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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Erfassung von Objekten, umfassend ein bewegbares Fahrzeug, wobei das Fahrzeug mit einer Messanordnung versehen ist, wobei die Messanordnung eine erste Einrichtung zum Aufnehmen von wenigstens einem Bewegtbild, eine zweite Einrichtung zur Positionsbestimmung, eine dritte Einrichtung zur Bestimmung der Neigung und der Beschleunigung, eine vierte Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandsprofils, eine fünfte Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und eine Georadar-Einrichtung zur automatisierten Erfassung des unter dem Fahrzeug liegenden Unterbaus umfasst, und ein Verfahren zur automatisierten Erfassung von Objekten.
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Aus der
DE 100 18 031 A1 ist eine Einrichtung zur Erfassung unterirdischer Leitungen bekannt. Die Einrichtung umfasst eine Radareinheit, welche hinsichtlich der Frequenz derart abgestimmt ist, dass die Radarwellen in den Untergrund eindringen und dort an Leitungen, Rohren und dergleichen reflektiert werden. Durch den Empfänger werden die reflektierten Radarwellen erfasst und das so erfasste Signal wird anschließend ausgewertet. Wenn die Position der Radareinheit bekannt ist und auch das Signal der Radareinheit hinreichend genau bestimmbar ist, können die erfassten Leitungen ebenso wie bei einer überirdischen Erfassung von Objekten mittels Laser hinsichtlich ihrer Größe und Lage genau bestimmt und georeferenziert werden. Dabei erhalten die erfassten Leitungen Koordinaten, die später eine genaue Lokalisierung der Leitungen ermöglichen.
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Es ist auch bereits bekannt, die Georadar-Einrichtung mit einem Fahrzeug zu verbinden, um die Georadar-Einrichtung zur automatisierten Erfassung des unter der Einrichtung liegenden Unterbaus verwenden zu können. Bei dieser Ausgestaltung wird die Einrichtung zusammen mit dem Fahrzeug beispielsweise über eine Straße geführt, wobei die Einrichtung laufend den unter der Einrichtung liegenden Unterbau erfasst.
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Bei den bekannten Georadar-Einrichtungen ist problematisch, dass entweder nur eine Radareinheit vorgesehen ist, so dass der durch die Radareinheit erfasste Bereich verhältnismäßig klein ist oder mehrere Radareinheiten vorgesehen sind, welche jedoch sehr kostenintensiv sind, so dass die Georadar-Einrichtung nicht wirtschaftlich betrieben werden kann.
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Aus der
DE 197 40 083 C1 ist ein Radarortungsgerät zur Bestimmung der Lage und Ausdehnung von verdeckten Objekten bekannt. Das Radarortungsgerät umfasst einen Geräteträger, auf dem Radareinheiten linear beweglich angeordnet sind.
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Aus der
DE 10 2010 021 383 A1 ist eine Vorrichtung zur automatisierten Erfassung von oberirdischen Objekten bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Georadar-Einrichtung derart weiterzuentwickeln, dass bei geringen Mehrkosten der durch die Georadar-Einrichtung erfasste Bereich ansteigt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe weist die Georadar-Einrichtung einen mit einem Fahrzeug verbindbaren Träger auf, auf dem die Radareinheit horizontal beweglich angeordnet ist.
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Die Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe umfasst ein bewegbares Fahrzeug, wobei das Fahrzeug mit einer Messanordnung versehen ist, wobei die Messanordnung eine erste Einrichtung zum Aufnehmen von wenigstens einem Bewegtbild, eine zweite Einrichtung zur Positionsbestimmung, eine dritte Einrichtung zur Bestimmung der Neigung und der Beschleunigung, eine vierte Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandsprofils, eine fünfte Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und eine Georadar-Einrichtung zur automatisierten Erfassung des unter dem Fahrzeug liegenden Unterbaus umfasst sowie eine Steuer- und Aufnahmeeinheit, wobei die Georadar-Einrichtung zumindest eine Radareinheit mit wenigstens einem Sender und wenigstens einem Empfänger zum Senden und Empfangen von Radarwellen umfasst und wobei die Radareinheit so ausgerichtet ist, dass sie den unterhalb der Georadar-Einrichtung liegenden Unterbau erfasst, wobei eine Anschlusseinheit zur Verbindung der Radareinheit mit einer Steuer- und Aufnahmeeinheit vorgesehen ist, wobei die Georadar-Einrichtung einen mit einem Fahrzeug verbindbaren Träger aufweist, auf dem die Radareinheit horizontal beweglich angeordnet ist, wobei zur Positionsbestimmung der Radareinheit auf dem Träger Sensoren auf dem Träger angeordnet sind.
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Horizontal im Sinne der Erfindung bedeutet parallel zur Oberfläche des abzutastenden Untergrundes. Darüber hinaus ist die Radareinheit vorzugsweise quer zur Fahrzeuglängsachse beweglich. Dadurch kann die Radareinheit mehrere Positionen auf dem Träger einnehmen. Ferner kann die Radareinheit auch um die Längsachse und/oder um die Querachse verschwenkbar sein, so dass das Radarsignal der Radareinheit in unterschiedliche Regionen des Unterbaus strahlt. Dadurch erhöht sich der durch die Radareinheit abtastbare Bereich und der erfasste Bereich des Unterbaus, ohne dass eine zusätzliche Radareinheit erforderlich ist. Bevorzugt ist die zumindest eine Radareinheit mit zwei Sendern und mit zwei Empfängern ausgerüstet.
