Bodenbewegungen, verursacht durch geogene und anthropogene Ursachen, können Verkehrsinfrastrukturen beschädigen und im schlimmsten Fall Personen gefährden. Deren Monitoring im Verkehrssektor wird aktuell überwiegend über terrestrische Messtechniken für ausgewählte Bereiche durchgeführt und ist zeit- und kostenintensiv. Die Erdbeobachtung mittels satellitengestützter SAR-Interferometrie ermöglicht hingegen, Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit von wenigen mm pro Jahr für ganze Nationen, bzw. Kontinente zu detektieren. Möglich wurde dies durch die Copernicus Satellitenmission Sentinel-1. Um dieses Potenzial auch für den Verkehrssektor abzuschöpfen wurde Ende 2024 das durch das BMDV geförderte Leuchtturmprojekt BBD-V gestartet. Das Projekt zielt drauf ab einen Bodenbewegungsdienst für die Verkehrsträger Straße, Wasserstraße und Schiene zu entwickeln um auch hier ein kontinuierliches und großräumiges Monitoring der Verkehrsinfrastruktur zu ermöglichen. Die Funktionalitäten des BBD-V sind in zwei Ebenen unterteilt:

• Eine Basisfunktion aufbauend auf den bestehenden Produkten des Bodenbewegungsdienstes Deutschland der BGR (BBD) mit für die Verkehrsinfrastruktur verbesserten Eigenschaften (z.B. Verfügbarkeit von Messpunkten und Analysen von für den Verkehr relevanten Prozessen)
• Erweiterungsfunktionen, welche die Entwicklung von Verfahren zur Berücksichtigung von temporären Scatterern in multi-temporalen Zeitreihen sowie zur Aktualisierung multitemporaler InSAR-Zeitreihen für das Verkehrsinfrastruktur-Monitoring demonstrieren sollen. Um den BBD-V leicht in die praktische Arbeit integrieren zu können, wird bei der Entwicklung des BBD-V von Beginn an ein Fokus auf die Einbindung von Endnutzern und die Berücksichtigung deren Bedarfe gelegt. Außerdem sollen die entwickelten Funktionen und ihre Ergebnisse anhand von in situ Daten validiert werden, um deren belastbare und qualitätsgesicherte Nutzung in einem perspektivischem Wirkbetrieb sicherzustellen.

Für das Monitoring sind häufig speziell auf die Anforderungen abgestimmte Messsysteme erforderlich, zu deren Entwicklung und Ergänzung das Rapid Prototyping beitragen kann. Neben der hardware-technischen Realisierung ist dabei die Software, u. a. in Form von Embedded Systems, zur Steuerung und zum Datenaustausch von maßgeblicher Bedeutung. In Kombination mit der Nutzung preiswerter Sensorik und Aktorik wird eine effiziente Erprobung theoretischer, innovativer Ansätze möglich und hilft Lösungen zu finden, wo für Aufgaben im Bereich der Ingenieurgeodäsie geeignete marktverfügbare Systeme nicht vorhanden sind. Über derartige Entwicklungen wird an den Beispielen eines motorisierten Digitalnivelliers, eines motorisierten Dreifußes und eines motorisierten Prismas berichtet. Digitalnivelliere bieten die Möglichkeit zum automatisierten Feststellen von Höhenveränderungen in der Umgebung eines Standpunkts, wenn eine motorisierte Drehvorrichtung um die Stehachse für die Ausrichtung auf die Barcodelatten gegeben ist. Ein kosteneffizientes Messverfahren ergibt sich insbesondere für den Fall, dass die Barcodelatten in der erforderlichen Länge und Anzahl selbst hergestellt werden können. Um ein Monitoring auch im Dunkeln zu ermöglichen, lassen sich LED-Streifen nutzen, die funkbasiert für den Zeitraum der Messung einer Latte diese ausleuchten. Bei einem Monitoring mit einem permanent installierten Tachymeter würde die Neigung seiner Stehachse dazu führen, dass das Gerät nicht mehr einsatzfähig ist, sofern der Arbeitsbereich des Kompensators verlassen wird. Dann muss eine wiederholte Horizontierung erfolgen. Der Prototyp eines Tripod Leveling Adapters lässt sich reversibel an handelsüblichen Dreifüßen anbringen. Für die im Bedarfsfall nötige oder intervallmäßig vorgesehene Horizontierung greift die Steuerung des Adapters den Neigungssensor des Tachymeters ab. Mit diesen Messwerten werden mittels Reibrädern zwei Fußschrauben des Dreifußes so lange gedreht, bis die Horizontierung wieder unterhalb des voreingestellten Schwellenwertes liegt. Wenn ein Objektpunkt beim Monitoring von mehr als einem Standpunkt aus gemessen werden soll, kann ein in der Steh- und der Kippachse motorisiertes Prisma unterstützen, um die erforderliche Ausrichtung auf den jeweiligen Standpunkt vornehmen zu können. Hierzu kann ein mittels 3D-Druck hergestellter und mit zwei Motoren ausgestatteter Prismenträger über einen Mikrocontroller gesteuert werden. Die ursprüngliche Idee zu dieser Entwicklung ist es, die Neuausrichtung eines Anschlusspunktes bei einer erneuten Stationierung eines Tachymeters bei der Aufnahme oder Absteckung zu vereinfachen. Modifiziert sind auch Anwendungen beim Monitoring möglich.

