Einführung in die Höhlenvermessung

Autor: Jochen Hartig, DAV Höhlengruppe Frankfurt/Main


Inhaltsverzeichnis

   1. Höhleneingänge
   2. Messverfahren
   3. Messgeräte
   4. Messzüge
   5. Vermessungsprotokoll
   6. Planskizzen
   7. Höhlenplan
   8. Links


1 Höhleneingänge

1.1 Geografische Koordinaten

Positionen können durch ihre geografischen Koordinaten beschrieben werden. Dabei wird die geografische Länge und Breite in Grad (1° Breite = 111,3 km, 1° Länge bei 50° Breite = 71,7 km) angegeben. Die Länge bezieht sich auf den Nullmeridian in Greenwich (180° W bis 180° E), die Breite auf den Äquator (90° S bis 90° N).

Die Gradangaben sind in Bogenminuten (1’ = 1/60°) und Bogensekunden (1’’ = 1/60’ = 1/3600°) unterteilt. Die Höhe der Position wird in Meter über Meereshöhe (NN) angegeben.

Beispiel: E 8° 44’ 15’’; N 50° 3’ 12"; 110 m

Bei der Vermessung mit GPS wird normalerweise der Ellipsoid WGS84 verwendet. Zur Koordinatenabgabe erfolgen zur einfacheren Verarbeitung als Dezimalzahlen.

Beispiel: E 8,73752°; N 50,05333°; 110 m

[Grafik aus: Harms Physische Geographie, List-Schroedel, 1979, S. 28]

1.2 UTM-Koordinaten

Das Universal-Transverse-Mercator-System (UTM) ist in Zonen von 6° Länge und 8° Breite eingeteilt (siehe UTM-Zonen), denen Hauptmeridiane zugeordnet sind (z. B. UTM 31 = 3° E, UTM 32 = 9° E, UTM 33 = 15° E). Positionen werden mit X- und Y-Koordinaten angegeben. Die Y-Koordinate einer Position ergibt sich aus dem Abstand zum Äquator (in Meter), die X-Koordinate aus dem Abstand zum nächsten Hauptmeridian + 500 km.

Die Zonenbezeichnung werden den Koordinaten vorangestellt. Die Koordinaten werden in Meter angegeben, die Höhe der Position in Meter über NN.

Beispiel: 32U 467250 5570350, 110 m

Das UTM-Koordintensystem wird in Europa ab 2000 verwendet. Eine einfache und exakte Einmessung kann durch ein GPS (Global Positioning System) erzielt werden. Verschiedene Koordinatensysteme lassen sich durch Konvertierungsprogramme umrechnen (siehe SeisSoft Company oder UTM-Conversion).

1.3 Höhlenkataster und Kennzeichnung

Die Organisation der Höhlenkataster und die Kennzeichnung der Höhlen sind regional unterschiedlich geregelt. Normalerweise bekommen die Forscher für neu entdeckte Höhlen eine Katasternummer und eine Plakette zum Anbringen am Eingang. Im Gegenzug werden Höhlenpläne und Dokumentationen ans Kataster übergeben.


2 Messverfahren

Zur Beschreibung von Messzügen sind die Werte für Länge, Azimut (Kompasswinkel) und Neigung notwendig.

2.1 Länge

Die Messung der Länge (l) einer Messstrecke erfolgt normalerweise in Metern (m). Bei Tauchvermessungen kann der Höhenunterschied (dh) der Messstrecke angegeben werden.

2.2 Azimut

Die Angabe des Azimuts bzw. Kompasswinkels (a) kann in Grad (360°) oder in Gon (400g) erfolgen. Bei Vermessungen ist die Deklination, d. h. die Abweichung zwischen geografischem und magnetischem Nordpol am Kompass zu korrigieren bzw. zu dokumentieren und auf die gemessenen Werte zu addieren.

