Im Rahmen des Forschungsprojekt „smartROCK“ wurde am steilsten Weinberg Europas getestet, wie die BIM-Methodik effizient bei der Planung, dem Bau und Betrieb von Schutzbauwerken gegen alpine Naturgefahren umgesetzt werden kann. Für den anspruchsvollen Vermessungsteil war die TRIGIS GeoServices verantwortlich.
Der Calmont an der Mosel ist nicht nur eine bekannte Lage, sondern der steilste Weinberg Europas. Ein ideales Terrain für das anspruchsvolle Monitoring-Projekt. Quelle: TRIGIS GeoServices GmbH
BIM revolutioniert seit einiger Zeit die Methoden der Geotechnik und eröffnet völlig neue Möglichkeiten in Planung und Umsetzung. Neben den zahlreichen Infrastrukturbauwerken ist das erklärte Ziel, auch geologische Strukturen digital zu erfassen und für die weitere Verarbeitung verfügbar zu machen.
Hierbei ist es wichtig, eine digital durchgängige fachliche Risikobewertung zu etablieren, die den geologischen Untergrund integriert, um die Planungs- und Bauprozesse zu unterstützen. Insbesondere bei der Planung, Ausführung und dem Betrieb von Schutzbauwerken gegen alpine Naturgefahren gibt es ein großes Potential zur Implementierung der BIM-Methodik und des Geo-Monitorings.
Die Idee
Im Rahmen des Forschungsprojekts „smartROCK“ wurde überprüft, wie sich die BIM-Methodik konsistent im Lebenszyklus von Schutzbauwerken gegen alpine Naturgefahren umsetzen lässt und welches Digitalisierungspotential die gesamten Bearbeitungsschritte von der Erkundung, über die Planung bis hin zur Ausführung bieten. Das mFUND-Verbundprojekt lief ab 2022 und wurde kürzlich erfolgreich abgeschlossen. Unter Beteiligung der Partner w&p geoprojekt GmbH, TRIGIS GeoServices GmbH und Geobrugg AG wurde der Calmont, Europas steilster Weinberg bei Cochem an der Mosel, genauer unter die vermessungstechnische Lupe genommen. Praxispartner war der Landesbetrieb Mobilität Rheinland-Pfalz (LBM).
„Wir haben uns als Planungsbüro, Vermessungsdienstleister und Bauteillieferant zusammengetan, um die BIM-Methodik in der Felssicherung zu etablieren“, sagt Steffen Gauger, Projektleiter bei TRIGIS. Im Zentrum steht die Überwachung, die aber viele Phasen des Infrastrukturmanagements betrifft: Vermessung, Kartierung, Standsicherheitsanalysen, Steinschlagsimulation, Planung, Ausschreibung, Bauausführung und Bauüberwachung.
Geologie und Sicherung
Geologisch befindet sich das Untersuchungsgebiet im „Rheinischen Schiefergebirge“, in dem tonige und quarzitische Sandsteinschichten anstehen. Gut sichtbar erkennt man dort zum Beispiel den Wechsel der jeweiligen Schichten (Kaulen und Felsengrate), was weinbautechnisch ein interessantes Terroir erzeugt. Am Fuß des Hanges befinden sich bereits Sicherungsbauwerke, welche aber nicht mehr dem Stand der Technik genügen.
Das 3D-Modell des Weinbergs. Hier gibt es einige Besonderheiten bei der Modellierung. Quelle: TRIGIS GeoServices GmbH
Photogrammetrie als Planungsgrundlage
Zu Beginn wurde beschlossen, das rund 15 Hektar große Gebiet per Drohne zu befliegen, um die notwendige Datengrundlage für 3D-Modellierung und Texturierung der Oberflächen zu erzeugen.
Die erste Messkampagne diente der Gewinnung eines Überblicks und der detaillierten Aufnahme der bestehenden Stützmauern. Der Calmont hat eine Steilheit von bis zu 68°, einige Felspassagen sind sogar überhängend, was eine Herausforderung für die Berechnung der Punktwolke darstellt. Es wurden Nadir- und Oblique-Aufnahmen gemacht, um die Berechnungen der Punktwolke auch in horizontaler Projektion zu ermöglichen. Bei der Flugplanung musste für jeden Streifen die Flughöhe angepasst werden, um einen geeigneten Datensatz zu erreichen. Das Untersuchungsgebiet weist einen Höhenunterschied von 170 Metern auf.
