichtung bestimmen. Dann können über Winkel und Streckenmessung neue Punkte bestimmt werden.

Mit geringem Aufwand kann die Lage der neu zu bestimmenden Punkte mit einer Genauigkeit von 5cm ermittelt werden, die Höhe lediglich mit 10cm. Um ohne weitere technische Hilfsmittel eine bessere Genauigkeit zu erreichen, müssen die GNSS-Signale über einen Zeitraum, der länger als die eigentliche Messung sein kann, empfangen werden.

Statt einer langen Empfangsdauer der GNSS-Signale vor Ort und wiederholter Messung können verschiedene Verbesserungsdienste genutzt werden. Damit kann bereits während der Messung oder aber im Nachhinein bei der Auswertung im Büro die Genauigkeit der Aufnahme mit geringem Aufwand auf 5cm in Lage und Höhe, mit größerem und hohem Aufwand bis besser ein Zentimeter in Lage und Höhe verbessert werden.

Die Landesvermessung Baden-Württemberg stellt den SAPOS-Dienst zur Verfügung, von privaten Dienstleistern werden weitere für Baden-Württemberg gültige Verbesserungsdienste angeboten.

Bei der Fernerkundung ist kein Vermesser vor Ort. Deshalb muss eine ausreichend hohe Anzahl an Punkten bestimmt werden um aus dieser Menge die Punkte auswählen zu können, die die Situation vor Ort optimal beschreiben.

Im Gegensatz zur klassischen Vermessung muss damit vor Beginn der Messung auch festgelegt werden wieviel Punkte pro Flächeneinheit zu bestimmen sind.

Wie bei jeder anderen Vermessung auch wird bei der Fernerkundung die Qualität des Ergebnisses entscheidend durch die angewandte Messmethode und den gewählten Sensor bestimmt.

Wasserfahrzeuge, Drohnen, Flugzeuge oder Satelliten sind keine Vermessungsinstrumente. Sie dienen lediglich als Träger von Messinstrumenten oder Sensoren. Eine Unterscheidung der Vermessungsmethode nach den Trägersystemen ist nicht sinnvoll.

So kann z. B. eine Kamera, die für den Einsatz in einem Satelliten entwickelt wurde, auch in einem Flugzeug montiert werden. Der Unterschied ist, dass durch das viel niedriger und langsamer fliegende Flugzeug eine erheblich größere Auflösung des Fotos erzielt wird. Ein hochwertiger miniaturisierter Sensor einer langsam und niedrig fliegenden Drohne kann ähnlich gute Ergebnisse wie ein erheblich aufwändiger konstruierter Sensor in einem höher und schneller fliegenden Flugzeug erreichen.

Die Trägersysteme müssen daher nach Eignung, Leistungsfähigkeit, Aufwand/Kosten oder zeitlicher Verfügbarkeit verglichen werden.

Wasserfahrzeuge

Für die Vermessung von Gewässern mit einer Tiefe >2m werden Boote oder Schiffe eingesetzt. Vom Boot aus kann die terrestrische Vermessung unterstütz werden indem vom Boot aus an verschiedenen Punkten die Wassertiefe gemessen wird oder mit dem Reflektor der Grund ertastet und aufgenommen wird.

Als Fernerkundungsmethode werden für die Vermessung größerer Gewässersohlbereiche Echolote von einem Boot oder Schiff aus eingesetzt. Ein Echolot für den Bereich unter der Wasseroberfläche in Kombination mit einem Laserscanner für den Bereich über der Wasseroberfläche kann während der Fahrt ein digitales Modell des gesamten Gewässerverlaufs über und unter der Wasseroberfläche erstellen.

Für die Gewässervermessung werden ebenfalls alle Arten ferngelenkter Wasserfahrzeuge eingesetzt. Mittlerweile sind neben Modellbooten selbst Unterwasserfahrzeuge verfügbar. Diese können je nach Größe des Fahrzeugs neben der Technologie zur Ortsbestimmung mit einer Foto- oder Videoausrüstung sowie einem Laserscanner für den Bereich über der Wasseroberfläche und einem Echolot für den Bereich unter der Wasseroberfläche ausgerüstet werden, haben damit dieselbe Ausstattung wie ein bemanntes Wasserfahrzeug.