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Die Radareinheit kann zwangsgeführt auf dem Träger gelagert sein. Zwangsführung bedeutet, dass die Radareinheit zu vorgewählten Positionen oder in eine vorgewählte Richtung auf einer vorgewählten Bahn bewegt werden kann. Dadurch ist es möglich, das Radarsignal in vorgewählte Richtungen zu lenken. Dies kann durch Verschwenken der Radareinheit während der Messung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Radareinheit zu vorgewählten Positionen an dem Träger gefahren kann, ohne dass die Radareinheit verschwenkt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist das Profil des Unterbaus frei von Verzerrungen, die aus dem Verschwenken der Radareinheit resultieren können. Die Zwangsführung ermöglicht darüber hinaus auch eine genaue Positionsbestimmung der Radareinheit auf dem Träger, so dass bei einer Anordnung der Georadar-Einheit an einem Fahrzeug zur automatisierten Erfassung von Objekten die Position der Georadar-Einheit in Bezug auf das Fahrzeug festgestellt werden kann. Sofern das Fahrzeug mit einer Einrichtung zur Positionsbestimmung versehen ist, kann die Position der Georadar-Einheit auf die durch die Einrichtung zur Positionsbestimmung erfasste Position bezogen werden. Gleichzeitig können die durch die Radareinheit erfassten unterirdischen Einrichtungen hinsichtlich ihrer Position genau bestimmt werden. Die Lage und Position der Einrichtungen können dadurch auf ein Koordinatensystem, welches beispielsweise in Liegenschaftskarten Verwendung findet, bezogen werden, so dass die unterirdischen Einrichtungen georeferenziert sind.
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Zur Zwangsführung können Mittel vorgesehen sein, die so ausgestaltet sind, dass sich die Radareinheit auf dem Träger horizontal hin- und herbewegen kann oder entlang einer Bahn an dem Träger umlaufen kann. In einer ersten Ausgestaltung kann dafür auf dem Träger ein Schienensystem befestigt sein auf dem die Radareinheit geführt ist. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, eine einzige gerade Schiene vorzusehen, welche in Längsrichtung auf dem Träger angeordnet ist und auf der sich die Radareinheit hin- und herbewegt. Ferner ist denkbar, die Schiene in Form eines Ovals auf dem Träger anzuordnen, so dass die Radareinheit auf der Schiene umläuft. In einer anderen Ausgestaltung kann auf dem Träger ein Zugmittelsystem mit Umlenkrollen angeordnet sein, wobei ein Seil oder ein Riemen motorisch angetrieben und durch die Umlenkrollen umgelenkt wird. Die Radareinheit ist an dem Seil oder an dem Riemen befestigt. Wird das Zugmittelsystem durch einen Schrittmotor angetrieben, kann die Position der Radareinheit in Abhängigkeit der Drehbewegung des Schrittmotors bestimmt werden. Die Steuerung und Ausgestaltung des Zugmittelsystems kann so erfolgen, dass sich die Radareinheit auf dem Träger hin- und herbewegt oder über die Umlenkrollen umläuft.
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Die Georadareinheit kann drehbar auf dem Träger gelagert sein. Insbesondere ist die Georadareinheit um dessen Hochachse drehbar auf dem Träger gelagert. Dadurch kann die Richtung des Signals der Radareinheit modifiziert werden und dadurch die Reichweite der Radareinheit nochmals erhöht werden. Eine drehbare Lagerung der Georadareinheit ergibt sich unter anderem dann, wenn die Radareinheit auf einer Bahn auf dem Träger umläuft. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft wenn die Radareinheit ausgebildet ist, Längs- und Querschnitte des Untergrundes aufzuzeichnen. Im Falle einer festen Montage einer oder mehrerer Radareinheiten auf dem Träger ist es nur möglich, entweder einen Längsschnitt oder einen Querschnitt des unter dem Träger liegenden Untergrundes aufzuzeichnen. Hierbei ist jedoch problematisch, dass Leitungsnetze die längs zur Ausbreitungsrichtung des Radarsignals angeordnet sind nicht erfasst werden können. Erfasst die Radareinheit sowohl Quer- als auch Längsschnitte, können auch komplexe unterirdische Leitungsnetze erfasst, in ihrer Position bestimmt und anschließend georeferenziert werden.
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Zur Positionsbestimmung der Radareinheit auf dem Träger sind erfindungsgemäß Sensoren auf dem Träger angeordnet. Die Sensoren sind dabei so ausgebildet, dass die Position der Radareinheit kontinuierlich erfasst wird. Die Sensoren ermöglichen eine genaue Positionsbestimmung der Radareinheit auf dem Träger, wodurch jedes durch die Radareinheit erfasste unterirdische Profil mit den erfassten unterirdischen Leitungen der Position der Radareinheit auf dem Träger zugeordnet werden kann. Sofern diese Position an eine Einrichtung zur Positionsbestimmung übergeben wird.
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Zumindest ein Sensor kann die Radareinheit erfassen, wenn der Sender der Radareinheit längs zu dem Träger ausgerichtet ist und zumindest ein Sensor kann die Radareinheit erfassen, wenn der Sender der Radareinheit quer zu dem Träger ausgerichtet ist. In Zusammenhang mit der drehbaren Anordnung, beispielsweise aufgrund der Zwangsführung der Radareinheit auf einer umlaufenden Bahn nimmt die Radareinheit in Bezug auf den Träger verschiedene Ausrichtungen an. Dabei ist die Hauptabstrahl- und Hauptempfangsrichtung abschnittsweise parallel zur Längserstreckung des Trägers, beziehungsweise quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs und abschnittsweise quer zur Längserstreckung des Trägers, beziehungsweise längs zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Durch die Sensoren kann sicher gestellt werden, dass nur dann ein Signal der Radareinheit verwertet wird, wenn dies entweder in Längsrichtung oder in Querrichtung erfasst wurde, wobei vorzugsweise die Erfassung von Querschnitten erfolgt. Durch die Beschränkung der Erfassungsebenen vereinfacht sich die Auswertung der erfassten Signale.
