Diese Diplomarbeit behandelt die neuartige Lotstocktechnologie AP20 der Firma Leica Geosystems AG. Es geht um die Evaluierung dieses Produkts und die Fragestellung, inwiefern sich die Arbeitsweise und Produktivität in der Vermessungspraxis verändert. So erfolgt zuerst eine Literaturrecherche und Zusammenstellung des aktuellen Stands der Technik. Anschließend werden die Daten und Fakten des AP20 genannt und die Methodik zur Überprüfung erläutert. Die Evaluierung dieser Technologie erfolgt anhand eines fiktiven Kundenauftrages, welcher klassische Vermessungsaufgaben widerspiegelt. Ob die Erfüllung dieses Auftrages gelingt und wie sich die benötigte Zeit für diese Vermessungsaufgaben mit Hilfe des AP20 verändert wird im Zuge dieser Arbeit beantwortet. / This thesis deals with the novel AP20 pole technology from Leica Geosystems AG. It is about the evaluation of this product and the question of how the working method and productivity in surveying practice are changing. The first step is a literature search and a compilation of the current state of the art. Then the data and facts of the AP20 are mentioned and the methodology for the review is explained. This technology is evaluated on the basis of a fictitious customer order, which reflects classic surveying tasks. Whether the fulfillment of this order is successful and how the time required for these surveying tasks changes with the help of the AP20 will be answered in the course of this work.

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. / Despite all technical enhancements in the past modern electronic tacheometers do not differ significantly to their analogue predecessors. All have in common that aiming around the nadir is not possible. This means that points situated in the zenith angle region between ca. 170 to 230 gon cannot be measured directly. Therefore the subject of the present work was the development of a system that makes measurements in the zenith angle region between 170 and 230 gon possible. The concept is based upon the suspended theodolite which is known in mine-surveying. To carry out measurements in the region of the nadir a total station is mounted in a hanging position similar to a suspended theodolite. However the function of the tilt compensator which is used for levelling of the instrument is not supported in this position. Hence inclination is monitored externally. For this purpose the tacheometer is connected to a clinometer by an appropriate suspension arrangement. The combination of a tacheometer mounted in a suspended position and an external clinometer is called suspended tacheometer. Combining the system with an external clinometer a marginal variation occurs between the vertical axis of the tacheometer and the plummet axis of the clinometer due to production conditions. To quantify this variation an appropriate method was developed and its accuracy tested. Measurements conducted by the tacheometer are influenced by the variations of the instrument and must therefore be adjusted. Moreover these measurements must be adjusted by the inclination detected by the external clinometer. The axis variations of the tacheometer must be determined in suspended position. It cannot be generally presumed that these measurements comply with the ones determined in upright position. To actuate the suspended tacheometer a software was developed. This software also offers integrated functions for calibration of the sensors, analysis and adjustment of the measurements and their storage and processing as well as export of data. A combination of the suspended tacheometer with an ocular camera makes automatic target detection and tracking of non-cooperative signals possible also when measuring near the region of the nadir. To realize an autofocus the suspended tacheometer was combined with a stepper motor which moves the focus lens. Based on the image contrast an autofocus function was developed. The calibration of the ocular camera is based on modelling the mapping process by linear functions. Here the dependency of calibration values on the position of the focus lens (position of the stepping motor) was demonstrated. Image processing algorithms used for optical target detection can be divided into manual target detection in the image, measurement of point-shaped patterns by edge detection and ellipse adjustment and image allocation operations (Least squares matching). To determine the efficiency of the suspended tacheometer as well as to test the performance of the calibration several accuracy tests were performed. Also the suspended tacheometer was successfully deployed in industrial surveying. An automatic calibration routine without participation of a user was developed. The achieved accuracies of the system correspond with the accuracies of the inserted tacheometer.