Die Deklination einer bestimmten Region ist auf topografischen Karten ablesbar oder kann durch Berechnungsprogramme bestimmt werden (siehe GeoMagnetic Calculator). In deutschsprachigen Raum ist sie zur Zeit kleiner als 2°.

2.3 Neigung

Die Neigung (n) kann in verschiedenen Vertiken (zenital, horizontal, nadiral) angegeben werden. Dabei liegt der Nullpunkt entsprechend oben, auf der Waagerechten oder unten.

Die Winkelangaben können in Grad (360°) oder in Gon (400g) erfolgen. Neigungsangaben in Prozent (dh/ds) sind eher selten, da sich damit steile Winkel schlecht, senkrechte Winkel überhaupt nicht darstellen lassen.

2.4 Messzüge

Zur Planauswertung werden die Messzüge nach folgenden Formeln in Raumkoordinaten umgerechnet:

dx = l * sin (a) * cos (n)
dy = l * cos (a) * cos (n)
dz = l * sin (n)

l = Länge, a = Azimut, n = Neigung bei horizontaler Vertik

Die Verarbeitung der Messzüge erfolgt mit CaveRenderPro:



3 Messgeräte

3.1 Längenmessung

Maßband

Zur Vermessung von kurzen Messstrecken und Gangquerschnitten eignet sich ein gewöhnliches Maßband (z. B. 30m).

   

Fadenmessgerät

Für längere Strecken bzw. Schächte wird ein Fadenmessgerät oder ein Topofil eingesetzt. Dabei wird ein Bindfaden entlang der Messstrecke ausgezogen. Die Messung erfolgt über eine Rolle mit festem Umfang, um die der Faden dreimal gewickelt wird. Der Faden dient außerdem zur Peilung für Neigungsmesser und Kompass und kann nach der Messung abgerissen werden.

Die Anzeige erfolgt entweder elektronisch über die direkte Ausgabe der Länge (m) seit dem einschalten des Geräts oder mechanisch über einen Start- und Endwert (cm), die beide notiert und später ausgewertet werden.

   

Fehlerquellen

Wegen des Durchhangs des Maßbands bzw. Fadens ist die gemessene Länge einer Messstrecke länger als die wirkliche Entfernung zwischen den Messpunkten. Der Fehler ist vom Durchhang und von der Neigung abhängig. Bei horizontaler Messung entstehen folgende Fehler: 1% Durchhang: 0,3% Fehler, 2%: 0,6%, 5%: 1,6%, 10%: 3,2%, 20%: 6,1%. Der Fehler nimmt ab, je senkrechter die Messung erfolgt. Der Fadendurchhang kann durch leichten Zug minimiert werden. Die Länge des Messgeräts ist bei Messungen von der Unterkante zu berücksichtigen.

3.2 Kompass

Kompass mit Glasstäben als Peileinrichtung

Ober- und unterhalb des Kompass befinden sich Glasstäbe, mit denen die Lichtmarkierung am Zielpunkt angepeilt wird. Dadurch kann der Kompass im Neigungsbereich von +85° bis -85° richtig ausgerichtet werden (siehe Visiersystem für den Kompass).

      

Die Peilung ist abgeschlossen, wenn sich die Reflexion des Lichtpunkts und der Visurstrich in einer Linie befinden. Der Kompass muss bei der Messung waagerecht gehalten werden, damit die Peilung exakt erfolgen kann.

            

[Grafiken aus: V. Weißensteiner, Die Höhle, 4/89, S. 114]

Kompasspeilung am Vermessungsfaden

Der Vermessungsfaden wird zwischen den beiden Messpunkten gespannt. Die Messung erfolgt, indem die Peillinie des waagerecht gehaltenen Kompass mit dem Faden zur Deckung gebracht wird oder ein Hängekompass eingesetzt wird. Bei steilen Peilungen ist diese Methode leider sehr ungenau.

3.3 Neigungsmesser

Neigungsmesser mit Peilung

Die Neigung kann mit einer Peilung zu einer Lichtmarkierung am Messpunkt gemessen werden. Weitere Lichtpunkte in diesem Bereich (z. B. andere Karbidlampen), die die Peilung behindern könnten, sollten entfernt werden.

