Luftbildvermessung – millimetergenau für Digitalisierung, Projektentwicklung, Kartierung oder Volumenmessung

Die Videographics Ingenieurgesellschaft mbH in Sauerlach ist auf die hochgenaue photogrammetrische Luftbildvermessung spezialisiert. Wir kombinieren die derzeit genaueste Positionserfassungstechnologie mit kalibrierten optischen Systemen (Kameras) und einem Workflow zu maximaler Ergebnisgenauigkeit und Effizienz.

Unser Einsatzbereich erstreckt sich von der Digitalisierung von Gebäuden und Flächen über die Erfassung von Grundlagendaten z.B. für die Projektentwicklung und Bauplanung bis hin zum Abgleich von Bestandsplänen mit der Realität. Dabei ist unsere Methode in vielen Bereichen sowohl der terrestrischen Vermessung, als auch den meisten Drohnen-Vermessungssystemen hinsichtlich Genauigkeit und Kosten deutlich überlegen. Während beispielsweise für die Erstellung eines bestehenden Straßenzugs mühsam eine Vielzahl von Bodenpunkten terrestrisch gemessen werden müssen, um dann am GIS oder CAD die entsprechenden Pläne daraus aufzubauen, kann im prozessierten Orthofoto (-Mosaik) direkt digitalisiert werden. Durch einfache Überlagerung eines Bestandsplan mit der von uns erzeugten Orthoansicht können auf einfachste und effizienteste Weise Pläne überprüft, Abweichungen erkannt und ggf. direkt korrigiert werden.

Abweichung zwischen Plan und Realität können schnell festgestellt werden!

 

Vergleich zwischen Plan und Realität. An diesem Beispiel sticht die Abweichung ins Auge. Der im Plan gezeichnete Eckpunkt weicht über einen Meter von seiner tatsächlichen Position ab!

Ein unschlagbares Verfahren zur volumetrischen Erfassung  wie z.B.  im Tagebau, im Deponiebereich oder bei ahlden und Haufwerken. Da wir keine Passpunkte für die Georeferenzierung benötigen, entfällt eine – manchmal ohnehin unmögliche Begehung –  und aufwändiges Auslegen und Einmessen von Passpunkten grundsätzlich!  Aus den Kameraparametern (Kalibrierdaten) und den Bildaufnahmepositionen werden in der photogrammetrischen Datenprozessierung Punktwolken, 3D- und Oberflächenmodelle etc. erzeugt. Außerdem können mit sehr überschaubarem Aufwand direkt z.B. Höhenschnitte oder ganze Schnittmodelle erzeugt werden. Die Berechnung von Volumen über, oder Fehlvolumen unter einer definierten Ebene bedarf  im Wesentlichen nur eines Mausklicks.

3D-Modell einer Tagebaugrube mit einer absoluten Genauigkeit von besser als 20 Millimeter

 

Digitalisiertes Gitterraster 5×5 m im .dxf Format

 

Durch den Verzicht auf Passpunkte können wir auch hochgenaue photogrammetrische UAV Vermessung im unzugänglichen Gelände oder auch im hochalpinen Bereich durchführen. Dazu verfügen wir auch über entsprechende Systeme, die auch in Höhen von über 2500 m bei entsprechend „dünnerer Luft“ noch sicher arbeiten.

Wie kann höchste Genauigkeit und maximale Effizienz bei der Luftbildvermessung eigentlich funktionieren?

Als ich vor knapp zwei Jahren die Entscheidung getroffen habe in ein KLAUPPK System zu investieren, hatte ich große Erwartungen an die Genauigkeit, die mit Hilfe des lt. Hersteller derzeit besten UAV-GNSS-basierten Vermessungssystems erreicht werden kann. Jetzt, fast 24 Monate nach dem ersten Test, damals bei eisigen Temperaturen auf Schnee, verfügen wir bei der Videographics Ingenieurgesellschaft mbH über eine Expertise und einen Workflow, der gleichermaßen einen Paradigmenwechsel in der Luftbildvermessung darstellt:

Wir haben den bisher bewährten, aber mühsamen Weg der Passpunktreferenzierung sprichwörtlich auf den Kopf gestellt. Anstelle einiger Passpunkte – und „einige“ kann durchaus „zig“ bedeuten – erfasst unser System den Brennpunkt der Kamera im zeitlichen Mittelpunkt jeder Bildaufnahme und generieren so viele 3D-Positionspunkte. „Viele“ bedeutet selbst bei kleinen überschaubaren Projekten „hundert(e)“! Diese 3D-Positionen sind in der Regel auch terrestrischen RTK- Vermessungssystemen hinsichtlich der Genauigkeit überlegen. Das ist aber nur ein, wenn auch essentieller Teil eines Gesamtsystems um maximal genaue Ergebnisse zu liefern, denn für ein funktionierendes Positionserfassungssystems des Kamerabrennpunktes sind folgenden Aspekte wesentlich:

  • Satellitenpositionserfassung – GNSS (Global Navigation Satellite System)

Unser System, KLAUPPK des australischen Vermessungsspezialisten KLAU Geomatics Ltd. basiert auf einem Satelliten-Empfangssystem des kanadischen Marktführers Novatel. Novatel gehört (wie u.a. auch Leica Geosystems) zu Hexagon, einem der größten Konzerne im Bereich der Fernerkundung und Geodäsie. Nach dem Einschalten und der Signalisierung des Satellitenempfangs benötigt das System knapp 5 Minuten um sich sicher zu initialisieren, d.h. qualitativ geeignete Satellitenbeobachtungen mit entsprechender Frequenz zusammen mit der jeweiligen Satellitenzeit (UTC) aufzeichnen zu können. Die präzise Zeiterfassung (Millisekunde) ist für die Synchronisierung aller Daten im Postprocessing entscheidend!

  • Bildaufnahme – präzise Erfassung des Aufnahmezeitpunkts

Die präzise Registrierung des zeitlichen Mittelpunkts jeder Aufnahme ist von größter Bedeutung, da die Drohne in der Regel die Bilder im Flug aufnimmt und sich dadurch während der Belichtung ihre Position verändert. Ein Beispiel zu Verdeutlichung: Bei einer Belichtungszeit von 1/1000 Sekunde (1 ms) und einer Fluggeschwindigkeit von 10 m/sec (36 km/h) verändert das UAV seine Position um 1 cm. D.h. je höher die Genauigkeitsanforderungen, desto exakter muss das Timing erfolgen. Dies funktioniert allerdings ausschließlich mit einer direkten Signalverbindung des mechanischen Verschlusses der Kamera. Entscheidend für diesen Zeitstempel ist die tatsächliche Bildaufnahme und nicht z.B. der Befehl der CPU des UAVs zur Bildaufnahme.

  • Korrektur- / Referenzdatenqualität

Möglichst genaue Korrekturdaten, auch als Referenzdaten oder Basisstationsdaten bekannt, sind von essentieller Bedeutung für eine hochgenaue Positionsbestimmung, denn: Werden nur die Satellitenbeobachtungen während des Einsatzes aufgezeichnet variiert die erreichbare Genauigkeit in der Lage, d.h. in Nord und Ostrichtung im Bereich von mehreren Metern. In der Höhe beträgt die Abweichungen dann schon mal mehr als 10 Meter. Dies bedeutet nun, dass die GNSS Koordinaten die z.B. in den Metadaten der Fotos eines „normalen“ UAVs oder auch im Smartphone hinterlegt sind bzgl. der Lage höchst ungenau sind. Die Flughöhe wird bei Drohnen zumeist in Abhängigkeit der Startposition barometrisch über die Luftdruckveränderung berechnet.