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Der Träger kann auf einem Fahrwerk gelagert sein. Dazu kann der Träger ein Fahrwerk mit Rädern aufweisen, wobei die Räder auf dem zu erfassenden Untergrund abrollen. Durch das mit den Rädern versehene Fahrwerk ist ein gleichbleibender Abstand zwischen Radareinheit und Untergrund gewährleistet, sodass die Lage des unterirdischen Leitungsnetzes genau erfasst werden kann. Vorzugsweise umfasst das Fahrwerk antriebslose Luftreifen. In einer weiteren Ausgestaltung kann das Fahrwerk mit Gleitelementen, beispielsweise mit Gleitkufen, Rollen oder kugeligen Elementen ausgerüstet sein, welche in schleifendem Kontakt zum Boden sind. Die Gleitelemente können aus Metall oder Kunststoff bestehen und auswechselbar an dem Fahrwerk befestigbar sein. Die Gleitelemente ermöglichen einen besonders dichten oder auch schleifenden Kontakt der Radareinheit zum Boden. Alternativ kann der Träger derart montiert sein, dass er ohne Kontakt zum Boden gehalten ist und dabei vorzugsweise einen Abstand von 10 bis 20 cm zum Boden aufweist. Der Abstand wird vorzugsweise durch eine Messeinheit erfasst, so dass Schwankungen des Abstands in der Radareinheit mechanisch ausgeglichen oder in der Steuer- und Aufnahmeeinheit elektronisch korrigiert werden können, wodurch sich insgesamt eine hohe Messgenauigkeit ergibt.
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Die erste Einrichtung, die zweite Einrichtung, die dritte Einrichtung und die vierte Einrichtung können auf einer horizontal ausgerichteten Plattform angeordnet sein, wobei horizontal auf die Oberfläche bezogen ist, auf der sich das Fahrzeug bewegt. Diese Anordnung erlaubt die genaue Zuordnung und Korrektur der von den Einrichtungen erfassten Daten und deren Zusammenführung in nur einem Punkt, dessen Position millimetergenau bekannt ist. Die Georadar-Einrichtung ist vorzugsweise mittels einer Kupplung entweder an der Front oder am Heck des Fahrzeugs befestigt. Dadurch ist es möglich, die Georadar-Einrichtung nur für Messfahrten anzukoppeln und das Fahrzeug außerhalb der Messfahrten besser bewegen zu können. Die Kupplung ist dabei so ausgeführt, dass die Lage des Trägers und der auf dem Träger angeordneten Sensoren ebenso wie die Lage der anderen Einrichtungen genau bekannt ist und mit den anderen Einrichtungen in einen Punkt zusammengeführt werden kann.
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Die erste Einrichtung kann als Kamera ausgebildet sein, welche eine feste Brennweite aufweist, wobei die Kamera kalibriert und das von der Kamera aufgenommene Bewegtbild mit einem maßstabsgerechten Raster hinterlegbar sein kann. Die Kamera weist vorzugsweise in Fahrtrichtung. Des Weiteren können weitere Kameras vorgesehen sein, die seitlich angeordnet sind und in Fahrtrichtung betrachtet um 90° nach rechts und um 90° nach links ausgerichtet sind. Mit diesen Kameras werden Objekte seitlich des Fahrzeugs erfasst. Auch die seitlich angeordneten Kameras sind entsprechend der in Fahrtrichtung weisenden Kamera kalibriert. Dadurch können Objekte seitlich des Fahrzeugs verzerrungsarm erfasst und hinsichtlich ihrer Abmessungen bestimmt werden. Es ist auch denkbar auf jeder Seite zwei Kameras anzuordnen, wobei jeweils eine Kamera einen geringen Neigungswinkel zur Horizontalen und jeweils eine Kamera einen großen Neigungswinkel zur Horizontalen aufweist. Dadurch können Objekte mit großen Abmessungen, beispielsweise Bäume und Straßenlaternen hinsichtlich ihrer Abmessungen bestimmt werden.
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Die zweite Einrichtung ist bevorzugt eine Einrichtung zum Empfang von Signalen eines Satellitennavigationssystems, beispielsweise dem GPS. Die Einrichtung ist dazu mit einer Empfangseinrichtung zum Empfang des Satellitensignals und einer Einrichtung zur Bestimmung der Empfangsqualität des Satellitensignals ausgerüstet.
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Die dritte Einrichtung dient der Erfassung der Bestimmung der Neigung, also des Roll-Nick-Gier-Winkels und der Beschleunigung im Raum. Eine derartige Einrichtung wird als Inertialsystem bezeichnet und umfasst eine Anzahl von Neigungssensoren, Beschleunigungssensoren und gegebenenfalls einen Kreiselkompass. Das Inertialsystem erfasst jede Lageänderung des Fahrzeugs im Raum und ermöglicht gemeinsam mit der erfasste Geschwindigkeit mittels einer Koppelnavigation die Berechnung einer aktuellen Position. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Position des Fahrzeugs und damit der auf oder an dem Fahrzeug befestigten Einrichtungen auch dann bestimmt werden kann, wenn die Einrichtung zum Empfang von Signalen eines Satellitennavigationssystems, beispielsweise aufgrund Signalstörungen, kein Signal erhält. Die dritte Einrichtung ermöglicht ausgehend von einer bekannten Koordinate oder Position fortlaufend die Bestimmung der aktuellen Koordinate, beziehungsweise der aktuellen Position. Somit kann auch stets jedem durch die Georadareinheit erfassten unterirdischen Gegenstand die richtige Position und eine Koordinate zugeordnet werden, selbst dann wenn beispielsweise bei einer Tunneldurchfahrt die Signalqualität des Satellitennavigationssystems nicht ausreichend ist.