Einen neuen Ansatz für das großflächig automatisierte Infrastruktur Monitoring bieten Dock-Drohnen Systeme.

Das Equipment besteht aus DJI Matrice Drohnen entweder mit 20 Mpx Weitwinkelkamera oder einer 640 Pix Wärmebildkamera zusammen mit dem Dock 2. Die Flugzeit beträgt bis zu 50 Minuten, wobei die Missionen komplett Remote über eine zentrale Leitstelle gesteuert werden. Die Flugsteuerung und Georeferenzierung der Bilder erfolgt über eine hochpräzise RTK-GNSS Lösung in Drohne und Dock. Der Datentransfer und die Auswertung sind komplett automatisiert, so dass sich hier neue Anwendungsbreiche auch im Bereich GeoMonitoring ergeben.

Die vielfältigen Anmwendungsbereiche dieser autoamtisierten Lösung sind das Infrastruktur Monitoring, die automatische Baudokumentation, Security im Bereich Perimetersicherung mit Aufklärungsvideos und die Anlagen-Inspektion.

Moderne Erfassungsmethoden wie UAV-Photogrammetrie und terrestrisches Laserscanning (TLS) haben die Monitoring von Veränderungen natürlicher Oberflächenstrukturen und -prozesse vereinfacht und beschleunigt. Trotz des Fortschrittes bleiben Herausforderungen bestehen, insbesondere in dynamischen natürlichen Umgebungen. Dies führt zu Unterschieden in der Datenaufnahme, welche die Vergleichbarkeit der Aufnahmen verschiedener Objekte einschränkt. Die beiden Erfassungsmethoden unterscheiden sich grundsätzlich im zeitlichen und finanziellen Aufwand, der Handhabung, der Technik aber auch je nach Situation und Untersuchungsobjekt in ihrer Anwendbarkeit. In diesem Beitrag wird der Vergleich der Effizienz von UAV-Photogrammetrie und TLS in der Analyse von zwei unterschiedlichen natürlichen Landschaftsstrukturen auf verschiedenen räumlichen Skalen vorgestellt. Dafür diente als kleinräumige Skala ein 2 m x 3 m Plot einer vegetationsfreien Ackerfläche in Niedersachsen sowie als großskaligeres Beispiel ein Palsa (Torferhebung im Permafrost) mit einer Ausdehnung in 2023 von etwa 0,1 ha in Nordfinnland. Mithilfe des Laserscanners Imager 5010X (Z+F) und der DJI Phantom 4 Pro V2 generierte Oberflächenmodelle werden auf ihre Genauigkeit insbesondere bezüglich des vertikalen Versatzes zu GNSS-RTK-Referenzpunkten im jeweiligen Untersuchungsgebiet verglichen. Zusätzlich zu dem Vergleich auf Skalenebene wird in Bezug auf die UAV-Befliegungen der Einfluss unterschiedlicher Flughöhen (15 m, 30 m, 40 m, 60 m, 100 m) und Aufnahmewinkel (45°, 90°) auf die Genauigkeit der Ergebnisse betrachtet. Während bei der Nutzung von UAV-Photogrammetrie je nach Flughöhe beispielsweise der „Dome-Effekt“ als systematische Verzerrung eintreten kann, ergeben sich beim TLS je nach Größe des Untersuchungsobjektes Ungenauigkeiten aufgrund von Verschattungen (Beam Footprint). Auch die unterschiedlichen Punktwolkendichten können Abweichungen erzeugen, die je nach Fragestellung,- beispielsweise bei Untersuchung der Veränderung von Bodenoberflächenrauigkeit, relevant werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wahl der Erfassungsmethode stark von der Skalenebene und den spezifischen Anforderungen des Projektes abhängt. Allgemein lässt sich sagen, dass das TLS eine sehr hohe Punktdichte und Detailgenauigkeit im kleinskaligen Bereich liefert, während mit UAV-Photogrammetrie großskalige Erhebungen effizienter erfasst werden können. Die Analyse verdeutlicht kritische Schwellenwerte, ab denen der Einsatz von TLS weniger geeignet oder UAV-Photogrammetrie limitiert ist. Abschließend werden Empfehlungen für die optimale Methodenauswahl in Abhängigkeit von Objektgröße, Geländegegebenheiten, Zeitaufwand und Zielgenauigkeit gegeben, um zukünftige Studien in ähnlichen Umgebungen zu optimieren.

