Theodolit

Die Landesvermessung ist das Hauptanwendungsgebiet für Theodolite. Für diese Praxis wurden im Verlauf der Zeit viele Geräte entwickelt, die in folgenden Abschnitten näher erläutert sind.

In der Seefahrt wurden zur Navigation bereits früh Hilfsmittel wie der Jakobsstab genutzt, um die Schiffsposition zu ermitteln. Bereits im Jahr 1700 wurde von Isaac Newton der Entwurf eines Sextanten als besseres Hilfsmittel für die Astronavigation vorgestellt. Sextanten sind eine spezielle für die Seefahrt optimierte Form von Theodoliten, die bis in die 1980er-Jahre verbreitet im Einsatz waren. Seitdem es Satellitennavigation gibt, sind diese Geräte im Wesentlichen als Reservegerät für die Navigation auf Schiffen zu finden.

Im Bergbau werden Tachymeter als Sonderform von Theodoliten von Markscheidern genutzt. Grubenfelder werden sowohl auf der Oberfläche als auch unter Tage vermessen. Die Ingenieurgeodäsie im Bergbau wird auch Markscheiderwesen genannt.

Bundeswehr Richtkreis Zeiss Rk 76 A1 - 1970er Jahre

Die Landesvermessung für militärische Belange wurde von sogenannten Ingenieurgeographen besorgt. Für die militärische Kartographie wurden weitgehend die gleichen Geräte wie bei der zivilen Landesvermessung genutzt.
Bei der Marine werden neben der zur Seefahrt genannten Sextanten auch Peilkompasse zur Richtungsbestimmung für verschiedene Aufgaben eingesetzt.
Vorgeschobene Beobachter nutzen spezielle Geräte für die Aufklärung und Feindbeobachtung zur Positionsbestimmung um die Feuerleitung mit brauchbaren Angaben zu versorgen. Dies reicht von einfachen Geräten wie Sitometern, artilleristischen Richtkreisgeräten bis zu Theodoliten aus der Landvermessung.
Die Artillerie beim Militär benutzt spezielle Richtkreisgeräte (englisch aiming circles), um die jeweiligen Waffen ausrichten zu können. Diese Geräte sind mit Theodoliten eng verwandt, müssen aber den Anforderungen für den jeweiligen militärischen Einsatz gerecht werden. Für Geschütze wurden Geräte zum optischen Richten relativ robust gestaltet, um trotz des harten Einsatzes und der Erschütterungen von Granatwerfern, Kanonen und anderen Schusswaffen ihre Genauigkeit zu gewährleisten. Moderne Feuerleitanlagen sind meist von den Waffen entkoppelt.

Durch Drehen und Kippen des Messfernrohres misst der Theodolit horizontale Richtungen (Drehung um seine vertikale Stehachse) und Vertikalwinkel (Drehung um die horizontale Kippachse). Die Winkel werden meist in Gon ausgegeben, bei älteren Instrumenten auch in Grad (360° = 400 Gon). Zu jeder Drehachse gehören eine Klemmung und eine Feinbewegung.

Manche Geräte geben statt des Zenitwinkels die Steigung in Prozent an. Bei der Artillerie wird ein Theodolit Richtkreis genannt und ist statt in 400 Gon in 6400 Strich geteilt.

Vorläufer der Theodolite waren die Dioptra (Antike), der Azimutalquadrant (um 1500) und die Kippregel. Genaue Universalinstrumente wurden ab 1850 für Triangulation und Astronomie gebaut. Beim Repetitionstheodolit ließ sich durch Addition von Winkeln die Messgenauigkeit erhöhen. Tachymeter erlaubten die Entfernungsmessung an Kurven im Gesichtsfeld – was heute mit Laser und Elektronik erfolgt.

Schematischer Aufbau:
(S) Vertikalachse (Stehachse)
(K) horizontale Kippachse
(Z) Zielachse
(1) Horizontalkreis
(2) zwei Stützen
(3) Fernrohr
(4) Kreisablesung
(5) Vertikalkreis

Erstmals hat dies der italienische Ingenieur Ignazio Porro um 1860 durch den Einbau einer Sammellinse zwischen Objektiv und Fadenkreuz erreicht. Sie wird heute in der Regel auch als Fokussierlinse verwendet, wodurch statt des früheren Okularauszugs die Innenfokussierung und ein völlig geschlossenes, staubdichtes Fernrohr möglich wird.

Unter den optischen Systemen überwog bis in die 1960er-Jahre das astronomische Fernrohr, dessen umgekehrtes Bild allerdings für unerfahrene Beobachter störend war. Mit einem am Okular aufgesteckten Umlenkprisma erhielt man ein aufrechtes, aber seitenverkehrtes Bild. Statt der Porrolinse (die mit der Augenlinse ein Huygens-Okular bildet) diente eine Fokussierlinse als Umkehrsystem und machte das astronomische zu einem terrestrischen Fernrohr. Diese Bauart wurde seit den Konstruktionen Heinrich Wilds zur häufigsten.