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Die vierte Einrichtung zur Erfassung des Abstandsprofils ist bevorzugt ein Laserscanner, der rotierende Einrichtungen aufweist, wobei die Rotationsachse in Fahrtrichtung weist, so dass die rotierende Einrichtung um die Längsachse des Fahrzeugs rotiert. Der Laserscanner tastet laufend die Umgebung ab und erfasst Entfernungen zu angrenzenden Objekten und erstellt laufend ein zweidimensionales Profil der Umgebung. Aufgrund der Ausrichtung der Rotationsachse ist das Profil vertikal ausgerichtet. Zur Auswertung werden die einzelnen gemessenen Profile mit einem Zeitstempel versehen und chronologisch ausgerichtet.
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Bei stehendem Fahrzeug werden räumlich übereinanderliegende und identische Profile erfasst. Durch Abgleich mit der zu jedem Zeitstempel erfassten Geschwindigkeit können diese identischen Profile eliminiert werden. Eine derartige Elimination erfolgt auch für das Bewegtbild, der Position, des Profils des Unterbaus und der Beschleunigung sowie der Neigung. Dadurch erfolgt auch eine Reduktion der Datenmenge.
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Durch die chronologische Anordnung der Abstandsprofile entsteht ein räumliches dreidimensionales Abstandsprofil der durch die vierte Einrichtung erfassten Objekte. Das Abstandsprofil ermöglicht die Bestimmung des Abstandes zwischen der durch die zweite Einrichtung erfassten Position und dem Profil des angrenzenden Objektes. Dadurch kann auch das angrenzende Objekt mit räumlichen Koordinaten, beispielsweise Gauß-Krüger-Koordinaten oder WGS 84 Koordinaten versehen werden.
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Die fünfte Einrichtung zur Erfassung der Geschwindigkeit ist vorzugsweise als Radsensor ausgebildet und erfasst die Anzahl der Umdrehungen einer an dem Rad befestigten ortsfesten Scheibe und ermittelt anhand der Umdrehungszahl und dem Umfang des Rades die Geschwindigkeit. Es ist auch denkbar die fünfte Einrichtung in dem Getriebe des Fahrzeugs anzuordnen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatisierten Erfassung von Objekten mittels eines sich bewegenden Fahrzeugs ist das Fahrzeug mit einer Messanordnung ausgerüstet und umfasst die Aufnahme zumindest eines Bewegtbildes; die Bestimmung und Weitergabe der momentanen räumlichen Position mittels Satellitennavigation; die Aufnahme eines Abstandsprofils der Umgebung; die Erfassung der momentanen Neigung sowie der momentanen Beschleunigung in allen Raumrichtungen; die Erfassung der momentanen Geschwindigkeit; die Aufnahme von Radarbildern von Querschnitten des unterhalb des Fahrzeugs liegenden Unterbaus; die Erfassung der Position der Radareinheit mittels auf dem mit dem Fahrzeug verbundenen Träger angeordneten Sensoren; die Speicherung der aufgenommenen und erfassten Daten in einer zentralen Steuereinheit, wobei die Daten jeweils mit einem Zeitstempel versehen werden; die Durchführung einer Zeitkorrektur zur Synchronisation der aufgenommenen und erfassten Daten; das Zusammenführen der Daten, der Neigung und der Beschleunigung sowie der Geschwindigkeit; Überprüfung der Empfangsqualität der mittels Satellitennavigation aufgenommen räumlichen Position und Korrektur der aufgenommenen räumlichen Position mittels der zusammengeführten Daten; die Speicherung der korrigierten Positionsdaten; das Zusammenführen der korrigierten Positionsdaten, des Abstandsprofils und der Bewegtbilder; das Zusammenführen der korrigierten Positionsdaten und der Radarbilder; die Speicherung des mit den korrigierten Positionsdaten und dem Abstandsprofil versehenen Bewegtbildes und die Speicherung des mit den korrigierten Positionsdaten versehenen Radarbildes und die Bestimmung der räumlichen Position und der Abmessungen eines derartig oberirdisch oder unterirdisch erfassten Objektes.
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Zur Durchführung des Verfahrens bewegt sich ein Fahrzeug durch ein zu erfassendes Gebiet. Dabei wird wenigstens ein Bewegtbild, ein Video, aufgezeichnet und in der zentralen Steuereinheit gespeichert. Gleichzeitig werden die verschiedenen Parameter zur Positionsbestimmung, die erfasste räumliche Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und Rotation im Raum, das Abstandsprofil der Umgebung und die erfasste Position der unterirdischen Leitungen in der zentralen Steuereinheit gespeichert. Alle Daten werden jeweils mit einem Zeitstempel, dem Zeitpunkt der Datenerfassung, versehen. Die Zeit wird durch die Steuereinheit vorgegeben und ist vorzugsweise atomgenau. Anschließend werden die Daten anhand des Zeitstempels sortiert und korrigiert.
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Dabei sollen alle Daten derart miteinander verknüpft werden, dass zu einem bestimmten Zeitstempel gehörende Daten in einem einzigen geometrischen Punkt zusammen fallen. Die Lage der einzelnen Einrichtungen zueinander ist bekannt, so dass unter Zuhilfenahme der Geschwindigkeit die Daten derart behandelt werden können, dass zu einem Zeitstempel erfasste Daten einem bestimmten geometrischen Punkt zugeordnet werden können. Dieser Punkt wird vorzugsweise durch die Lage der zweiten Einrichtung zur Erfassung der Position definiert. Die zweite Einrichtung ist dabei besonders bevorzugt eine Einrichtung zum Empfang von Signalen eines Satellitennavigationssystems, beispielsweise dem GPS. Die dritte Einrichtung zur Bestimmung der Neigung und der Beschleunigung, das Inertialsystem, ist vorzugsweise auf derselben Hochachse angeordnet. Die weiteren Einrichtungen können sich in Längsrichtung oder in Querrichtung beabstandet zu diesen beiden Einrichtungen befinden. Dabei ist der Abstand jedoch festgelegt und genau definiert, so dass die Daten der in Längsrichtung beabstandeten Einrichtungen durch eine Korrektur des Zeitstempels mit den Daten der ersten und dritten Einrichtung positionsrichtig in Einklang gebracht werden können. Die Daten der in Querrichtung beabstandeten Einrichtungen können durch eine Korrektur der Position in Querrichtung mit den Daten der ersten und dritten Einrichtung in Einklang gebracht werden. Auf diese Weise werden die Daten derartig korrigiert und synchronisiert, dass sich die Daten aller Einrichtungen verhalten, als wären sie in einem geometrischen Punkt angeordnet.
