Zustandserfassung von Abwasserkanälen - wird die digitale Bildbe- und -verarbeitung Standard bei der Kanal-TV-Inspektion?
09.07.2007
Der Einsatz digitaler Bildbe- und –verarbeitung hält zunehmend Einzug in die optische Zustandserfassung von Kanalisationen. Weiter- und Neuentwicklungen der verschiedensten Inspektionssysteme ermöglichen auf Basis dieser Technik neue Anwendungsgebiete und neben qualitativen zunehmend auch quantitative Aussagen zum Zustand des Kanals. Die mit der Bilddigitalisierung verbundenen Vermessungsfunktionen eröffnen neue Möglichkeiten im Hinblick auf eine zuverlässige und realistische Zustandsprognose und -bewertung. Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse einer Untersuchung an einem Inspektionssystem vorgestellt, welche die konventionelle (Kanalfernsehen) und die digitale Bildaufnahmetechnik kombiniert (sogenannte Hybridkamera).
Darüber hinaus findet die Zustandserfassung auch Anwendung bei der
- Vorbereitung von Sanierungsmaßnahmen
- Abnahme von Sanierungs- und Neubaumaßnahmen nach Abschluss der Arbeiten
- Abnahme von Sanierungsmaßnahmen vor Ablauf der Gewährleistungsfrist
- Beweissicherung
Regel der Technik für die bauliche Zustandserfassung von Abwasserleitungen und -kanälen im Sinne der Mindestforderungen des Gesetzgebers ist die optische Inspektion.
- Kanalfernsehen auf Basis von Videokameratechnik (geregelt im ATV-M 143-2 [2]) [1, 5, 6]
- Kanalfernsehen auf Basis von digitaler Fototechnik [7, 8, 9]
Die RPP®DuoVision-Hybridkamera, nachfolgend Hybridkamera genannt, verfügt im Gegensatz zu herkömmlichen Kanal-TV-Kameras über einen Kamerakopf mit zwei Objektiven. Neben dem üblichen Zoomobjektiv befindet sich dort zusätzlich ein 180°-Fischaugenobjektiv (Abb. 2).
- Das 10-fach-Zoomobjektiv erlaubt die perspektivische Ansicht des Kanals (S-VHS-Videoqualität oder als digitalisierte MPEG-Datei bzw. DIVX) und eine detailscharfe Aufnahme des baulichen Zustands sowie mit Hilfe des optischen Zooms auch den Blick in z.B. Einläufe/Abzweige, Schächte etc. (Abb. 3).
- Das Fischaugenobjektiv liefert mit der Aufklappung (Foldout) eine Übersicht über die gesamte Haltung und ergänzende Informationen zur Kontrolle der perspektivischen Aufnahmen. Zusätzlich kann auf dem Foldout per Mausklick eine Vermessung von Schäden und Objekten (unter Beachtung der nennweitenabhängigen Genauigkeitstoleranzen durch die Bilddigitalisierung) vorgenommen werden (Abb. 4).
Abb. 3 zeigt beispielhaft eine Ansicht des Viewers mit gewähltem Menüfeld "Filme" für die ausschließlich perspektivische Ansicht des Kanals. Diese bietet eine vergrößerte Darstellung (Vollbild) der perspektivischen Innenansicht des Kanals im Menüfeld "Aufklappung" (vgl. Abb. 4).
Die Aktivierung der Schaltfläche "Aufklappung" bietet die ausführlichste Ansicht (Abb. 4). Das Monitorbild zeigt die perspektivische Innenansicht des Kanals (mittig) und die dazugehörige, synchronisierte Aufklappung (unten). Die Aufklappung der kompletten Haltung befindet sich zur Übersicht rechts oben auf dem Bildschirm. Schadens- und Objektvermessungen sind hier ausschließlich auf der ggf. digital vergrößerten, unteren Aufklappung (max. 4-fach digitaler Zoom) möglich.