Bei einer Doppelskala (Grad und Prozent) ist beim Ablesen darauf zu achten, dass die Werte in Grad (linke Skala) abgelesen werden. Diese Werte sind prinzipiell immer kleiner als die Werte in Prozent (rechte Skala). Als Lichtquelle zum Ablesen der Messgeräte kann das an der Hand reflektierte Licht der Karbidlampe dienen.

      

Neigungsmessung am Vermessungsfaden

Die Peilung erfolgt durch anhalten des Vermessungsfadens an eine Winkelskala (Geodreieck). Mittels Lot oder Wasserwaage wird die Skala senkrecht ausgerichtet.

   

Fehlerquellen

Der Fehler bei 1° Messungenauigkeit (Neigung und Azimut) beträgt bei horizontalen Messungen 2,4% der Messstrecke und geht bei senkrechten Messungen auf 1,7% zurück.

3.4 Kombigeräte

Topofil mit Laserpointer

Mit einem Laserpointer, der vertikal drehbar an einem Topofil befestigt ist, können auch bei steilen Peilungen exakte Kompasswinkel abgelesen werden.

   

[Grafik aus: On Station, George Dasher, NSS 1994, S. 19]

DistoX und PocketTopo

Mit dem Einsatz des DistoX können in einem Arbeitsschritt Länge, Azimut und Neigung elektronisch gemessen werden. Die Messwerte können per Bluetooth an einen PDA übertragen werden. Mit dem Programm PocketTopo können die Messzüge dargestellt und die Höhle in Grundriss und Längsschnitt skizziert werden.


4 Messzüge

4.1 Messpunktauswahl

Die Auswahl der Messpunkte ist maßgebend für die spätere Zeichnung. Normalerweise werden markante Steine, Zacken oder Seilaufhängungen gewählt. Weniger auffällige Messpunkte, sollten mit roter Farbe, Nagellack oder Ruß markiert werden. Bei kleinen Gängen genügt es den Gangquerschnitt anzugeben, in breiten Gängen arbeitet man mit Zickzack- oder Stichvermessungen. Hallen werden von einem zentralen Punkt oder entlang der Wand vermessen.

   

[Grafik aus: On Station, George Dasher, NSS 1994, S. 45]

4.2 Messpunktnummerierung

Messzüge bestehen aus einem Referenz- und einem Messpunkt. Als Bezeichnung für Messpunkte werden Höhlen-, Gang- und Punktnummer angegeben (z. B. 5/10/12). Alphanumerische Bezeichnungen der Messpunkte (z. B. XY12 oder A’) können zwar bei der computergestützten Messlinienverarbeitung eingesetzt werden, sind aber wegen der beleibig wählbaren Bezeichnungen unübersichtlich.

Innerhalb einer Höhle bzw. eines Höhlenteils bleibt die Höhlennummer fest. Die Gangnummern bezeichnen jeweils neue Gänge bzw. Vermessungstouren. Die Punktnummern werden innerhalb der Gänge fortlaufend durchnummeriert.

Der Startpunkt einer Vermessung heißt Koordinatenreferenz (5/0/0) und besitzt nur eine Messpunktbezeichnung. Die Punktnummer an Koordinatenreferenzen ist normalerweise 0, Rechts-, Hoch- und Höhenwerte legen die Koordinaten des Punkts fest. Rückwärtsvermessungen starten an variablen Referenzen (10/0/0) und werden an einen bestehenden Messpunkt angeschlossen (5/10/2)

4.3 Messlinien

Messlinien sind immer vom Startpunkt der Vermessung (Koordinatenreferenz) weg gerichtet.

An Gangabzweigungen (Referenz ist hier ein bestehender Messpunkt) beginnt ein neuer Gang mit eigener Nummer. Die Punktnummer startet wieder mit 1. Der letzte Messzug bzw. ein Ringschluss beenden einen Gang. Gänge dürfen sich, wegen des durchzuführenden Ringschlussausgleichs, nicht überschneiden.