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Zur Auswertung der Daten werden zunächst die Daten der Neigung und der Beschleunigung im Raum sowie der Geschwindigkeit zusammengeführt. Ferner erfasst die zweite Einrichtung neben den räumlichen Positionsdaten, also den Koordinaten, auch die Empfangsqualität des empfangenen Satellitensignals. Dabei besteht ein Zusammenhang zwischen der aktuellen Empfangsqualität und der Genauigkeit in der Positionsbestimmung durch die zweite Einrichtung. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung werden in der Steuereinheit laufend die letzten beiden durch die zweite Einrichtung empfangenen räumlichen Positionsdaten mit sehr guter Empfangsqualität gespeichert. Wird bei nachfolgenden Messungen eine vorgegebene Empfangsqualität unterschritten, wird ausgehend von den beiden gespeicherten Positionsdaten und den gespeicherten Geschwindigkeits-, Neigungs- und Beschleunigungsdaten mittels Polygonzugberechnung mit Ausgleichung über Helmert-Transformation die aktuelle Position ermittelt und die durch die zweite Einrichtung bestimmte Position korrigiert. Wird während der Messfahrt durch das Bewegtbild ein Punkt mit bekannten Koordinaten erfasst, kann dieser manuell ausgewählt werden und in die Polygonzugberechnung einbezogen werden, um die Genauigkeit nochmals zu verbessern. Eine derartige Korrektur ermöglicht eine hochgenaue Bestimmung der Position, selbst bei schlechter Empfangsqualität beispielsweise bei Tunnelfahrten. Der Fehler der Positionierung beträgt dabei weniger als 3 cm. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Positionsbestimmung von Objekten mit einer sehr großen Genauigkeit.
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In einem weiteren Schritt können die Positionsdaten in ein bekanntes Koordinatensystem, beispielsweise dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem oder dem World Geodetic System 1984 (WGS 84) oder auch dem WGS 89 transformiert werden. Diese Transformation ermöglicht eine Zusammenführung mit den Daten eines Rauminformationssystems, beispielsweise einer automatisierten Liegenschaftskarte oder eines Leitungskatasters, in denen die Objekte in den zuvor genannten Koordinaten abgelegt sind. Die Bestimmung des Abstandsprofils erfolgt vorzugsweise mittels einer Laserabstandsmessung.
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Anschließend werden die Positionsdaten mit den Bilddaten, also dem Bewegtbild und dem Abstandsprofil zusammengeführt und gespeichert. Durch das Abstandsprofil sind die Abstände der erfassten Objekte zu der erfassten räumlichen Position bekannt. Ferner sind die optischen Eigenschaften der ersten Einrichtung zur Aufnahme des Bewegtbildes bekannt und in der Steuereinheit hinterlegt, so dass die in dem Bewegtbild erfassten Objekte im Hinblick auf deren räumliche Position und deren Abmessungen bestimmt werden können. Ebenso können unterirdische Objekte hinsichtlich der räumlichen Position und dessen Abmessungen bestimmt werden. Die Darstellung des oberirdischen Bewegtbildes und des unterirdischen Radarbildes kann getrennt voneinander erfolgen. Dabei können die Bewegtbilder unabhängig voneinander aufgerufen werden. Bevorzugt werden die beiden Bewegtbilder jedoch gemeinsam auf einem oder auf zwei Bildschirmen dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung laufen das oberirdische und das unterirdische Bewegtbild synchron ab. Besonders bevorzugt ist eine Darstellung der beiden Bewegtbilder als Split-Screen-Darstellung auf einem Bildschirm. In allen Fällen können sowohl dem oberirdischen Bewegtbild als auch dem unterirdischen Bewegtbild direkt dreidimensionale Koordinaten entnommen werden und es können sowohl oberirdische als auch unterirdische Objekte hinsichtlich ihrer geografischen Lage zugeordnet werden.
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Die Radareinheit kann sich während des Erfassungsvorgangs auf dem Träger hin- und herbewegen oder entlang einer Bahn auf dem Träger umlaufen. Somit wechselt die Radareinheit laufend die Position auf dem Träger, so dass sich der durch die Radareinheit erfasste Bereich vergrößert. Ferner kann sich die Radareinheit in Bezug auf den Träger drehen, so dass verschiedene Schnitte des Unterbaus aufgezeichnet werden können. Bevorzugt zeichnet die Radareinheit jeweils beim Passieren der auf dem Träger angeordneten Sensoren den Unterbau auf. Dadurch können bestimmte Schnitte des Unterbaus, vorzugsweise Querschnitte in Bezug auf die Fahrtrichtung aufgezeichnet werden.
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Die Radareinheit ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass vergleichbar zu einer Digitalkamera Einzelbilder aufgezeichnet werden. Diese können als Bewegtbild dargestellt werden, so dass das Profil des Untergrundes nach Art eines Videofilmes darstellbar ist.