- Vermessung von Distanzen, Flächen, einragenden Stutzen, Füllstand im Kanal, Verformungen/Ovalisierung nach Bilddigitalisierung des durch das 10-fach-Zoom-Objektiv aufgenommenen Films in perspektivischer Ansicht
- Verformungsmessung nach dem Verfahren der Laser-Triangulation über die Abtastung der Rohrinnenwand mit einem vom Kamerakopf ausgesandten Laserstrahl (vgl. Abb. 1)
- Quer- und Längsneigungsmessung über zwei im Fahrwagen installierte Inklinometer
Die Hybridkamera wird nach Herstellerangaben [10] im Nennweitenbereich von DN/ID 200 bis 1400 bei Kreisquerschnitten und entsprechenden Größenordnungen bei anderen Querschnittsformen wie z.B. Ei-, Maul- oder Rechteckprofilen eingesetzt.
Am 08.09.2005 wurden In-situ-Inspektionen in einer Wohn-/Industriestraße der Stadt Kempten/Allgäu durchgeführt. Dabei wurden mit einer in einem Vorführinspektionsfahrzeug (Abb. 6) installierten Hybridkamera ein Steinzeugkanal DN/ID 500 mit 58,77 m Haltungslänge sowie ein Betonkanal DN/ID 600 mit 59,70 m Haltungslänge inspiziert.
Eine erneute Testbefahrung eines Betonkanals DN/ID 500 mit 57,01 m Haltungslänge fand am 04.05.2006 in Münster durch die Koch + Geist GmbH statt. Diese war zusätzlich notwendig geworden, um nach Behebung eines von S&P festgestellten Fehlers bei der automatischen Muffenspaltvermessung "Muffen-Radialscan" durch die Fa. RICO speziell diese Funktion erneut zu überprüfen.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen waren nicht Gegenstand der Untersuchungen.
In den folgenden Abschnitten werden beispielhaft die Aufnahme einer "Rohrverbindung" mittels "Muffen-Radialscan" sowie die Analysen und Vermessungsfunktionen anhand des Zustandsbildes "Riss" vorgestellt.
Abb. 7 zeigt die Detailaufnahme einer Rohrverbindung in einem Betonkanal DN/ID 500, welche mit der speziellen Hybridkamera-Funktion "Muffen-Radialscan" aufgenommen wurde und im Viewer im Menüfeld "Radialscan" (vgl. a. Abb. 5) als Aufklappung dargestellt wird.
Mit Hilfe der Vermessungsfunktion wurde auf der Aufklappung durch Fadenkreuze eine händische Vermessung durchgeführt. Dadurch sollte die während des "Muffen-Radialscans" erzeugte Muffenstatistik, welche in Abb. 5 dargestellt ist, analysiert werden, um Aufschluss über die Breite der Rohrverbindung bzw. des Fugenspaltes sowie den Zustand der Rohrverbindung im Hinblick auf Schäden, Undichtigkeiten etc. zu erhalten.
Darüber hinaus bedarf der Einsatz der Funktion "Muffen-Radialscan" einer vorherigen Schulung des Geräteführers, da für eine gute Qualität der Rohrverbindungsaufnahmen insbesondere die ggf. manuell abgestimmten Lichtverhältnisse im Kanal maßgeblich sind. Liegen z.B. eine zu große Helligkeit durch Überblendung und/oder reflektierende Oberflächen an der Rohrwand vor, so entstehen infolge dieser Überstrahlung Fehler im digitalisierten Bild, da diese Bereiche als "weiß" erkannt und abgetastet werden. Um diese bei Vorhandensein zu vermeiden, steht dem Geräteführer in der Kanalerfassungssoftware eine Zusatzfunktion zur Festlegung des Scanbereiches vor Aktivierung des Muffenschwenks zur Verfügung.
