Terrestrisches Laserscanning für sichere Sprengplanung

Laserscanning hat sich in den letzten Jahren als weitere Vermessungsmethode neben Tachymetrie und GPS etabliert. Mittels flugzeuggetragener Laserscanningsysteme können präzise DEMs (Digital Elevation Models) und DTMs (Digital Terrain Models) von großen Gebieten in kürzester Zeit erstellt werden. Terrestrisches Laserscanning (TLS) erreicht eine weit höhere Auflösung und 3D-Punktegenauigkeiten von etwa 1 cm. Diese Eigenschaften machen TLS zu einem hervorragenden Tool auch für Steinbrüche. In diesem zweiteiligen Artikel sollen zwei Anwendungen von TLS vorgestellt werden: Hangstabilitätsmonitoring und Sprengplanung.

Einführung

Eine grundsätzliche Unterscheidung von Terrestrischen Laserscannern kann aufgrund der Messmethode getroffen werden: Phase-Shift-Scanner messen die Phasenverschiebung von drei auf einen Laserstrahl aufmodulierten Frequenzen. Sie erreichen dabei Messfrequenzen von 500 kHz und erfassen Punkte bis zu einer Entfernung von 80 m (Leica Geosystems AG, 2008). Sogenannte Time-Of-Flight-Scanner besitzen eine wesentlich geringere Messfrequenz von bis zu 50 kHz, messen aber bis zu einer Entfernung von 1,8 km (Optech Inc. 2008).

Beim Time-Of-Flight-Messverfahren wird ein kurzer Lichtimpuls (normalerweise im Wellenlängenbereich des Nahen Infrarot) ausgesendet. Dieser Lichtimpuls wird am Objekt reflektiert und ein Teil der ausgesendeten Energie wird am Laserscanner von einem Empfänger detektiert. Durch eine exakte Messung der Zeit zwischen gesendetem und empfangenem Impuls ist es möglich, die Distanz zum Objekt mit Hilfe folgender Formel zu berechnen:

R = (T * c)/2

Mit:
R = Entfernung (m),
T = gemessene Zeit (sec),
c = Lichtgeschwindigkeit (m/sec)
(Iavarone & Vaigners, 2003)

Time-Of-Flight-Scanner besitzen aufgrund des benutzten Messverfahrens eine höhere Reichweite als PhaseShift Scanner und sind daher insbesondere für den Außeneinsatz geeignet. Um 3D-Koordinaten bestimmen zu können, muss neben der Entfernung auch ein Horizontal- und ein Vertikalwinkel bestimmt werden. Moderne Laserscanner, wie z.B. der Optech ILRIS 3D, bestimmen diese Winkel mit einer Genauigkeit von bis zu 0,001146°. Neben der Streckenmessgenauigkeit des Lasers bestimmen nicht zuletzt diese Winkelgenauigkeiten die maximal erreichbare 3D-Punktgenauigkeit.

Terrestrisches Laserscanning bietet gegenüber traditionellen Vermessungsmethoden einige deutliche Vorteile: Schnelle und reflektorlose Distanzmessungen von bis zu 10.000 Punkten/Sekunde bis zu einer Entfernung von 1,8 km ermöglichen die schnelle Erzeugung von dichten und präzisen 3D-Modellen. Im Gegensatz zu Tachymetrie und GPS-Vermessung, bei denen diskrete 3D-Punkte vom Vermesser ausgewählt werden (z.B. Punkte, die die Bruchkante repräsentieren), werden vom Laserscanner flächenhafte Informationen durch rasterförmiges Abtasten des Zielobjektes erzeugt. (Siehe Abbildung 1)

Die Unabhängigkeit von Lichtverhältnissen sowie die hohe und reproduzierbare Genauigkeit der Laserscanner schaffen große Vorteile gegenüber anderen flächenhaft messenden 3D-Messmethoden wie z.B. der Photogrammetrie. Vor allem für die Überwachung von Hängen ist TLS oftmals die einzige Methode, um genaue und verlässliche Daten zu erzeugen (Travelletti et al., 2008).

Sprengplanung

Etwa 80 Prozent aller mineralischen Rohstoffe werden weltweit durch Bohren und Sprengen gewonnen (Vogel, 2000). Diese Methode wird als kosteneffektiv angesehen, aber die Sprengungen können auch unerwünschte Nebenwirkungen wie Steinflug und starke Vibrationen auslösen.

Befinden sich das Sprengbohrloch oder Teile desselben zu nahe an der zu sprengenden Wand, so kann gefährlicher Steinflug die Folge sein. Jedes Jahr sterben weltweit Menschen an den Folgen von Steinflug, aber auch die Zerstörung von privatem oder öffentlichem Eigentum hat gravierende finanzielle und rechtliche Folgen.