5 Vermessungsprotokoll

Die Vorlage des Vermessungsprotokolls (Winword-Dokument) kann mit einem Laserdrucker doppelseitig auf wasserfestes Papier (z. B. Syntosil-Papier) gedruckt werden. Für die Beschriftung haben sich 0,5mm Minen-Bleistifte bewährt.

   

[Foto: Walther Appelt]


DAV Höhlengruppe Frankfurt/Main

Höhle: Loferer Schacht Datum: 19.09.1994 Seite: 1
Messgerät: Standard (360°) Zeichnung: Jochen Hartig

Höhle

Gang

Punkt

Länge

Azimut

Neigung

L

R

O

U

Material

5 10 7 13,00 110 0 0,35 0,00 1,00 1,00 1 AN, C80
    8 19,00 50 -75 1,50 0,50 1,00 1,50  
    9 8,80 30 -85 2,50 1,35 0,00 1,50 1 P
    10 13,20 50 -55 2,10 0,60 0,50 2,00  
    11 8,00 40 -65 0,60 0,50 0,00 2,00 1 AN
    12 8,00 85 -40 2,70 1,80 1,00 1,25 1 AN

Beispiel für ein ausgefülltes Vermessungsprotokoll.

5.1 Protokollkopf

Für die Einordnung der Protokolle wird der Name der Höhle, das Vermessungsdatum, die Seitennummer, der Name des Zeichners (zur späteren Reinzeichnung) und das Vermessungsgerät (mit Winkelsystem) angegeben.

5.2 Vermessungsdaten

Höhle, Gang und Punkt

Die Höhlennummer bleibt innerhalb eine Höhle normalerweise fest. Verschiedene Höhlen und Außenvermessungen bekommen jeweils andere Höhlennummern.

Unterschiedliche Gangnummern trennen die verschiedenen Gänge. Beginnt ein neuer Gang wird der Referenzpunkt (ein bestehender Messpunkt) mit Höhlen-, Gang- und Punktnummer angegeben. Diese Zeile wird im Vermessungsprotokoll mit „R" markiert.

Jeder Messzug wird mit einer Zeile dargestellt. Die Punktnummer beginnt bei jedem Gang mit 1 und wird fortlaufend nummeriert. Verbindungen bzw. Ringschlüsse werden mit „V" markiert.

Die Höhlennummer, die nächsten freien Gangnummern und die letzten Messlinien werden vor einer Vermessungstour festgelegt (z. B. Höhle 5, Hauptgänge 10, 20, 30, ..., Abzweigungen 21, 22, 23, ..., letzte Messpunkte 5/8/10, 5/1/45, ...).

Länge, Azimut und Neigung

Bei einer Vermessung werden immer die Werte notiert, die entsprechend dem Vermessungsgerät gemessen wurden. Umrechnung, Differenzen und Korrekturen werden, um Fehler zu vermeiden, erst später durchgeführt. Die Vermessung erfolgt normalerweise vom Startpunkt weg. Vermessungen in Richtung Startpunkt bzw. Ausgang werden mit „A" markiert.

Links, Rechts, Oben, Unten

Die Messung von Gangquerschnitten wird am Messpunkt senkrecht zur Messlinie durchgeführt. Dabei werden die Wandabstände nach links, rechts, oben und unten gemessen. In Schrägschächten ergibt sich der Wert für oben aus der Entfernung zur gegenüberliegenden Wand. Bei senkrechten Messungen wird der Azimut als Richtung für den Obenwert angegeben, links, rechts, oben und unten beschreiben dann den Schachtquerschnitt.

Die 3D-Darstellung erfolgt mit CaveRenderPro:

 

Material

Die Aufzeichnung des verwendeten Materials (Spits und natürliche Sicherungen, jeweils mit dem Abstand zum Messpunkt, Seillänge und Seilnummer) ist für die spätere Materialplanung sehr wichtig.