Abb. 8 zeigt ein Beispiel für das Zustandsbild "Rissbildung" bzw. "Riss" in einem Betonkanal DN/ID 600 (Bildausschnitte aus dem Viewer).
Die Aufklappung (Abb. 8 b) lässt den im Scheitel existierenden Längsriss und die durch diesen ausgetretenen Kalkablagerungen bzw. Versinterungen durch den vorliegenden Farbkontrast sofort erkennen. Ebenfalls sind im rechten Kämpfer bzw. im unteren Drittel der Aufklappung in Abb. 8 b weitere Rissbildungen auszumachen, welche jedoch auf Grund der fehlenden Weißfärbung schwerer zu erkennen sind und folglich auch fälschlicherweise für Kratzspuren gehalten werden könnten. Auf die Risse im linken Kämpferbereich des Kanals wird nachfolgend nicht näher eingegangen.
Die Risslänge kann auf der Aufklappung relativ einfach vermessen werden (Abb. 8 b). Es wurde im vorliegenden Anwendungsfall eine Risslänge von 1505,93 mm gemessen.
Die Messgenauigkeit auf der Aufklappung (s. Abb. 4 unten) ist in erster Linie abhängig vom Auflösungsvermögen der Kamera und der nachfolgenden Bilddigitalisierung durch den Analog-Digital-Wandler (Quantisierungsfehler) [10].
Für die Erzeugung der Aufklappung (Foldout) wird aus dem digitalisierten Bild ein Kreisring abgetastet, dessen Auflösung einstellbar ist und bei der Hybridkamera standardmäßig 512 Pixel über den gesamten Kreisumfang beträgt [10].
Die erreichbare Auflösung (Größe der darstellbaren Bildpunkte – Pixel) über den Umfang der Rohrinnenwand und damit auch im Foldout ist auf Grund dieses Zusammenhangs abhängig von der vorliegenden Rohrnennweite DN/ID (lichter Innendurchmesser). Die Auflösung der Aufklappung errechnet sich zu: (DN/ID × p) / 512 [mm] und nimmt mit steigender Nennweite entsprechend ab. Für DN/ID 500 beträgt die max. mögliche Auflösung (Pixelgröße) beispielsweise 3,07 mm (vgl. Tabelle 1, Spalten 1 und 2) [10].
Spalte 1 | Spalte 2 | Spalte 3 |
---|---|---|
Rohrnennweite DN/ID | Max. mögliche Auflösung (Pixelgröße) bzw. absoluter Messfehler1), wenn Objekt/Schaden < 1 Pixelgröße[mm] | Mindestabmessung Objekt/Schaden2)[mm] |
200 | 1,23 | 6 |
300 | 1,84 | 9 |
400 | 2,45 | 12 |
500 | 3,07 | 15 |
600 | 3,68 | 18 |
700 | 4,30 | 22 |
800 | 4,91 | 25 |
900 | 5,52 | 28 |
1000 | 6,14 | 31 |
1) Absoluter Messfehler: Max. mögliche Auflösung = (DN/ID × p) / 512 [mm] 2) Errechnet durch: Absoluter Messfehler / 0,2; auf ganze Millimeter auf- bzw. abgerundet, wobei 0,2 der zulässige relative Messfehler ist (entspricht 20%) |
Eine Vermessung von sehr geringen Distanzen macht in diesem Bereich folglich keinen Sinn, da der gemessene bzw. mit den Fadenkreuzen abgegriffene Wert u.U. nicht die tatsächlichen Verhältnisse widerspiegelt und dabei sehr große Messtoleranzen bzw. -fehler aufweisen kann.