Schwimmende Drohnen können von der Akkuleistung so angepasst werden, dass selbst Gewässerstrecken von mehreren Kilometern Länge in einem Einsatz aufgenommen werden können.

Der Vorteil von schwimmenden Drohnen im Gegensatz zu bemannten Booten liegt in der geringen Größe. Schwimmende Drohnen können damit in Bereichen eingesetzt werden, die mit Booten nicht erreicht werden können. Auch die Störung für die Tierwelt ist beim Einsatz von Wasserdrohnen erheblich geringer im Gegensatz zu Booten.

Drohnen

Drohnen sind unbemannte ferngelenkte Fahrzeuge, im aktuellen Sprachgebrauch sind hierunter hauptsächlich Fluggeräte zu verstehen. Für die Fluggeräte wird synonym das Kürzel UAS (unmaned aerial System) oder UAV (unmaned aerial Vehicel) genutzt. Dabei ist es egal ob es sich eher um ein Modellflugzeug oder um einen Tragflügler mit mehreren Rotoren handelt.

UAS sind leicht, schnell einsatzbereit, dank elektronischer Unterstützung recht einfach in der Handhabung und für einfache Dokumentationsaufgaben bereits vergleichsweise günstig in der Anschaffung. Mit der Größe und damit der Tragfähigkeit des UAS steigen Kosten und Aufwand exponential. Aber nur UAS, die mit einem hochwertigen GNSS-Empfänger sind und die hochwertigere Kamerasysteme oder Vermessungssensoren transportieren, können für anspruchsvolle Messungen eingesetzt werden.

LIDAR-Vermessungsdrohne mit Schwimmkörper

Der Betrieb von UAS ist stark wetterabhängig. Bei Regen oder erhöhter Luftfeuchtigkeit können UAS nicht geflogen werden. Bei Wind steigt der Stromverbrauch stark an, so dass die Flugdauer auf ein Drittel oder sogar nur ein Viertel der gewöhnlichen Betriebsdauer sinken kann. Bei geringen Temperaturen steigt der Stromverbrauch und die Akkuleistungsfähigkeit sinkt.

Speziell für den Betrieb von UAS wurde das Bundesluftfahrtrecht um die Drohnen-Verordnung erweitert. Hier sind die Pflichten beim Betrieb eines UAS und die Einschränkungen festgelegt.

Flugzeuge

Im Gegensatz zu UAS sind Flugzeuge wetterunabhängig, mit einer größeren Zuladung ausgestattet und schnell. Daher eignen sich Flugzeuge besonders um große Gebiete zu vermessen.

Dafür ist der Betrieb eines Flugzeuges erheblich aufwändiger, die Kosten im Vergleich zur Drohne um ein vielfaches höher.

Aus diesen Gründen ist die Vermessung mit einem Flugzeug als Trägersystem nur für entsprechend große Gebiete sinnvoll, unterliegt auch einer langen Planungs- und Vorbereitungszeit.

Satelliten

Satelliten fliegen auf festen Umlaufbahnen und verrichten dabei dauerhaft ihre Aufgaben. Im Gegensatz zu Drohnen oder Flugzeugen ist also zu prüfen ob zu einem gewünschten Zeitpunkt ein Satellitenüberflug stattfindet.

Die Überflüge finden in recht kurzen Zeitabständen von nur wenigen Tagen statt. Es kann aber nicht jede dabei erstellte Messung genutzt werden, da z. B. die Erstellung eines Satellitenbildes der Erdoberfläche wegen Wolkenbedeckung nicht möglich war. Dann muss auf den nächsten Überflug gewartet werden in der Hoffnung, dass die Situation dann besser ist.