In der heutigen Zeit wird die Qualitätssicherung von großen Produktionsgütern des Maschinen und Anlagenbaus vornehmlich durch flexibel einsetzbare Industrietachymeter oder Lasertracker vollzogen. Die vermessungstechnische Erfassung der qualitätsrelevanten Daten ist dabei in enge Prozessketten der Produktion eingebettet. Aufgrund dessen sind die Messabläufe meist softwareseitig gesteuert und gewährleisten eine vollständige und zeiteffiziente Erfassung aller Messpunkte. Damit die korrekte Überführung der Instrumentendaten in das Bezugssystem des Produkts sichergestellt werden kann, muss bei den Messungen ein besonderes Augenmerk auf die fehlerfreie Erfassung der Bezugs- und Verknüpfungspunkte gelegt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher Identifizierungsverfahren erarbeitet, welche insbesondere für regelmäßige Bezugs- oder Verknüpfungspunktverteilungen zur sicheren Koordinatentransformation beitragen. Inhaltlich wird zwischen direkten und indirekten Identifizierungsstrategien unterschieden. Während die direkten Verfahren in erster Linie durch die Auswertung von Signalintensitäten eines Tachymeters gekennzeichnet sind, machen sich indirekte Verfahren zusätzliche Distanzdaten eines Funksystems zunutze. Speziell für die Anforderung der Verknüpfungspunktmessung vervollständigen punktidentifizierende Reflektorhalterungen das Anwendungsspektrum. Bei der direkten Identifizierungsvariante wurde das Konzept photogrammetrischer Zielzeichencodierungen aufgegriffen. Die Codierung der Zielmarke wird für tachymetrische Messungen durch verschieden stark reflektierende Zielmarkenbereiche erreicht, welche anhand der gemessenen Signalintensitäten voneinander trennbar sind. Mithilfe der empirisch ermittelten Instrumentenparameter zur Laserspotgröße und Intensitätsmessrate sowie Betrachtungen hinsichtlich minimaler Winkelgeschwindigkeiten wurde die Codeerfassung und -auswertung softwareseitig automatisiert. Die Validierung der Verfahren wurde mit einem Industrietachymeter Leica TDRA6000 für ring und sektorförmig codierte Zielmarken durchgeführt. Die Basis des indirekten Identifizierungsverfahrens ist die Kombination von Tachymeter- und Funkdaten. Der mobile Knoten eines Funksystems wurde dazu direkt am Tragegriff des Tachymeters angebracht und durch Bogenschnittverfahren im Bezugssystem positioniert. Angesichts der Vorinformation zur Mobilknotenposition wird die Identifizierung von tachymetrisch erfassten Bezugspunkten ermöglicht. Die Auswahl des Bezugspunkts wird aufgrund einer Kandidatenliste vollzogen, die in mehreren Filterstufen bis zum Verbleib eines einzigen Kandidaten reduziert wird. Neben definierten Distanzkriterien führen vor allem die Ergebnisse kandidatenbezogener Ausgleichungen mit Restriktionen zwischen den Unbekannten zur Identifizierung des Bezugspunkts. Das Konzept der funkgestützten Identifizierung wurde anhand einer Versuchsfeldanwendung verifiziert, wobei die Robustheit der Datenanalyse besonders durch die örtlichen Gegebenheiten des Maschinenbaus gefordert wird. Am Beispiel der Qualitätssicherung schienengebundener Fahrzeuge wurde zudem veranschaulicht, wie die Anwendung der direkten und indirekten Identifizierungsverfahren innerhalb eines strukturierten Messablaufes zur zeiteffizienten und sicheren Qualitätskontrolle beitragen kann.

In der heutigen Zeit wird die Qualitätssicherung von großen Produktionsgütern des Maschinen und Anlagenbaus vornehmlich durch flexibel einsetzbare Industrietachymeter oder Lasertracker vollzogen. Die vermessungstechnische Erfassung der qualitätsrelevanten Daten ist dabei in enge Prozessketten der Produktion eingebettet. Aufgrund dessen sind die Messabläufe meist softwareseitig gesteuert und gewährleisten eine vollständige und zeiteffiziente Erfassung aller Messpunkte. Damit die korrekte Überführung der Instrumentendaten in das Bezugssystem des Produkts sichergestellt werden kann, muss bei den Messungen ein besonderes Augenmerk auf die fehlerfreie Erfassung der Bezugs- und Verknüpfungspunkte gelegt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher Identifizierungsverfahren erarbeitet, welche insbesondere für regelmäßige Bezugs- oder Verknüpfungspunktverteilungen zur sicheren Koordinatentransformation beitragen. Inhaltlich wird zwischen direkten und indirekten Identifizierungsstrategien unterschieden. Während die direkten Verfahren in erster Linie durch die Auswertung von Signalintensitäten eines Tachymeters gekennzeichnet sind, machen sich indirekte Verfahren zusätzliche Distanzdaten eines Funksystems zunutze. Speziell für die Anforderung der Verknüpfungspunktmessung vervollständigen punktidentifizierende Reflektorhalterungen das Anwendungsspektrum. Bei der direkten Identifizierungsvariante wurde das Konzept photogrammetrischer Zielzeichencodierungen aufgegriffen. Die Codierung der Zielmarke wird für tachymetrische Messungen durch verschieden stark reflektierende Zielmarkenbereiche erreicht, welche anhand der gemessenen Signalintensitäten voneinander