Als überregionales Wasserversorgungsunternehmen ist die Harzwasserwerke GmbH im Raum Niedersachsen und Bremen tätig. Wesentliche Aufgaben ergeben sich aus Entstehungsgeschichte des 1926, damals als Westharztalsperren-Verband, gegründeten Unternehmens. Kernaufgaben sind auch heute noch der Hochwasserschutz, die Niedrigwassererhöhung, die Energieversorgung und die Trinkwasseraufbereitung und Fernwasserversorgung.

Zu diesem Zweck sind in den letzten 90 Jahren umfangreiche betriebliche Anlagen geschaffen worden. Zu den größeren Anlagen zählen 6 Talsperren, 7 Wasserwerke, 8 Kraftwerke, 10 Hochbehälter und etwa 520 km Fernwasserleitungen. Hauptbetriebsstandorte sind neben der Unternehmenszentrale in Hildesheim die Standorte der Talsperren im Westharz. Zusätzlich tragen die Harzwasserwerke seit 1991 die Verantwortung für die Oberharzer Wasserwirtschaft und erhalten 65 Teiche und mehr als 70 Kilometer Gräben.

Neben dem reinen Betrieb der Stauanlagen u. a. als Trinkwassertalsperren ist die bauliche Sicherheit dieser Bauwerke ständig zu gewährleisten. Zu diesem Zweck sind regelmäßige Standsicherheitsüberprüfungen notwendig. Das Geomonitoring aber auch konventionelle geodätische Verfahren sind ein wesentlicher Bestandteil dieser Standsicherheitsnachweise.

Für diese regelmäßig durchzuführenden physikalischen und geodätischen Überwachungsmessungen wird bei den Harzwasserwerken ein eigenes automatisches Talsperreninformationssystem (TALIS) bei der Datenerhebung und Auswertung eingesetzt. Unternehmensweit können somit alle für die Talsperrensteuerung notwendigen Parameter zentral und zeitnah überwacht werden.

Durch die auch in diesem Bereich vorhandene ständige Weiterentwicklung der Instrumenten- und Computertechnik wird vom Talsperrenbetreiber eine Verbesserung der Meß- und Auswertetechniken bei den Standsicherheitsüberprüfungen, verbunden mit gleichzeitiger Aufwandsoptimierung, ermöglicht und auch angestrebt.

Derzeit stellen wir das gesamte Umwelt- und Datenmanagement an den Talsperren und Stauanlagen auf ein standardisiertes und zentralisiertes Wasserinformationssystem (WISKI) der Firma KISTERS um.

Die Überwachung untertägiger Hohlräume im Bergbau stellt eine bedeutende Herausforderung dar und spielt eine essentielle Rolle in den verschiedenen Phasen des Bergwerkslebenszyklus – von der aktiven Produktion über die Schließung bis hin zur Nachbergbauphase. Während in der Produktionsphase eine kontinuierliche Überwachung in den Betrieb integrierbar ist, steigt in der Nachbergbauphase zusätzlich die Komplexität. Neben einer möglichen (Teil)flutung als Schließungsstrategie sind insbesondere im Altbergbau oft sichere Zugänge nicht gewährleistet, was die Herausforderungen weiter verstärkt.

Dieser Beitrag erläutert auf Basis des bergbaulichen Lebenszyklus die Herausforderung und stellt mehrere Ansätze zur Überwachung und Erkundung untertägiger Infrastrukturen vor, die aktuelle technologische Entwicklungen und spezifische Herausforderungen in den verschiedenen Bergbauphasen berücksichtigen.

Das Projekt MOdellkopplung im Kontext eines VIrtuellen Untertagelabors und dessen Entwicklungsprozess (MOVIE) zielt darauf ab, ein virtuelles Labor für untertägige Hohlräume zu entwickeln. Durch die Erstellung eines digitalen Zwillings, der historische Daten mit aktuellen Messungen verknüpft, ermöglicht das Projekt eine ganzheitliche Modellkopplung sowie eine verbesserte Analyse von Geologie, Hohlraumgeometrie, Wettertechnik und Geomechanik. Dieses Modell kann als Grundlage für Fragestellungen des Monitorings benutzt werden. Die Kombination aus Laserscantechnik, Datenanalyse und Simulation zeigt hierbei Möglichkeiten für das Monitoring auf.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Projekt Ernst-August-Grubenwassermonitoring (EAGruMo), wo die Erkundung des Wasserlösungsstollens Ernst-August-Stollen im Vordergrund steht. Hierbei werden Herausforderungen bei der Exploration einer teilweise wasserführenden Infrastruktur angegangen, einschließlich der Überwachung von Wasserständen, Fließgeschwindigkeiten und Wasserqualitäten. Der Projektansatz zeigt insbesondere großes Potential im Altbergbau.