Für Sonderzwecke (Militär, Satellitenteleskope) werden auch Umkehrprismen wie beim Feldstecher eingebaut. Die Astronomie arbeitet auch mit gebrochenen Fernrohren, die seitlich an der Kippachse montiert sind und bis in den Zenit schwenkbar sind.

Der Theodolitunterbau oder Limbus enthält den Horizontalkreis (1) und die Vertikalachse (Stehachse) (S). Er trägt die Alhidade (arab.), den Oberbau bestehend aus zwei Stützen (2), der horizontalen Kippachse (K), dem Fernrohr (3), der Kreisablesung (4) und dem Vertikalkreis (5). Das Fernrohr hat ein Strichkreuz (Strichplatte im Okular), durch welches die Zielachse (Z) definiert ist, und eine Innenlinse zum Fokussieren (Scharfstellen).

Der Unterbau sitzt auf der Grundplatte, welche am Stativ aufgesetzt und mit drei Fußschrauben und Libelle horizontiert wird. Die Zentrierung über dem Messpunkt erfolgt durch Verschieben des Instruments am waagrechten Stativteller, anschließend wird die Herzschraube des Stativs von unten her fest angezogen.

Je nach Messgenauigkeit und Einsatzzweck wird unterschieden zwischen

Dem Theodolit ähnlich gebaut sind auch manche Passageninstrumente und Sondergeräte für Militär- und Satellitengeodäsie (z. B. das Moonwatch-Apogee oder die früheren Kinetheodolite).

Instrumentenfehler (feinmechanisch) lassen sich durch

• Messungen in zwei Fernrohrlagen und Mittelwertbildung eliminieren,
• wiederholtes Messen mit verschiedenen Teilkreisstellungen minimieren,
• nachträgliche Reduktion rechnerisch eliminieren oder im Einfluss reduzieren und/oder
• hohe optisch-mechanische Präzision (mindestens 1 µm) im Einfluss minimieren.

Weitere kleine Einflüsse wie thermische Effekte oder mechanische Restspannungen im Theodolitaufbau bleiben i.a. unter 1″ und sind damit vernachlässigbar.

Nicht gänzlich eliminierbar ist hingegen der Stehachsfehler. Er liegt vor, wenn die Stehachse nicht parallel zur Richtung der Schwerkraft liegt. Dann ist die Horizontierung fehlerhaft. Ein Grund dafür kann eine Dejustage der zur Horizontierung genutzten Instrumente sein. Der Stehachsfehler ist ein Bedienungs- oder Aufstellfehler. Eine verbleibende Restneigung der Stehachse zur Lotrichtung kann durch einen zweiachsigen Neigungssensor bei modernen Tachymetern intern gemessen und automatisch in die Messergebnisse eingebracht werden.

Die Stehachse ist rechtwinklig zu den Libellenachsen beziehungsweise zu mehreren Messrichtungen. Die Zielachse ist rechtwinklig zur Kippachse. Die Kippachse ist rechtwinklig zur Stehachse. Alle drei Achsen schneiden sich idealerweise in einem Punkt.

Mit einem Theodolit können folgende Messgrößen beobachtet werden:

• Horizontalwinkel – als Differenz der Richtungsbeobachtungen zu zwei Zielen,
• Vertikalwinkel: meist als Zenitdistanz (vom Zenit zum Messpunkt), seltener als Höhenwinkel über dem Horizont
• Winkeldifferenzen: zur Entfernungsmessung mit den zwei Distanzfäden (Reichenbachfäden) oder mit Reduktionstachymetern
• Messung mit beweglichem Fadennetz: nur bei speziellen Theodoliten für die Astrogeodäsie, siehe unpersönliches Mikrometer.
• Elektronische Distanzmessung: fast alle modernen Theodolite und Tachymeter sind zusätzlich mit einem Laserentfernungsmesser ausgestattet.

Vor den Messungen ist das Instrument auf dem Stativ genau zu horizontieren und meistens zentrisch über einem Bodenpunkt (Vermessungs- oder Messpunkt) aufzustellen. Die Horizontierung mit der Alhidaden-Libelle bewirkt, dass die Stehachse des Instrumentes mit der Lotrichtung zusammenfällt.