Dabei wird davon ausgegangen, dass die tatsächliche Breite des Risses an einer ganz bestimmten, genauer betrachteten Stelle im Betonrohr DN/ID 600 2,00 mm beträgt. Die Abmessung eines quadratischen Pixels ist mathematisch zu 3,68 mm x 3,68 mm ermittelt worden (s. Tabelle 1). Nun wird der Fall angenommen, dass sich der dünne Riss auf dem digitalisierten Bild an dieser Stelle genau im Bereich einer Pixelbreite befindet. Durch den ebenfalls vorausgesetzten Schwarz-Weiß-Kontrast (weiß soll der Strich/Riss sein, schwarz der Hintergrund/Rohrwand) wird folglich der Riss über genau eine Pixelbreite mit hellem Kontrast dargestellt und dementsprechend mit 3,68 mm vermessen. In einem zweiten Fall wird die Hypothese aufgestellt, dass sich der Riss genau im Übergangsbereich zweier Pixel befindet, d.h. beide Pixel würden jeweils über die Breite bzw. Höhe mit einem dunkleren Weiß bzw. hellen Grauton entsprechend den Riss abbilden. Jetzt würde man diesen auf 2 x 3,68 mm = 7,36 mm messen. Der absolute Messfehler beträgt bezogen auf eine Pixelbreite also +3,68 mm.
Bezogen auf den tatsächlichen Wert von 2,00 mm bzw. 5,00 mm bedeutet dies einen relativen Messfehler von 3,68 mm/2,00 mm = 1,84 oder 184% bzw. für den 2. Wert 3,68 mm/5 mm = 0,74 oder 74%. Insbesondere aus dem ersten, sehr hohen Wert wird ersichtlich, dass die Genauigkeit der Vermessung bei sehr kleinen Abmessungen zu keinem sinnvollen bzw. akzeptablem Ergebnis führen kann, erst recht nicht, wenn die Breite des Kratzers oder eines Risses noch kleiner ist als oben angenommen.
Demgegenüber stellt die Vermessung von Risslängen im Hinblick auf die Genauigkeit kein Problem dar. Würde der Riss auf der Aufklappung mit einer Länge von 1506 mm vermessen (Abb. 8 b), so würde der relative Messfehler hingegen nur 3,68 mm/1506 mm= 0,0024 oder 0,24% betragen und somit in einem akzeptablen Bereich liegen.
Um hier dem Anwender, insbesondere bei der Rissbreitenbestimmung, eine Hilfestellung zu geben, ab wann die Vermessungsfunktion auf der digitalisierten Aufklappung der Hybridkamera sinnvoll und mit hinreichender Genauigkeit eingesetzt werden kann, wurde von S&P die Spalte 3 in Tabelle 1 erstellt. Bei der Ermittlung der nennweitenabhängigen Mindestobjekt-/Schadensabmessungen wurde davon ausgegangen, dass ein relativer Messfehler von 20% insbesondere zur Rissbreitenvermessung in einem vertretbaren Bereich liegt und demnach zu einem akzeptablen Messergebnis führt.
Die Rissbreite konnte im vorliegenden Anwendungsfall nur auf Basis der durch das 10-fach-Zoomobjektiv aufgenommenen Bilder in der perspektivischen Ansicht auf etwa 1 mm geschätzt werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Hybridkamera erstmals die Stärken einer konventionellen Dreh-/Schwenkkopfkamera mit optischem 10-fach Zoom für die perspektivische Detailansicht in einer hohen Bildqualität und -auflösung mit den Vorteilen der hiervon unabhängigen, digital be- und -verarbeiteten Aufnahmen des Fischaugenobjektivs in Form einer Aufklappung kombiniert.
Die Vorteile der digitalen Bildbe- und –verarbeitung liegen generell darin, dass die digitalen Bildinformationen beliebig verändert ("manipuliert") werden können, im Falle der Aufklappung wird z.B. von einem ursprünglichen 3-D-Bild eine komplette 2-D-Ansicht des Kanals erzeugt, welche zusätzlich über die einzelnen Bildpunkte (Pixel) Vermessungen ermöglicht.