Satelliten zu betreiben ist eine sehr teure Angelegenheit. Neben dem Satelliten selbst muss auf der Erde die Möglichkeit geschaffen werden, den Satelliten zu steuern, seine Signale zu empfangen und zu verarbeiten. Aus diesem Grund ist die Nutzung von Satellitendaten ebenfalls sehr teuer.

SENTINEL-Satellitenfamilie des COPERNICUS-Programms

Die Europäische Union betreibt das Satellitenprogramm COPERNICUS mit den SENTINEL-Satelliten. Die Daten werden bereits vorprozessiert kostenfrei an europäische Nutzer abgegeben. Um schneller Anwendungen auf diesen Daten realisieren zu können unterstützt die EU einen regen Erfahrungsaustausch.

Beim SONAR, deutsch Echolot, wird die Laufzeit eines Schallimpulses im Wasser gemessen. Der Impuls wird vom Sender abgestrahlt, dann wird die Zeit gemessen bis das von einem Hindernis erzeugte Echo vom Empfänger registriert wird. Über diese Laufzeitmessung wird die Entfernung zum Hindernis berechnet.

Über verschiedene Schallfrequenzen lässt sich die Echolotmessung an unterschiedliche Wassertiefen anpassen. So lassen sich selbst größte Meerestiefen mit Echolotmessungen bestimmen.

Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten ist abhängig von der Dichte des Mediums. Im Wasser besteht also eine Abhängigkeit zu Temperatur und Salzgehalt. Um die Genauigkeit einer Echolotmessung bei großen Wassertiefen zu steigern, müssen Temperatur und Salzgehalt in verschiedenen Tiefen bestimmt werden.

Feste Ziele wie Fels, Beton oder Metall erzeugen ein eindeutiges Echo, weiche Ziele wie Schlamm erzeugen ein verwaschenes Echo. Damit lässt sich beim Echolot neben der Entfernung auch eine Aussage über die Oberflächenbeschaffenheit des Ziels treffen.

Echolote können den Schallimpuls nur in einer Richtung mit einem Strahl senden und empfangen (Single-Beam-Echolot) oder den Schallimpuls fächerförmig ausstrahlen (Multibeam-Echolot). Vorteile des Multibeat-Echolots sind neben der größeren Messfläche auch, dass der Schall im Randbereich schräg abgestrahlt wird. Damit können schräge Flächen / Böschungen genauer bestimmt werden und unter schwimmende Hindernisse gemessen werden.

Beim Single-Beam-Echolot werden in Bewegungsrichtung des Echolots einzelne Punkte aufgenommen. Deshalb werden Single-Beam-Echolote zur Vermessung von Profilen genutzt. Beim Fächerecholot wird die Gewässersohle mit einer unregelmäßigen Punktwolke vermessen. Falls gewünscht können daraus Profile abgeleitet werden, oft wird jedoch bereits direkt mit einem digitalen Geländemodell die gesamte Gewässersohle modelliert.

Photgrammetrie ist die klassische Fernerkundungsmethode schlechthin. Dabei werden Fotos erstellt, die sich zum Teil überlappen. Dadurch lassen sich in den Fotos Entfernungen bestimmen.

Sind in den Fotos nach Koordinaten bekannte Punkte enthalten oder sind die Aufnahmestandpunkte der Fotos bekannt, können über die ermittelten Entfernungen die Koordinaten aller Punkte des Fotos berechnet werden. Werden ausreichend viele Koordinaten bestimmt, so ist die Erzeugung eines digitalen Oberflächenmodells möglich.

3D photogrammetrische Geländedarstellung

Das Ergebnis einer photogrammetrischen Auswertung sind immer eindeutige Koordinatensätze. Die Auflösung der Aufnahme ist einerseits durch die Anzahl der Bildpunkte pro Flächeneinheit und damit der Flächengröße je Foto, andererseits durch die Größe des einzelnen Bildpunktes und damit der Qualität des Bildsensors bestimmt.