Auch starke Vibrationen infolge der Sprengungen können Schäden an Gebäuden erzeugen und führen im besten Fall nur zu Problemen mit der Bevölkerung in unmittelbarer Umgebung der Steinbrüche. Insbesondere zu starke Unterbohrung, schlechte Zünderabstimmung und ungünstige Sprenggeometrie können das Problem von Vibrationen verstärken.

Jede Sprengung beinhaltet mehrere variable Parameter: Vorgabe, Bohrlochabstand, Unterbohrung, Bohrlochdurchmesser, Zünder und Zünderverzögerungen sowie Besatz. Fehlendes Wissen über die exakte Vorgabe in einer gewissen Tiefe des Bohrloches kann dazu führen, dass die Sprengstoffmenge für die zu sprengende Gesteinsmenge zu hoch oder zu gering gewählt wird.

In beiden Fällen können unerwünschte Folgen auftreten: Steinflug im Fall einer zu hohen Sprengstoffkonzentration und schlechte Fraktionierung im Fall einer zu geringen Sprengstoffkonzentration. Auch fehlendes Wissen über den exakten Bohrlochverlauf kann zu großen Variationen der Sprengenergieverteilung in der Gesteinsmasse führen (Goldhahn, 2005).

Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Wandhöhe und des exakten Bohrlochansatzpunktes führen zu einem unnötigen Sprengstoffeinsatz, schlechten Bohrsohlen, schlechter Fraktionierung des Gesteins, starken Vibrationen und unnötig hohen Bohrkosten (Kutschera & Herkommer, 2008).

Viele Variablen entscheiden also über den wirtschaftlichen Erfolg und nicht zuletzt auch über die Sicherheit bei einer Sprengung.

Terrestrisches Laserscanning bietet die Möglichkeit, präzise Informationen über (fast) alle geometrischen Parameter einer Großbohrlochsprengung zu erzeugen. Abbildung 5 zeigt ein typisches Beispiel einer Sprengplanung. Basierend auf den 3D-Koordinaten des aus den Laserdaten erzeugten Modells können genaue Profile und Vorgabewerte berechnet werden.

Ein vor das Bohrloch gelegtes 2D-Profil zeigt aber lediglich einen Ausschnitt der Realität, da sich die Energie des Sprengstoffes radial ausbreitet und daher mehr oder weniger gleichmäßig auf die vor dem Bohrloch befindliche Gesteinsmasse einwirkt. Um Informationen über die zu erwartenden minimalen Vorgaben für ein Bohrloch zu erhalten wurde die BurdenMaster-Funktion in Quarry6 implementiert: die Line der schwächsten Vorgabe entlang eines Bohrloches. Mit dieser Information kann der Sprengberechtigte die nötigen Entscheidungen hinsichtlich des Ladens des Bohrloches treffen, um Steinflug zu vermeiden.

Nach der Planung müssen die geplanten Bohrlochansatzpunkte für den Bohristen markiert werden. Dies geschieht traditionell durch Verwendung eines Maßbandes. In letzter Zeit wurden zwei GPS-basierte Systeme vorgestellt, die dieses Übertragen der Planung in die Realität übernehmen und einige weitere Funktionalitäten und Vorteile aufweisen.

Die Firma Atlas Copco hat mit dem HNS (Hole Navigation System) ihrer SmartRig Modelle eine Lösung auf dem Bohrgerät selbst geschaffen: Die Planungsdaten der Quarry6-Software werden direkt auf dem Terminal des Bohrgerätes geöffnet. Das System unterstützt den Bohristen beim exakten Auffinden der Bohrlochansatzpunkte und speichert neben dessen Koordinaten auch sog. MWD (Measure While Drill) Daten während des Bohrvorganges. Damit können wichtige Gesteinsparameter, wie z.B. Gesteinshärte, über den Bohrlochverlauf hinweg erfasst werden.

Die geo-konzept GPS-Lösung stützt sich auf ein traditionelles GPS-Vermessungssystem im Einmannbetrieb. Die Bohrloch-ansatzpunkte werden für den Bohristen markiert und zusätzlich gespeichert. Insbesondere die Z-Koordinate hat eine wichtige Bedeutung für die korrekte Berechnung der Bohrlochlänge sowie Zuordnung der Vorgaben zu einer Bohrlochtiefe.

Beiden Systemen ist gemein, dass sie mit einer Genauigkeit von etwa 2 cm arbeiten und alle erfassten Daten zurück an die Software Quarry6 übergeben werden können. Damit ist sowohl eine Verbesserung des Planungsmodells als auch eine Dokumentation aller Arbeitsschritte möglich.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der große Auswirkungen auf die Sicherheit als auch die Produktivität einer Sprengung hat, ist die Bohrgenauigkeit (Kerber, Tudeshki & Rebehn, 2007). Es können mehrere Gründe für das Verlaufen eines Bohrloches gefunden werden. Zu den wichtigsten zählen geologische/tektonische Voraussetzungen, Bohren in eine falsche Richtung aufgrund technischer Einschränkungen der Bohrgeräte (Kutschera & Mann, 2007) und zu starker Vortrieb (Kerber, Tudeshki & Rebehn).