1. Zentrierung und Horizontierung werden gleichzeitig nach einem besonderen, schematisierten Vorgehen durchgeführt: entweder mit einem Senklot, das in die Rändelschraube (Herzschraube) des Stativtellers eingehängt wird, oder ein im Dreifuß oder Theodolit integriertes optisches Lot.
2. Nun werden mit dem dreh- und kippbaren Messfernrohr (Fernrohr mit Fadenkreuz – heute: Strichkreuz) nacheinander alle einzumessenden Punkte anvisiert -- als erstes meist die Polygonpunkte, anschließend alle Detailpunkte.
3. Nach jeder Zielung wird die Richtung am Teilkreis (im Theodolit feststehende Winkelskala) abgelesen, bei zusätzlicher Höhenmessung auch der Zenitwinkel. Klassische Theodolite haben hierfür ein Ablesemikroskop, in das beide Winkelstellungen eingespiegelt werden.
4. Bei elektronischen Theodoliten und Tachymetern werden die Teilkreise durch Inkremental- oder Absolutwertgeber automatisch abgetastet, die Winkelwerte durch A/D-Wandler in Ziffern umgewandelt, angezeigt und gespeichert.

Durchlichtverfahren

Auflichtverfahren

Die Vorteile der automatischen Teilkreisablesung bestehen darin, dass die Messung um 20–50 % rascher wird, weniger ermüdet und persönliche Ablesefehler entfallen; auch Irrtümer bei der Datenerfassung werden seltener. Doch ist auf exakte Codierung der Messpunkte zu achten, damit später die digitale Weiterverarbeitung reibungslos ablaufen kann.

Zur automatischen Erfassung wird der Teilkreis codiert und mit unterschiedlichen Techniken abgetastet (optoelektronisch, elektrisch, magnetisch). Die magneto-elektronische Abtastung ist auch als Inductosyn bekannt. Elektrische Abtastungen sind heute technisch veraltet. Weit verbreitet sind hingegen optisch-elektronische Abtastverfahren, bei denen zwischen Durchlicht- und Auflichttechnik unterschieden wird.

Beim Durchlichtverfahren wird mittels Schwärzung codiert, wodurch lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche entstehen. Die Codierung wird von einer Seite beleuchtet, auf der anderen Seite sitzt eine Fotodiode als Empfänger. Beim Auflichtverfahren sind Sender und Empfänger auf der gleichen Seite angeordnet. Da der Teilkreis unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweist, müssen verschieden starke Lichtstrahlen registrierbar sein. Die Codierscheiben werden üblicherweise mit einem Gray-Code versehen.

Der Winkel zwischen zwei Zielpunkten bezüglich des Instrumentenstandpunkts errechnet sich nun aus der Differenz der zwei gemessenen Richtungen.

Während sich die Ablesungen am Vertikalkreis auf den Zenit bzw. Horizont beziehen, kann die Messung der Horizontalwinkel verschiedene Bezugsrichtungen haben:

• die Richtung zu einem beliebigen Zielpunkt (z. B. der nächstgelegene Polygonpunkt oder ein gut sichtbares Fernziel)
• die Richtung zu einem amtlichen Festpunkt, dessen Koordinaten bekannt sind: ein Trigonometrischer Punkt (TP), ein Aufnahmepunkt (AP) oder ein Einschaltpunkt (EP). Es kann dann aufs geodätische Koordinatensystem (Gitternord) orientiert werden
• Orientierte Richtung: nach magnetisch, geografisch- oder Gitter-Nord. Bei ersteren ist eine Korrektur anzubringen, bei Gitternord werden aus allen gemessenen Richtungen geodätisch korrekte Richtungswinkel.

Die Bezugsrichtung der Vertikalwinkel ist bei korrekter Horizontierung die Lotrichtung und muss daher i. d. R. nicht korrigiert werden. Ausnahmen sind schlecht kalibrierte Instrumente (Horizontschräge) und in Spezialfällen die Lotabweichung. Bei horizontal ausgerichtetem Messfernrohr beträgt der Zenitwinkel genau 100 Gon (90°), was auch Nivellierblick genannt wird.

Zur Fehlereliminierung werden die Ziele in einem Satz gemessen (manchmal auch in Halbsätzen). Ein Satz besteht dabei aus zwei Messreihen (2 Halbsätzen), wobei für die zweite Messreihe das Fernrohr durchgeschlagen (um die Kippachse zur anderen Geräteseite gedreht), der Oberbau um 200 Gon (180°) gedreht wird und die Ziele erneut anvisiert werden. Dadurch erfolgen die Ablesungen der Zielrichtungen an diametral gegenüberliegenden Stellen auf dem Horizontalkreis und an korrespondierenden Stellen auf dem Vertikalkreis. Die Einflüsse des Ziel-, Kippachs- und Höhenindexfehlers haben in beiden Fernrohrlagen den gleichen Betrag, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen. Bei der Mittelbildung der Horizontalrichtung und der Zenitwinkel aus beiden Fernrohrlagen erhält man so Beobachtungen, die frei von den Einflüssen der Achsfehler sind. Die Genauigkeit liegt dadurch bei 0,01 mgon bis 1 cgon Standardabweichung.[3]