Die Fotos müssen nicht zwangsweise aus der Luft aufgenommen werden, dieselbe Methode kann auch für Fotos die vom Boden aus aufgenommen wurden angewendet werden. Für komplexe Bauwerke kann es auch sinnvoll sein, sowohl Fotos aus der Luft als auch vom Boden aus für die Photogrammetrie zu nutzen.

Photogrammetrie ist auch unter Wasser möglich, aber nur soweit die Sicht im Wasser reicht. Werden Fotos aus der Luft in das Wasser aufgenommen, so müssen die unterschiedlichen optischen Eigenschaften von Wasser und Luft beachtet werden.

Fotografie ist eine passive „Messmethode“. Das bedeutet, dass nur aufgenommen wird, was vom zu messenden Objekt abgestrahlt wird. Daher kann mit einem Foto ausschließlich die Oberfläche werden, alles was nicht sichtbar oder beschattet ist, kann nicht dargestellt werden.

Da die Fotografie auf die Reflexion von Licht angewiesen ist, ist die Photogrammetrie nur tagsüber, bei künstlichem Licht und bei optimalen Sichtverhältnissen sinnvoll.

Beim LIDAR, oft auch Laserscanning genannt, werden Laserimpulse gesendet und die Laufzeit bis zum Empfang eines Echos gemessen. Über die bekannte Geschwindigkeit des Laserimpulses kann die Entfernung bestimmt werden. Da hier aktiv Laserimpulse gesendet werden, kann die Aufnahme auch in der Nacht erfolgen. Bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit, Nebel, Regen oder Schneefall kann aber auch ein Laserscan nicht durchgeführt werden, da sonst das Signal zu stark abgelenkt oder abgeschwächt wird.

Sind in der Aufnahme nach Koordinaten bekannte Punkte enthalten oder sind die Aufnahmestandpunkte bekannt, können die Koordinaten aller gemessenen Punkte berechnet werden.

Das Ergebnis eines Laserscans sind immer eindeutige Koordinatensätze. Die Auflösung der Aufnahme ist einerseits durch die Messpunkte pro Flächeneinheit, andererseits durch die Größe des einzelnen Bildpunktes am Boden (Footprint) bestimmt. In der Theorie ist ein LASER zwar ein absolut parallel ausgerichteter Lichtstrahl, in der Praxis weitet sich der Messstrahl aber in der Atmosphäre leicht auf. Ein „Footprint“ von >20cm im Durchmesser am Boden ist bei einer klassischen flugzeuggestützten Laserscanaufnahme normal. Zusätzlich wird dieser Durchmesser zu einem Oval verzerrt, wenn der Laserstrahl nicht senkrecht zum Boden abgestrahlt wird. Eine Auflösung deutlich besser als die Größe des Footprint ist nicht möglich.

Werden beim Laserscan relativ lange Laserimpulse gesendet, so kann das empfangene Signal so ausgewertet werden, dass das erste Teilsignal, das letzte Teilsignal und mehrerer dazwischen für eine Messung genutzt werden. Dies ist dann sinnvoll, wenn eher weniger Punkte pro Flächeneinheit gemessen werden sollen. Mit dieser Methode kann ein Signal, das teilweise von Bäumen oder Büschen reflektiert wird, dann noch die Entfernung bis zum Erdboden bestimmen.

Werden beim Laserscan sehr kurze Laserimpulse gesendet, wird auch nur ein Echo empfangen. Deshalb müssen mehr Punkte pro Flächeneinheit bestimmt werden um sowohl Informationen auf dem Bewuchs, im Bewuchs und auf dem Erdboden zum erhalten. Dafür können noch kleinere Details bestimmt werden.