Die Vermessung der Bohrlöcher mittels eines Laserscanners ist nicht möglich, jedoch wurden einige Geräte zur präzisen Vermessung der Bohrlöcher entwickelt, wie z.B. die Pulsar Bohrlochsonde Mk3 (geo-konzept GmbH, 2008).

Die Integration dieser Vermessungsdaten in das Modell erlaubt nun die exakte Berechnung der wahren Vorgaben und die Bohrlochabstände nach dem Bohrvorgang.

Johannes Kutschera und Martin Herkommer,
geo-konzept GmbH

References:

Conforti, D., Deline, P., Mortara, G., Tamburini, A., 2005. Report on the Joint ISPRS Commission VI, Workshop “Terrestrial scanning lidar technology applied to study the evolution of the ice-contact Miage Lake (Mont Blanc, Italy). http://www.innovmetric.com/Surveying/english/pdf/miage_lake.pdf (accessed 29.10.2008).

geo-konzept GmbH, http://www.sprengplanung.de/, accessed: 03.11.08

Goldhahn, J.: Reduzierung der Steinfluggefahr bei Gewinnungssprengungen, Nobelhefte 12/2005, 71. Jahrgang

Iavarone, A. & Vaigners, D.: Sensor Fusion: Generating 3D by Combining Airborne and Tripod–mounted LIDAR Data, FIG Working Week 2003, Paris, France, April 13-17, 2003

Kerber, R., Tudeshki, H. & Rebehn, T.: Untersuchungen zum richtungsstabilen Niederbringen von Sprengbohrlöchern im Hartgestein, Aggregates International 04/2007

Kutschera, J.& Herkommer, M.: Integration von GNSS- und Laservermessungssystemen zur Planung von Großbohrlochsprenganlagen und deren Dokumentation, Sprenginfo 30/2, 2008

Kutschera, J. & Mann, U.: Bruchwand- und Bohrlochvermessung als Hilfsmittel für die Reduzierung von Erschütterungen bei der Durchführung von Großbohrlochsprengungen, 29. Informationstagung Sprengtechnik, Siegen 2007

Leica Geosystems AG, http://www.leica-geosystems.com/ch/de/Leica_HDS6000_brochure_de.pdf, accessed: 04.11.08

Morche, D., Schmidt, K.-H., Sahling, I., Herkommer, M. and Kutschera, J. (2008): Volume changes of Alpine sediment stores in a state of post-event disequilibrium and the implications for downstream hydrology and bed load transport, Norsk Geografisk Tidsskrift - Norwegian Journal of Geography, 62:2, pp. 89 — 101

Oppikofer, T., Jaboyedoff, M., Blikra, L.H. and Derron, M.-H. (2008): Characterization and monitoring of the Åknes landslide using terrestrial laser scanning. In: Locat, J., Perret, D., Turmel, D., Demers, D. and Leroueil, S. (Editors), Proceedings of the 4th Canadian Conference on Geohazards: From Causes to Management. Presse de l‘Université Laval, Québec, Canada, 211-218.

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Tamburini, A.: The use of terrestrial laser scanner for characterization and monitoring of unstable slopes and glaciers. Selected case histories from Alps and Himalaya, 3rd International ILRIS-3D User Meeting - Rome, June 6th, 2007

Travelletti, J., Oppikofer, T., Delacourt, C., Malet, J., Jaboyedoff, M.: Monitoring landslide displacements during a  controlled rain experiment using a long-range terrestrial laser scanning (TLS), The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B5. Beijing 2008, 2008

Vogel, G.: Zünden von Sprengladungen, Verlag Leopold Hartmann, Sondheim v.d. Rhön, 2000

Abb.1: 3D-Punktwolke. Die Grafik zeigt die flächenhafte Erfassungsmethode eines Laserscanners
Abb.1: 3D-Punktwolke. Die Grafik zeigt die flächenhafte Erfassungsmethode eines Laserscanners
Abb.2:  2D-Profil
Abb.2:  2D-Profil
Abb. 3: Quarry6 Sprengplanungssoftware
Abb. 3: Quarry6 Sprengplanungssoftware
Abb. 4: Berechnung des BurdenMasters
Abb. 4: Berechnung des BurdenMasters
Abb. 5: Profil mit BurdenMaster
Abb. 5: Profil mit BurdenMaster
Abb.6: Profil mit BurdenMaster und Bohrlochvermessungsdaten
Abb.6: Profil mit BurdenMaster und Bohrlochvermessungsdaten