Außerdem wird ein Ansatz für die Erkundung von gefluteten Bergwerken vorgestellt, der im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen der RAG Aktiengesellschaft und dem Fraunhofer Institut IOSB-AST entwickelt wurde. Der Einsatz eines tauchenden Erkundungssystems, ausgestattet mit modernen Sensoren, ermöglicht eine detaillierte Analyse der unter Wasser befindlichen Infrastrukturen und trägt zur Bewertung der strukturellen Integrität sowie zur Erkennung potenzieller Risiken bei. Durch die Kombination von autonomen Tauchrobotern und innovativer Datenkommunikation könnte dieses System eine entscheidende Rolle bei der Überwachung und dem Management von gefluteten Bergwerksinfrastrukturen spielen.

Im Querschnitt wird anhand der Herausforderungen und Ansätze ausführlich erläutert, wie mithilfe moderner Technologien innovative Monitoringkonzepte für den Bergbau entwickelt werden können.

Mit Hilfe von verteilter faseroptischer Sensorik (engl.: distributed fiber optic sensing, DFOS) ist es möglich, Bauwerke des Ingenieurbaus und geotechnische Strukturen über viele Jahre zu überwachen. Als Anwendungsbeispiele sind großräumige Verkehrsinfrastrukturen wie Tunnel und Brücken oder Gleisanlagen, aber auch Stützmauern und bewehrte Erdstützkonstruktionen zu nennen. Das Grundprinzip beruht auf der Erfassung linearer Dehnungsänderungen am Messobjekt mittels fest installierter Lichtwellenleiter (LWL). Dazu wird kohärente IR-Strahlung in den Lichtwellenleiter eingekoppelt und die im Lichtwellenleiter zurückgestreuten Signale ausgewertet. Diese geben Auskunft über den Dehnungszustand an jeder Stelle des Kabels. Dehnungsänderungen werden durch Folgemessungen ermittelt. Sensoren auf Basis der stimulierten Brillouin-Streuung besitzen neben einer linearen Ortsauflösung von bis zu 20 cm und Messgenauigkeiten der Dehnung im Bereich weniger Mikrometer vergleichsweise kurze Zeitintervalle von wenigen Minuten – und das über Dutzende von Kilometern.

Ähnlich wie Dehnungsmessstreifen werden Lichtwellenleiter, die selbst als Sensoren bezeichnet werden, in vielen Fällen mit Hilfe von Klebstoffen auf Messobjekte aufgebracht oder beim Bauprozess in diese integriert, um Objektdeformationen direkt auf die Faser zu übertragen. Entscheidend für die Übertragung der Objektdeformationen auf den Lichtwellenleiter ist die physikalische bzw. chemische Verbindung des Lichtwellenleiters mit dem Messobjekt. Konkret bedeutet dies, dass ein wichtiger Einflussparameter für die Dehnungsübertragung der verwendete Klebstoff ist. Anhand eines Laborversuchs soll in diesem Beitrag untersucht und aufgezeigt werden, welche Unterschiede bei der Verwendung verschiedener Klebstoffe in Bezug auf die Dehnungsübertragung bei faseroptischen Sensoren bestehen und wie sich diese auf die verteilte faseroptische Messung mit Brillouin-DFOS auswirken. Mit Hilfe eines experimentellen Aufbaus, der eine isolierte Betrachtung des Einflusses von Klebstoffen auf die Dehnungsübertragung erlauben soll, werden die Unterschiede zwischen Klebstoffen aufgezeigt. Auf diese Weise soll der Frage nachgegangen werden, welche Klebstofftypen sich für die Applikation faseroptischer Sensorik im geodätischen Monitoring eignen. Beispielsweise preiswerte Polyurethan-Klebstoffe aus dem Baumarkt oder hochwertige Industrieklebstoffe auf Acrylatbasis werden verwendet, um Lichtwellenleiter auf einem Prüfkörper aus Stahl zu applizieren und unter definierten Krafteinwirkungen in einer Zug-Druck-Prüfmaschine zu belasten. Ziel ist es, einen weiteren Beitrag zum fach- bzw. sachgerechten Einsatz von verteilter faseroptischer Sensorik beim Monitoring von Bestandsbauwerken zu leisten. Eingereiht ist das Experiment in das Bestreben der HafenCity Universität, die Einsatzmöglichkeiten von DFOS im Hamburger Hafen zu evaluieren sowie die generelle Anwendung von DFOS im geodätischen Monitoring weiter zu fördern bzw. Hürden beim Einsatz abzubauen.