Straßen vermessen mit 100 Sachen

Forschung Kompakt / 1.4.2013

Wind und Wetter, Reifen und Stahl machen dem deutschen Straßennetz zu schaffen. Doch die Schäden an Asphalt und Beton zu erfassen war bisher umständlich und teuer. Ein neuer Laserscanner macht die Messung jetzt schneller, genauer und günstiger.

Bild: Fahrzeug mit Laserscanner
© Foto LEHMANN + PARTNER GmbH

Ein einzelner Laserscanner genügt, um die Ebenheit einer vier Meter breiten Straße mit einem Laserstrahl zu vermessen.

470 Milliarden Euro sind Deutschlands Straßen wert. In vielen Gemeinden machen die Fahrwege über 60 Prozent des kommunalen Anlagevermögens aus. Doch dieser Wert droht zu verfallen. Viele der Strecken sind über 30 Jahre alt. Witterung und vor allem Verschleiß haben den Asphalt- und Betonbelägen stark zugesetzt. Denn trotz des Bemühens, mehr Verkehr auf Schienen- und Wasserwege zu verlagern, laufen immer noch 65 Prozent des Güter- und 82 Prozent des Personenverkehrs über Straßen. Nicht nur die Berichte über zunehmende Schäden nehmen deshalb zu, auch das Budget zur Erhaltung des Netzes steigt stetig: 2016 soll es ein historisches Hoch von 3,5 Milliarden Euro erreichen.

Doch wie lassen sich der aktuelle Zustand und der Wert einer Straße ermitteln? »Ein wichtiger Faktor ist die Qualität der Oberfläche, genauer gesagt, der Grad ihrer Ebenheit«, erklärt Dr. Alexander Reiterer, Leiter der Forschungsgruppe »Laser Scanning« am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg. Er und sein Team haben den ersten Laserscanner entwickelt, den die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) zur Messung der Straßenebenheit zugelassen hat. Die Technologie, die sich bereits in der Bahnmesstechnik bewährt hat, ist schneller, genauer und kostengünstiger als die bisher angewandte Methode. Ein einzelner hochauflösender Laserscanner genügt, um die Fahrbahnoberfläche auf einer Breite von vier Metern mit einem Laserstrahl abzutasten und zu vermessen.

Nicht größer als ein Schuhkarton

Der Scanner – nicht größer als ein Schuhkarton – ist in drei Metern Höhe am Messfahrzeug befestigt. In dessen Innern rotiert ein achtseitiger Spiegelkörper, der den Laserstrahl quer zur Fahrtrichtung über die Straße lenkt. Ein Öffnungswinkel von 70 Grad genügt, um die komplette Straßenbreite auf vier Metern Breite abzutasten – und dies bei normaler Fahrzeugbreite. Das Signal wird vom Asphalt zurück auf den Scanner reflektiert und trifft dort auf einen speziellen Detektorchip. Aus der Laufzeit des Laserlichts lässt sich dann die Distanz zwischen Scanner und Straßenoberfläche bestimmen. Die Genauigkeit liegt dabei zwischen 0,15 und 0,3 Millimeter. Breite Anbauten am Fahrzeug wie bei herkömmlichen Messapparaturen sind nicht nötig. Es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass Orientierung und Position des Messfahrzeugs bestimmt werden können. Dies geschieht durch den Einsatz des globalen Navigationssatellitensystems GNSS und eines inertialen Messsystems. »Die Messung ist unabhängig von äußeren Lichteinflüssen und kann bei Geschwindigkeiten von bis zu 100 km/h erfolgen«, beschreibt Reiterer die Vorteile.

Erste Praxistests hat der »Pavement Profile Scanner PPS« des IPM bereits bestanden. Deutschlandweit insgesamt 15 000 Kilometer Autobahnen und Bundesstraßen hat man zusammen mit den Straßengutachtern der Firma LEHMANN + PARTNER GmbH seit Sommer letzten Jahres gescannt. Im Frühjahr nehmen die Vermessungsprofis die Start- und Landebahnen des Hamburger Flughafens unter die Lupe. »Für die Zulassung auf der Straße stellte die BASt strenge Kriterien auf: Der Laser sollte nicht nur auf 0,3 Millimeter genau messen, sondern auch augensicher sein. Das heißt, auch wenn man längere Zeit in den Laser blickt, darf dies für die Augen nicht gefährlich sein. Beide Hürden hat die Technologie der Entwicklungspartner problemlos genommen«, berichtet Dr. Dirk Ebersbach, Geschäftsführer von LEHMANN + PARTNER. Das Erfurter Ingenieurbüro erfasst Daten für die Straßeninformationsbanken der Länder und Kommunen und bewertet die Verkehrsinfrastruktur in Deutschland. »Die durchschnittliche Lebensdauer einer Straße beträgt etwa 30 Jahre; die Asphaltdecke kommt meist nur auf zwölf Jahre. Die Erfassung von Unebenheiten oder Verformungen wie zum Beispiel Spurrinnen muss in einem frühen Stadium erfolgen, um durch rechtzeitige Sanierungsmaßnahmen Schädigungen an tiefer liegenden Schichten zu vermeiden«, ergänzt Ebersbach.

In den Laboren am Freiburger IPM verfeinern die Forscher den Laserscanner währenddessen weiter. Sie wollen vor allem an der Messgenauigkeit schrauben: Der Prototyp der neuen Scannerversion misst mit einer Frequenz von 2 Megahertz (MHz); dies entspricht zwei Millionen Messungen pro Sekunde. Das aktuelle Modell kommt noch mit 1 MHz aus. »Zukünftig wollen wir nicht nur die Ebenheit einer Straße untersuchen, sondern auch gezielt kleinste Risse aufspüren. Das beugt Schäden besser vor. Bislang wird das noch mit Kameras gemacht«, schildert Reiterer. Das Untersuchungsobjekt wird den Forschern jedenfalls nicht ausgehen: Das deutsche Straßennetz allein umfasst zirka 626 000 Kilometer. Das entspricht knapp der Distanz von der Erde bis zum Mond und wieder zurück.