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Aufgrund der Positionierung der Radareinheit in Bezug auf die Fahrzeuglängsachse zeichnet diese Querschnittsprofile des Untergrundes auf. Im Zusammenhang mit der Aufzeichnung von Einzelbildern dieser Querschnittsprofile und deren chronologischer Speicherung können den gespeicherten Daten auch Längsprofile des Untergrundes entnommen werden. Dazu wird in dem Radarbild ein linienförmiger Bereich gekennzeichnet, wobei das Radarbild anschließend einen vorgegebenen Zeitraum abläuft und die in dem linienförmigen Bereich enthaltenen Informationen gespeichert werden. Anschließend können diese Informationen durch geeignete Transformation, beispielsweise durch tx-Transformation, um 90° gedreht werden, so dass die dem linienförmigen Bereich zugeordneten Informationen als Längsprofil dem Radarbild entnehmbar sind. Auf diese Weise kann insbesondere bei maritimen Anwendungen ein vollständiges Profil des Meeres-, Fluss- oder Seeuntergrundes erzeugt werden.
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Es ist für maritime Anwendungen auch denkbar, statt einer Radareinheit eine Echoloteinheit und hier insbesondere eine Fächerloteinrichtung vorzusehen. In diesem Fall ist das Fahrzeug als Wasserfahrzeug ausgebildet. Die zuvor beschriebene Messanordnung mit zweiter Einrichtung, dritter Einrichtung, fünfter Einrichtung und der Steuer- und Aufnahmeeinrichtung kommt bei dieser Ausgestaltung auf dem Wasserfahrzeug zum Einsatz. Das Verfahren zur automatisierten Erfassung ist analog zu dem zuvor beschriebenen Verfahren. Ein Fächerlot ist dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander eine Vielzahl von Messstrahlen ausgesendet werden, welche zueinander einen Öffnungswinkel aufweisen, so dass sich ein streifenförmiges Strahlenmuster ergibt. Die Messstrahlen werden an dem Untergrund reflektiert und werden durch die Messanordnung erfasst. Durch Zusammenfügen der erfassten reflektierten Messstrahlen kann der Untergrund topografisch bestimmt werden, wobei durch die parallel erfassten Raumdaten eine genaue Positionsbestimmung und Vermessung des Untergrundes möglich ist.
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Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Georadar-Einrichtung und des erfindungsgemäßen Fahrzeugs zur automatisierten Erfassung sind nachfolgend in den Figuren dargestellt. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 die Georadar-Einrichtung in der Vorderansicht einschließlich Unterbau;
- 2 die Georadar-Einrichtung in der Draufsicht;
- 3 ein Fahrzeug zur automatisierten Erfassung von Objekten mit angekoppelter Georadar-Einrichtung;
- 4 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur automatisierten Erfassung von Objekten.
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1 zeigt eine Georadar-Einrichtung 1 zur automatisierten Erfassung unterirdischer Leitungen 2. Die Georadar-Einrichtung umfasst eine an einem Träger 10 angeordnete Radareinheit 3 mit zwei Sendern 4 und zwei Empfängern 5 zum Senden und Empfangen von Radarwellen. Die Radareinheit 3 ist so eingerichtet, dass sie Radarwellen in einem Spektrum von 30 MHz bis 3 GHz abstrahlt und bis zu 10 m tief in den unterhalb der Georadar-Einrichtung 1 liegenden Unterbau 6 eindringt und dort an Leitungen 2 reflektiert wird. Hierzu kann die Radareinheit vorzugsweise als Impulsradar ausgebildet sein. Die reflektierten Radarwellen werden anschließend von dem Empfänger 5 empfangen. Das aus den empfangenen Radarwellen resultierende Signal wird über eine Anschlusseinheit 7 an eine Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 übergeben. In der Steuer- und Aufnahmeeinheit wird das Signal weiterverarbeitet.
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Der Träger 10, gebildet aus einer Metallkonstruktion, ist auf einem Fahrwerk 13 gelagert. Das Fahrwerk 13 ist in Fahrtrichtung betrachtet, beidseitig seitlich an dem Träger 10 angeordnet und umfasst jeweils eine Achse und zumindest ein, vorzugsweise jedoch zwei Räder. Bei der Ausgestaltung mit zwei Rädern ergibt sich eine verbesserte Führung der Einrichtung 1 auf der Straße. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Fahrwerk höhenverstellbar sein, um die Entfernung der Radareinheit 3 zu der Oberfläche des Unterbaus 6 variieren zu können. Die Verstellbarkeit kann dabei so ausgestaltet sein, dass die Radareinheit 3 schleifend über den Boden geführt werden kann, um eine möglichst große Eindringtiefe der Radarwellen zu erreichen. Zur Vergrößerung der Reichweite der Radareinheit 3 ist diese horizontal beweglich an dem Träger 10 befestigt. An dem Träger 10 können statt der Räder auch Gleitkufen oder dergleichen angeordnet sein, welche einen schleifenden Kontakt des Trägers 10 und gegebenenfalls auch der Radareinheit 3 zu dem Boden bewirken.
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Zur horizontal beweglichen Lagerung der Radareinheit 3 an dem Träger 10, quer zur Trägerachse ist unter dem Träger 10 auf der dem Boden zugewandten Seite ein Schienensystem angeordnet, welches ein Mittel zur Zwangsführung der Radareinheit 3 bildet, wie es in 2 dargestellt ist. Dieses Schienensystem, das das Mittel zur Zwangsführung bildet, ist so ausgestaltet, dass die Radareinheit 3 entlang einer Bahn auf dem Träger 10 umläuft. Um die Radareinheit in Bewegung zu versetzen, kann entweder die Radareinheit mit einem Antriebsmotor ausgestattet sein oder in das Schienensystem ist ein Seil integriert, welches mit der Radareinheit 3 verbunden ist. Der Antrieb der Radareinheit 3 kann in einer weiteren Ausgestaltung auch so ausgebildet sein, dass sich die Radareinheit in dem Schienensystem hin- und herbewegt. Ferner ist denkbar, dass unterhalb des Trägers 10, auf der dem Boden zugewandten Seite, ein Zugmittelsystem, beispielsweise ein Seilsystem oder ein Riemensystem mit Umlenkrollen installiert ist, welches die Radareinheit 3 bewegt.