trennbar sind. Mithilfe der empirisch ermittelten Instrumentenparameter zur Laserspotgröße und Intensitätsmessrate sowie Betrachtungen hinsichtlich minimaler Winkelgeschwindigkeiten wurde die Codeerfassung und -auswertung softwareseitig automatisiert. Die Validierung der Verfahren wurde mit einem Industrietachymeter Leica TDRA6000 für ring und sektorförmig codierte Zielmarken durchgeführt. Die Basis des indirekten Identifizierungsverfahrens ist die Kombination von Tachymeter- und Funkdaten. Der mobile Knoten eines Funksystems wurde dazu direkt am Tragegriff des Tachymeters angebracht und durch Bogenschnittverfahren im Bezugssystem positioniert. Angesichts der Vorinformation zur Mobilknotenposition wird die Identifizierung von tachymetrisch erfassten Bezugspunkten ermöglicht. Die Auswahl des Bezugspunkts wird aufgrund einer Kandidatenliste vollzogen, die in mehreren Filterstufen bis zum Verbleib eines einzigen Kandidaten reduziert wird. Neben definierten Distanzkriterien führen vor allem die Ergebnisse kandidatenbezogener Ausgleichungen mit Restriktionen zwischen den Unbekannten zur Identifizierung des Bezugspunkts. Das Konzept der funkgestützten Identifizierung wurde anhand einer Versuchsfeldanwendung verifiziert, wobei die Robustheit der Datenanalyse besonders durch die örtlichen Gegebenheiten des Maschinenbaus gefordert wird. Am Beispiel der Qualitätssicherung schienengebundener Fahrzeuge wurde zudem veranschaulicht, wie die Anwendung der direkten und indirekten Identifizierungsverfahren innerhalb eines strukturierten Messablaufes zur zeiteffizienten und sicheren Qualitätskontrolle beitragen kann.

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. / Despite all technical enhancements in the past modern electronic tacheometers do not differ significantly to their analogue predecessors. All have in common that aiming around the nadir is not possible. This means that points situated in the zenith angle region between ca. 170 to 230 gon cannot be measured directly. Therefore the subject of the present work was the development of a system that makes measurements in the zenith angle region between 170 and 230 gon possible. The concept is based upon the suspended theodolite which is known in mine-surveying. To carry out measurements in the region of the nadir a total station is mounted in a hanging position similar to a suspended theodolite. However the function of the tilt compensator which is used for levelling of the instrument is not supported in this position. Hence inclination is monitored externally. For this purpose the tacheometer is connected to a clinometer by an appropriate suspension arrangement. The combination of a tacheometer mounted in a suspended position and an external clinometer is called suspended tacheometer. Combining the system with an external clinometer a marginal variation occurs between the vertical axis of the tacheometer and the plummet axis of the clinometer due to production conditions. To quantify this variation an appropriate method was developed and its accuracy tested. Measurements conducted by the tacheometer are influenced by the variations of the instrument and must therefore be adjusted. Moreover these measurements must be adjusted by the inclination detected by the external clinometer. The axis variations of the tacheometer must be determined in suspended position. It cannot be generally presumed that these measurements comply with the ones determined in upright position. To actuate the suspended tacheometer a software was developed. This software also offers integrated functions for calibration of the sensors, analysis and adjustment of the measurements and their storage and processing as well as export of data. A combination of the suspended tacheometer with an ocular camera makes automatic target detection and tracking of non-cooperative signals possible also when measuring near the region of the nadir. To realize an autofocus the suspended tacheometer was combined with a stepper motor which moves the focus lens. Based on the image contrast an autofocus function was developed. The calibration of the ocular camera is based on modelling the mapping process by linear functions. Here the dependency of calibration values on the position of the focus lens (position of the stepping motor) was demonstrated. Image processing algorithms used for optical target detection can be divided into manual target detection in the image, measurement of point-shaped patterns by edge detection and ellipse adjustment and image allocation operations (Least squares matching). To determine the efficiency of the suspended tacheometer as well as to test the performance of the calibration several accuracy tests were performed. Also the suspended tacheometer was successfully deployed in industrial surveying. An automatic calibration routine without participation of a user was developed. The achieved accuracies of the system correspond with the accuracies of the inserted tacheometer.