Es zeichnet sich ab, dass die digitale Bildbe- und -verarbeitung bei der Inspektion von Abwasserleitungen und -kanälen nicht mehr aufzuhalten ist und bereits als Standardtechnik angesehen werden kann. Sie spiegelt den generellen Trend der Zeit und den technischen Fortschrittswillen der Hersteller wider. Langfristig werden die "alten" Systeme entweder mit dieser neuen Technik kombiniert, wie im Fall der Hybridkamera geschehen, oder gar komplett durch volldigitale Inspektionssysteme ersetzt werden. Mit welcher Intensität und Geschwindigkeit dieser Entwicklungsprozess Einzug in die Zustandserfassung von Kanalisationen hält, entscheiden der Anwender und sein Interesse bzw. seine Ansprüche an hochwertige und aussagekräftige Inspektionsdaten.
[1] Stein, D.: Instandhaltung von Kanalisationen. 3., überarbeitete und erweiterte Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 1998.
[2] ATV-M 143: Teil 1: Inspektion, Instandsetzung, Sanierung und Erneuerung von Entwässerungskanälen und -leitungen - Grundlagen (12.1989). Teil 2: Inspektion, Instandsetzung, Sanierung und Erneuerung von Abwasserkanälen und -leitungen - Optische Inspektion (04.1999).
[3] DIN EN 13508: Zustandserfassung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden. Teil 1: Allgemeine Anforderungen (02.2004). Teil 2: Kodiersystem für die optische Inspektion (09.2003).
[4] Keding, M.: Zustandsbeurteilung von Entwässerungssystemen nach DWA-M 149. KA - Abwasser, Abfall 52 (2005), Nr. 6, S. 719–724.
[5] Stein, D., Körkemeyer, K.: Entwicklungen bei der TV-Inspektion von Abwasserkanälen. Beitrag zur 36. Essener Tagung vom 26. bis 28. März 2003 in Aachen.
[6] Stein, R.: Trends und Entwicklungen der Zustandserfassung. bi umweltbau (2004), H. 3, S. 64–72.
[7] Hunger, W.: Optische Kanalinspektion mit Panoramo. Beitrag 12. Europäisches Wasser-, Abwasser- und Abfall-Symposium "TV-Inspektion für Betrieb und Instandhaltung (EWA)" am 14. Mai 2002 im Rahmen der IFAT 2002 in München.
[8] Stein, D., Körkemeyer, K., Brauer, A.: Vergleichende Analyse des neuartigen PANORAMO-Inspektionssystems mit den Standardverfahren zur Inspektion von Abwasserleitungen und -kanälen am Beispiel des ARGUS 4-Kamerasystems. Expertise der Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH, Bochum im Auftrag der IBAK Helmut Hunger GmbH & Co. KG, Kiel. Bochum, Mai 2004 (veröffentlicht unter www.unitracc.de, kostenlose Registrierung für Einsicht erforderlich).
[9] Stein, D., Brauer, A., Broziewski, A.: Optische Zustandserfassung von Kanalisationen - volldigital oder analog? KA - Abwasser, Abfall 2005 (52), Nr. 3, S. 259–268.
[10] Firmeninformation RICO Gesellschaft für Mikroelektronik mbH, Kempten.
[11] Hinn, A. K.: Die industrielle Bildauswertung und -verarbeitung im Kanal. In: Rohrleitungen - Für eine sich wandelnde Gesellschaft. Schriftenreihe aus dem Institut für Rohrleitungsbau Oldenburg, Band 30, S. 702-706. Vulkan-Verlag, Essen 2006.
[12] Drosdowski, G.: Das Große Fremdwörterbuch. Dudenverlag, Mannheim 1994.
[13] Stein, D., Stein, R., Brauer, A.: Untersuchung und Beurteilung des Leistungsspektrums sowie der Einsatzbereiche der RPP®DuoVision-Hybridkamera. Expertise der Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH, Bochum im Auftrag der RICO Gesellschaft für Mikroelektronik mbH, Kempten. Bochum, Mai 2006.
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