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Bei der in der 2 gezeigten Ausgestaltung läuft die Radareinheit 3 auf einer Bahn auf dem Träger um, so dass die Radareinheit 3 relativ zu dem Träger 10 und damit auch zu der Fahrtrichtung verschiedene Ausrichtungen einnehmen kann. Die Radareinheit 3 ist somit drehbar auf dem Träger 10 gelagert und dazu ausgebildet, Längs- und Querschnitte des Unterbaus 6 aufzuzeichnen. Zur Feststellung der Ausrichtung und zur Positionsbestimmung der Radareinheit 3 auf dem Träger 10 sind Sensoren 12 auf dem Träger 10 angeordnet. Dabei erfassen zwei Sensoren 12 die Radareinheit 3, wenn der Sender 4 der Radareinheit 3 längs zu dem Träger 10 ausgerichtet ist und zwei Sensoren 12 erfassen die Radareinheit 3, wenn der Sender 4 der Radareinheit 3 quer zu dem Träger 10 ausgerichtet ist. Mit Ausrichtung der Radareinheit 3 ist die Ausrichtung der Radarstrahlen bezeichnet, welche im Wesentlichen flächig, beziehungsweise fächerförmig aus dem Sender 4 der Radareinheit 3 austritt.
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Zur Verbindung der Georadar-Einrichtung 1 mit einem Fahrzeug 9 ist an dem Träger 10 ein Gestänge 19 angeordnet, welches lösbar an einem Fahrzeug angekoppelt werden kann.
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3 zeigt die zuvor beschriebene Georadar-Einrichtung 1, welche an einem bewegbaren Fahrzeug 9 zur automatisierten Erfassung von Objekten angekoppelt ist. Das Fahrzeug ist mit einer Messanordnung versehen, wobei die Messanordnung neben der Georadar-Einrichtung 1 eine erste Einrichtung 14 zum Aufnehmen von wenigstens einem Bewegtbild, eine zweite Einrichtung 15 zur Positionsbestimmung, eine dritte Einrichtung 16 zur Bestimmung der Neigung und der Beschleunigung, eine vierte Einrichtung 17 zur Bestimmung eines Abstandsprofils eine fünfte Einrichtung 18 zur Bestimmung der Geschwindigkeit sowie eine Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 beinhaltet.
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Die erste Einrichtung 14 ist aus wenigstens einer Kamera gebildet. In dieser Ausgestaltung umfasst die erste Einrichtung 14 drei Kameras, von denen eine erste Kamera in Fahrtrichtung weist und die zweite und dritte Kamera in Fahrtrichtung betrachtet um 90° nach rechts und um 90° nach links geschwenkt sind. Somit nimmt die erste Kamera Objekte in Fahrtrichtung auf und die zweite und die dritte Kamera nehmen Objekte quer zur Fahrtrichtung auf. Bei allen drei Kameras handelt es sich um Videokameras.
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Die Kameras weisen eine feste Brennweite auf, wobei die Kamera kalibriert ist und das von der Kamera aufgenommene Bewegtbild mit einem maßstabsgerechten Raster hinterlegbar ist.
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Die Kalibrierung erfolgt durch Aufnahme und Auswertung eines bekannten und genau vermessenen Referenzobjektes. Dazu wird die Kamera auf den Fahrzeug positioniert und das Fahrzeug wird auf einer Referenzfläche positioniert, welche von der Kamera aufgenommen wird. Anschließend wird die von der Kamera aufgenommene Referenzfläche ausgewertet, wobei bestimmten Punkten der Kamera definierte Maße zugeordnet werden. In der eigentlichen Messfahrt können anschließend aufgrund dieser Kalibrierung der Kamera aus dem Bewegtbild konkrete Maße und Abmessungen abgenommen werden. Ebenso ergibt sich aus der Kalibrierung ein maßstabsgerechtes Raster, welches auf das Videobild aufgeblendet werden kann und das Ablesen von Maßen und Abständen erlaubt.
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Die zweite Einrichtung 15 ist eine Empfangseinrichtung für ein satellitengestütztes Navigationssystem, hier dem Global Positioning System (GPS). Die dritte Einrichtung 16 ist ein Inertialsystem, welches Sensoren zur Detektion von Drehbewegungen und Beschleunigungen umfasst. Die Sensoren ermöglichen das Erfassen von Nick-Roll-Gier-Drehbewegungen des Fahrzeugs sowie das Erfassen von Beschleunigungen im Raum. Die zweite Einrichtung 15 und die dritte Einrichtung 16 sind direkt untereinander auf derselben Hochachse angeordnet.
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Die vierte Einrichtung 17 ist als Laserscanner ausgebildet, welcher eine rotierende Einrichtung aufweist, deren Drehachse in Fahrtrichtung angeordnet ist. Dadurch kann durch die vierte Einrichtung 17 ein Abstandsprofil der Umgebung erstellt werden. Die fünfte Einrichtung 18 ist als Radsensor ausgebildet und umfasst eine rotierende Einrichtung, welche durch einen Sensor abgetastet wird. In Abhängigkeit des Reifendurchmessers kann die jeweilige Geschwindigkeit ermittelt werden.