Bewuchsdarstellung aus LIDAR-Aufnahme, Aufsicht und Schnittdarstellung

Gleich wie beim Echolot kann auch der Laserstrahl auf verschiedene Weise abgestrahlt werden. Wird nur ein einzelner Strahl ausgesendet, so wird über die Bewegung des Senders/Empfängers eine Linie im Gelände gemessen, in der Darstellung also ein Profil erzeugt. Wird der Strahl durch einen Schwenkspiegel abgelenkt, so wird eine sinusförmige Linie im Gelände gemessen, woraus sich ein Geländemodell erzeugen lässt. Laserverfahren, die mit einem „Laserschuss“ mehrere Impulse auf einmal erzeugen, messen damit am Boden eine regelmäßig verteilte Punktmenge, die zu einem Geländemodell ausgewertet werden kann.

Wie bei der Photogrammetrie kann auch der Laserscan vom Boden aus eingesetzt werden. Durch die erheblich kürzere Aufnahmeentfernung können dabei sehr große Punktmengen mit sehr kleinem Footprint erzielt werden. Dadurch ist diese Methode vor allem zur hochgenauen Aufnahme technischer Bauwerke mit großer Detaildichte geeignet. Häufig wird diese Methode deshalb bei der Aufnahme historischer, architektonisch wertvoller Bauwerke eingesetzt.

LIDAR-Aufnahme Linachtalsperre

Laserstrahlen bestimmter Wellenlänge und bestimmter Ausrichtung zur Oberfläche können mit geringem Verlust eine Wasseroberfläche durchdringen. Damit kann mit einer Laserscanaufnahme sowohl der trockene Landbereich als auch die Gewässersohle bei einer Messung aufgenommen werden. Dabei ist die Aufnahmepunktdichte an der Gewässersohle immer geringer als im trockenen Bereich, da ein Teil der Laserimpulse die (bewegte) Wasseroberfläche nicht durchdringen, ein anderer Teil bereits durch Partikel in der Wassersäule reflektiert werden.

RADAR ist eine Entfernungsmessung mit elektrischen Wellen. Prinzipiell funktionieren LIDAR und RADAR gleich, RADAR-Wellen können jedoch nicht so genau gebündelt werden wie Lichtwellen. Der Messpunkt am Boden ist damit bei RADAR größer, das Ergebnis deshalb nicht so detailliert. Dafür durchdringen RADAR-Wellen Wolken oder Nebel fast ohne Signalabschwächung.

RADAR wird nahezu ausschließlich von Satelliten aus eingesetzt und ist somit eher für die Messung großer Flächen oder unter extrem ungünstigen äußeren Bedingungen einsetzbar. So wurde zum Beispiel von Satelliten aus ein einheitliches Höhenmodell der gesamten Erde erstellt. Die dabei erzielte Höhenauflösung liegt jedoch auch nur im Bereich 1 m. Bei kleineren Flächeneinheiten kann mit RADAR vom Satelliten aus der Dezimeterbereich in der Höhe erreicht werden.

Die größte Informationsdichte bei der Fernerkundung lässt sich beim gleichzeitigen Einsatz mehrerer unterschiedlicher Sensoren erzielen. Da die Sensoren durch fortschreitende Miniaturisierung immer kleiner und leichter werden, ist selbst die Bestückung einer Drohne mit mehreren Sensoren gut möglich. So kann zum Beispiel gleichzeitig eine photogrammetrische Geländeaufnahme und über einen Infrarotsensor ein Bild der Oberflächentemperatur erzeugt werden.

Über die Daten von Sensoren, die den nahen Infrarotbereich aufzeichnen, können Rückschlüsse über Bodenfeuchte oder Chlorophyllgehalt von Pflanzen und damit über Wachstums- und Gesundheitsparameter oder sogar über unterschiedliche Arten in Beständen getroffen werden. Hierbei ist aber immer ein Abgleich mit Erkundungen am Boden und damit eine Eichung der Fernerkundungsparameter notwendig. So weist zum Beispiel eine Fichte im Mittelgebirge ein anderes Rückstrahlverhalten im Infrarotbereich auf als eine Fichte in Niederungsgebieten. Ein denkbarer wasserwirtschaftlicher Anwendungsbereich für Infrarotaufnahmen wäre auch die flächenhafte Bestimmung der Oberflächenfeuchte von Staumauern.