Sicherungen P Petzl-Spit
  P -5m Petzl-Spit 5m unter dem Messpunkt
  H Hilti-Anker
  AN Natürliche Sicherung
Seile C <L> [<Nr.>] Seil
  C 100 [28a] 100m-Seil Nr. 28a
  C 50 [13] -10m 50m-Seil Nr. 13 beginnt 10m unter dem Messpunkt


6 Planskizzen

6.1 Höhlensignaturen

Die Signaturen für die Höhlenkartografie sind international weitgehend genormt, einheitliche Notationen wurden von der UIS festgelegt (siehe Cave Symbols - The official UIS list).

Die hier verwendeten Signaturen sind eine Aufstellung von sinnvollen Symbolen und wurden aus verschiedenen Veröffentlichungen übernommen. Sie sind teilweise verändert worden, haben sich aber im praktischen Einsatz bewährt.



Die Darstellung von Symbolen ist stark von der Generalisierung abhängig. Der Maßstab für die oben aufgeführten Signaturen sollte bei 1:250 liegen.

[Grafik aus: E. Hermann, Darstellung von Schächten, Die Höhle, 4/89, S. 105]

6.2 Grundriss

Die Pläne sollten schon vor Ort mindestens im endgültigen Maßstab (z. B. 1:250, 4 mm = 1 m) oder größer festgehalten werden. Breiten, Wandabstände und Richtungen sollten möglichst oft gemessen und dargestellt werden. Messpunkte mit Bezeichnung, Störungen und Profilschnitte werden selbstverständlich eingezeichnet. Stufen in Schrägschächten und sich überlagernde Gänge werden getrennt gezeichnet.

6.3 Längsschnitt

Zu jedem Höhlenteil muss der Längsschnitt skizziert werden (z. B. 1:1000, 1 cm = 10 m). Die Messzüge werden dabei normalerweise parallel zur Planebene dargestellt. Es werden Messpunkte mit Bezeichnung, Querschnitte und Seilaufhängungen eingezeichnet. In Schächten sollte der Abstand vom Schachtbeginn zu Schachtstufen festgehalten werden.

6.4 Profile

Profile an markanten Stellen werden im Maßstab des Grundriss (z. B. 1:250) gezeichnet. Im Grundriss wird die Profillinie, im Profil der Messzug dargestellt. Profile werden normalerweise höhleneinwärts abgebildet. Profile in Richtung Ausgang werden mit „A" markiert.



7 Höhlenplan

7.1 Genauigkeit

Eine Möglichkeit, für eine Abstufung einer Genauigkeit eines Höhlenplanes, ist der von der "British Cave Research Association" eingeführte und nach ihr benannte "BCRA-Grad".

Der BCRA-Grad gliedert sich in zwei Teile: die Angabe zu Lage und Verlauf der Gänge ist 7-fach unterteilt, die Angabe zur Aufnahme der Raumdaten gliedert sich 4-fach.

Durch die Kombination der beiden Angaben lässt sich die Genauigkeit einer Vermessung und damit auch der Informationswert eines Planes in relativ einfacher Weise exakt definieren. Die BCRA empfiehlt, dass Vermessungen vorzugsweise in den BCRA-Graden 1/2 - A/B, 3C oder 5/6/XD durchgeführt werden sollten

Mit den oben beschriebenen Messverfahren und -geräten lässt sich ohne weiteres ein BCRA-Grad von 4C erreichen.