Die zweite Messkampagne wurde zur detaillierteren Aufnahme eines kritischen Felsbereiches durchgeführt: „Dafür haben wir ein weiteres Drohnensystem eingesetzt und die Steuerung der Flughöhe nochmal verfeinert“, so Gauger. Die Planung der Flughöhe wurde dafür nicht wie in der ersten Phase relativ zum Startpunkt, sondern anhand des DGMs der ersten Vermessung berechnet. TRIGIS verfolgte dabei zwei unterschiedliche Ansätze, einmal die „virtuelle“ Echtzeit-Berechnung der Flughöhe anhand des zuvor erfassten DGMs, das auf der Drohne selbst gespeichert wurde und zum anderen erfolgte eine direkte Berechnung der Flughöhe aus der on-the-fly-Berechnung der erfassten Bilder. Beide Verfahren erfordern eine große Engineering-Leistung und verweisen auf die Kompetenz und Erfahrung von TRIGIS im Umfeld von Vermessung und UAVs. Wobei in das Verfahren sogar eine Qualitätssicherung eingebaut war, indem die „die Auswertesoftware auch die Fehlergröße für die berechneten Werte lieferte“, beschreibt Gauger.
Konkret ist das der Re-Projektionsfehler (R), der bei der inneren Orientierung der Bildverbünde eine entscheidende Rolle spielt. Für die äußere Orientierung wurden wie üblich Kontrollpunkte am Boden genutzt.
Aus der bearbeiteten Punktwolke wurde dann ein Digitales Geländemodell abgeleitet, genauso wie ein Orthophotomosaik, dieses dann in Nadir- und Horizontal-Variante (Auflösung 2,5 cm und 2,0 cm). Ebenso wurde ein sehr detailliertes 3D-Mesh (Tiled Model) erzeugt. 
BIM-Modellierung der Infrastruktur
Die 3D-Modellierung diente zum Beispiel als Grundlage für die GIS basierte Erfassung von Risikostellen oder für 3D-Steinschlagsimulationen. Im Weiteren entstanden Höhenlinien sowie ein Lage- und Höhenplan. „Besonders erwähnenswert ist die Darstellung der vielen Trockenmauern im Weinberg, wie auch die Schienenführung der Monorackbahn sowie die bestehenden Fangzäune“, beschreibt Gauger. Mit dem Forschungspartner Geobrugg AG wurden dabei auch die wichtigsten Bauteile für die Sicherungsbauwerke modelliert. Im Laufe des Prozesses wurde ein Attributkatalog (LOIN-Anhang) für die Bauteile von Sicherungsbauwerken erarbeitet. Anhand der generierten Visualisierungsmodelle wurde der Raumbedarf, die optische Wirkung sowie auch für die Planung notwendigen Stückzahlen und Kalkulationen erstellt. Auch die Punkte für die Bohrungen wurden koordinatengetreu ausgelesen. Das gesamte Projekt basiert durchgehend auf BIM-Verfahren, die digitalen Erfassungsmethoden und modellgestützten Planungen wurden also konsequent genutzt, um Effizienz und Qualität zu steigern. Im Ergebnis des Forschungsprojektes wurde ein BIM-Leitfaden für die Planung, Ausführung und den Betrieb von Schutzbauwerken gegen alpine Gefahren erarbeitet. Dieser dient als Grundlage und zur Standardisierung der Implementierung der BIM-Methodik zur Abwehr von Naturgefahren. „Auf jeden Fall haben wir gesehen, dass die Vermessung heute die dafür notwendigen Techniken und Verfahren bereitstellt, man muss nur wissen, wie man die Möglichkeiten effizient ausschöpft und für die jeweils sehr individuellen Projekte fachlich adaptiert“, so der Vermessungsingenieur.
www.smartrock.wittundpartner.com
www.wittundpartner.com
www.geobrugg.com
www.trigis.de
Auf Grundlage des per UAV realisierten 3D-Modells werden auch die Felssicherungen geplant. Quelle: TRIGIS GeoServices GmbH