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Im Inneren des Fahrzeugs 9 ist eine Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 angeordnet. Diese ist aus einem Rechner, vorzugsweise einem mobilen Computer gebildet. Die Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 ist mit allen Einrichtungen über Datenleitungen verbunden, überwacht diese, zeichnet die durch die Einrichtungen erfassten Daten auf und speichert diese. Des Weiteren gibt die Steuer- und Aufnahmeeinheit die Systemzeit vor, welche die Basis für den zu vergebenden Zeitstempel bildet.
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Die erste Einrichtung 14, die zweite Einrichtung 15, die dritte Einrichtung 16 und die vierte Einrichtung 17 sind auf einer horizontal ausgerichteten Plattform angeordnet. Die Plattform ist ortsfest auf dem Dach des Fahrzeugs 9 befestigt.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist das Fahrzeug 9 für den maritimen Einsatz ausgerüstet. Dabei sind die zuvor genannten Einrichtungen auf einem Wasserfahrzeug, beispielsweise einem Schiff angeordnet. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Radareinheit als Fächerradar ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung steht die Aufzeichnung des Unterwasserprofils, beziehungsweise des unter dem Wasser liegenden Untergrundes im Vordergrund, so dass die erste Einrichtung 14 und die vierte Einrichtung 17 entfallen können.
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4 zeigt ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens; danach wird zunächst wenigstens ein Bewegtbild (Video) aufgezeichnet und in der zentralen Steuereinheit 8 gespeichert. Ferner erfasst die Georadar-Einrichtung 1 den Unterbau 6 unterhalb des Fahrzeugs (Radar). Die erfassten Daten des Unterbaus 6 werden über die Anschlusseinheit 7 an die Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 übergeben. Gleichzeitig wird die durch die zweite Einrichtung 15 erfasste Position (GPS), die Geschwindigkeit (V), die Beschleunigung und Rotation im Raum (Lage) sowie das zweidimensionale Vertikalprofil (Profil) der Umgebung in der zentralen Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 gespeichert.
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Anschließend werden alle Daten mit einem Zeitstempel, dem Zeitpunkt der Datenerfassung, versehen. Die Zeit wird durch die Steuereinheit vorgegeben.
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Anschließend werden die Daten anhand des Zeitstempels sortiert und korrigiert. Dabei werden die in Fahrtrichtung von der zweiten Einrichtung 15 beabstandeten Einrichtungen, der ersten Einrichtung 14 und der vierten Einrichtung 17, zeitkorrigiert, so dass sich die Daten aller Einrichtungen verhalten, als wären sie in einem Punkt angeordnet. Des Weiteren werden bei stehendem Fahrzeug 9 räumlich übereinanderliegende Messwerte eliminiert.
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In einem nächsten Schritt werden die Daten der Neigung und der Beschleunigung im Raum sowie der Geschwindigkeit zusammengeführt und eine aktuelle Position ermittelt. Dazu erfasst die zweite Einrichtung 15 neben den räumlichen Positionsdaten, also den Koordinaten, auch die Empfangsqualität des empfangenen Satellitensignals. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung werden in der Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 laufend zwei durch die zweite Einrichtung 15 empfangene räumliche Positionsdaten mit sehr guter Empfangsqualität gespeichert. Wird bei Messungen eine vorgegebene Empfangsqualität unterschritten, wird ausgehend von den beiden gespeicherten Positionsdaten und den gespeicherten Geschwindigkeits-, Neigungs- und Beschleunigungsdaten mittels Polygonzugberechnung mit Ausgleichung und Helmert-Transformation die zwischen den beiden Punkten liegende aktuelle Position ermittelt und die durch die zweite Einrichtung bestimmte Position korrigiert. Durch diese Korrektur beträgt der Fehler der Positionierung weniger als 3 cm.
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In einem weiteren Schritt können die Positionsdaten in ein bekanntes Koordinatensystem beispielsweise dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem oder dem World Geodetic System 1984 (WGS 84) transformiert werden. Diese Transformation ermöglicht eine einfache Zusammenführung mit den Daten eines Rauminformationssystems, beispielsweise einer automatisierten Liegenschaftskarte, in denen die Objekte in den zuvor genannten Koordinaten abgelegt sind.
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Anschließend werden die Positionsdaten mit dem Videobild, also dem Bewegtbild, dem Radarbild des Unterbaus 6 und dem Abstandsprofil zusammengeführt und gespeichert. Dabei sind die optischen Eigenschaften der ersten Einrichtung 14 zur Aufnahme des Bewegtbildes bekannt und in der Steuer- und Aufnahmeeinheit 8 hinterlegt, so dass die in dem Bewegtbild erfassten Objekte im Hinblick auf deren räumliche Position und deren Abmessungen bestimmt werden können.
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Die in dem Radarbild dargestellten Querschnittsprofile des Untergrundes können durch Transformation in Längsschnitte überführt werden. Dabei können wahlweise Querschnitts- oder Längsprofile auf einem Bildschirm angezeigt werden. In beiden Fällen können die in dem Radarbild angezeigten Objekte georeferenziert und hinsichtlich ihrer räumlichen Koordinaten bestimmt werden.
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Abschließend wird das mit den Positionsdaten versehene Bewegtbild und das Radarbild des Unterbaus mit den Daten eines Rauminformationssystems, beispielsweise einer automatisierten Liegenschaftskarte, zusammengeführt. Dabei können die Daten des Rauminformationssystems in das Bewegtbild eingeblendet werden, so dass die in dem Rauminformationssystem hinterlegten Objekte anhand des laufenden Bewegtbildes, welches den tatsächlichen Bestand und Zustand der Objekte zum Aufnahmezeitpunkt wiedergibt, überprüft und korrigiert werden können. Des Weiteren kann das laufende Bewegtbild an vorgegebene Koordinaten eines Rauminformationssystems angepasst werden. Es ist denkbar, in das Radarbild Leitungsdaten einzublenden, sofern diese in einer Datenbank verfügbar sind.