Angabe zu Lage und Verlauf der Gänge

Grad 1 Eine Skizze, die ohne jegliche Vermessung erstellt wird.
Grad 2 Eine Skizze, die ohne Kompass und Neigungsmesser, jedoch mit ungefährer Messung der Längenstreckung erstellt wird.
Grad 3 Eine grobe Kompassvermessung, Horizontal- und Vertikalwinkel werden auf +/- 50 cm genau vermessen. Fehler bezüglich der Lage eines Messpunktes sind geringer als 50cm.
Grad 4 Wird verwendet, wenn wie Grad 5 vermessen wird, jedoch in einem Teilbereich aufgrund ungünstiger Bedingungen nicht alle Kriterien von Grad 5 erfüllt werden können.
Grad 5 Eine Kompassvermessung, Horizontal- und Vertikalwinkel werden auf +/- 1° genau, Entfernungen auf +/- 10cm genau vermessen. Fehler bezüglich der Lage eines Messpunktes sind geringer als 10cm.
Grad 6 Eine Kompassvermessung mit maximaler Genauigkeit. Horizontal- und Vertikalwinkel werden auf +/- 0,5° genau, Entfernungen auf +/- 2,5cm genau gemessen. Fehler bezüglich der Lage eines Messpunktes sind geringer als 2,5cm.
Grad X Eine Vermessung unter Verwendung eines Theodoliten anstelle eines Kompasses, die mit Grad 4,5 oder 6 vergleichbar ist.

Angaben zur Aufnahme der Raumdaten

Stufe A Die Raumbegrenzungen werden nach dem Gedächtnis skizziert.
Stufe B Die Raumbegrenzungen werden vor Ort nach Anschauung skizziert.
Stufe C Die Raumbegrenzungen werden bei den Messpunkten eingemessen, dazwischenliegende Partien skizziert.
Stufe D Die Raumbegrenzungen werden bei den Messpunkten und an allen weiteren Stellen mit wichtigen Details des Wandverlaufs eingemessen

Anmerkung

Die Tabelle ist eine Zusammenfassung der BCRA-Richtlinien. Die genauen Ausführungen finden sich in Ellis B.M. (Surveying Caves, British Cave Research Association, Bridgewater 1976). Die Definitionen sollten nicht generell wortwörtlich, sondern sinngemäß aufgefasst werden.

Der Begriff "Genauigkeit" bezieht sich auf jeden Messpunkt, auf den Absolutwert der Natur, nicht auf die Genauigkeit der Daten zueinander.

Für Grad 5 oder 6 ist es nötig, speziell für die Vermessungstechnik konstruierte Geräte zu verwenden. Wanderkompass, Handwerker-Neigungsmesser usw. sind unzureichend.

Die Tabelle darf ohne diese Anmerkung nicht abgedruckt werden.

[Text aus: Gut Schluf, Heft 25, Mitteilungsblatt des DAV Bamberg]

7.2 Zeichnung

Das Zeichnen der Höhlenpläne erfolgt nicht mehr nach Alter-Väter-Sitte mit Tusche, sondern mit CaveRenderPro:

 

Auf dem endgültigen Höhlenplan wird für Grundriss, Längsschnitt und Profile jeweils ein Maßstabsbalken dargestellt. Die Angabe des Maßstabs ist nicht wünschenswert, da er durch Verkleinerung des Plans nicht mehr stimmt. Der Grundriss wird außerdem mit einem Nordpfeil versehen. Sich überlagernde Höhlenteile können nebeneinander gezeichnet werden.

Der Plan wird mit Höhlenname, Katasternummer, Eingangskoordinaten, Länge, Tiefe, Ausdehnung, Datum, BCRA-Grad, Vermesser- und Zeichnernamen überschrieben.

Beispiel für einen fertigen Höhlenplan.


8 Links

   CaveRenderPro
   DistoX und PocketTopo
   Cave Symbols - The official UIS list
   Toporobot - Systematische Vermessungg
   Andreas Neumann - Kartographie und Visualisierung von Karst- und HöhlensystemenAndreas Neumann - Kartographie und Visualisierung von Karst- und Höhlensystemen
   Detlef Teichmann - Computergestützte, kartographische 3D-Visualisierung komplexer Höhlensysteme
   GPS Info-Seitee
   UTM-ZonenUTM-Zonen
   GeoMagnetic Calculator