 

GNSS Korrekturwerte – Die Werte zeigen den Korrekturbedarf in Meter, bezogen auf den Antennenfußpunkt

Bei den Korrekturdaten handelt es sich um die Differenzwerte zwischen den tatsächlichen Koordinaten einer ortsfesten Antenne und der, durch die Satellitenbeobachtung berechneten Position in Lage und Höhe. Wenn nun diese Differenzwerte nach dem Flug mit den Daten der Positionsaufzeichnung des Flugs zeitlich synchronisiert werden, erhält man zu jedem Zeitpunkt sehr genaue Standortkoordinaten. Die Genauigkeit der Korrekturdaten spielt ebenso, wie die Qualität der GNSS-Daten aus dem Flug eine entscheidende Rolle. Dabei ist das PPK Verfahren (PPK= Post Processed Kinematic) dem RTK Verfahren (Real Time Kinematic) wiederum deutlich überlegen, denn: Die PPK-Korrekturdaten z.B. im Rahmen des GPPS Dienstes von SAPOS® zur Verfügung gestellt sind 3 mal genauer als die RTK-Echtzeitdaten – die neben einer unterbrechungsfreien LTE-Datenübertragung auch eine entsprechende Beobachtungszeit pro Messpunkt erfordern.

  • Hebelarmkorrektur / Kompensation der Lageänderung des UAV im Flug

Bis hierhin ist nun die exakte Position der PPK-Antennenbasis berechnet, unabhängig davon, wo diese am unbemannten Luftfahrzeug montiert ist. Durch Vermessung und Integration der jeweiligen Abstände zwischen dem Kamerabrennpunkt und der Antenne in X, Y und X-Richtung in die Prozesssoftware, könnte jetzt der genauen Brennpunkt ermittelt werden, zumindest wenn das UAV absolut waagerecht und exakt nach Norden ausgerichtet ist. Da dies im Flug quasi zu keinem Zeitpunkt Realität ist (der Copter regelt seine Fluggeschwindigkeit über unterschiedliche Rotordrehzahlen, die zwangsläufig zu einer Schrägstellung des UAVs führen), müssen nun noch die sich aus der Fluglage ergebenden Veränderungen (Hebelarmkorrektur) in die Positionsberechnung integriert werden.

Nur mit einer genauen Hebelarmkorrektur sind Genauigkeiten im Zentimeterbereich zu schaffen

Dazu werden u.a. die IMU-Daten der Drohne herangezogen und wiederum über die Satellitenzeit synchronisiert! Somit erhält man Genauigkeiten der Brennpunktpositionen, die wir mit einer erreichbaren Genauigkeit von 3 Zentimeter in allen drei Achsen angeben, wohl wissend, dass wir in der Regel deutlich besser sind!

Die Kamera – das optische Messgerät

Mit der Bestimmung des Kamerabrennpunktes, in der Photogrammetrie als die „Äußere Orientierung“ bezeichnet ist allerdings nur die Hälfte der „Miete“ eingefahren. Der zweite wesentliche Aspekt ist die sogenannte “Innere Orientierung“ und bedeutet nichts anderes als die (optischen) Eigenschaften des verwendeten Kamerasystems – denn nicht alle Kameras eignen sich für die Vermessung, oder besser gesagt die meisten Kameras sind ungeeignet.

  • Mechanischer Verschluss – Global Shutter

Grundvoraussetzung einer für die Luftbildvermessung geeigneten Kamera ist das Verschlußsystem. Während die meisten Digitalkameras heute über einen sog. Rolling Shutter verfügen, bei dem der Sensor zeilenweise abgetastet wird, sind für unsere Zwecke ausschließlich Kameras mit einem mechanischen Verschluss (auch als Global Shutter bezeichnet), wie er in Zeiten der analogen Fotografie notwendig war, geeignet. Bei dieser Art Kamera wird die gesamte Sensorfläche gleichzeitig belichtet. Dadurch ist gewährleistet, dass alle Bildpunkte des aufgenommenen Bildes an der gleichen Position des UAV aufgenommen wurden.

  • Festbrennweiten-Objektiv

Für die Nutzung eines Kamerasystems für die Luftbildvermessung ist eine Kalibrierung, d.h. die Ermittlung der optischen Parameter eines Kamerasystems notwendig, damit diese quasi als Messinstrument einsetzbar ist. Dazu sind reproduzierbare, gleichbleibende optische Eigenschaften notwendig. Je weniger mechanische Bauteile und Bewegungen innerhalb dieses Systems vorhanden sind, desto besser. Daher sind z.B. Zoom-Objektive für die von uns angewandte hochgenaue Methodik nicht wirklich geeignet.

  • Fokus- und Speichergeschwindigkeit

Selbst bei hohen Auflösungen (GSD) sind bei entsprechend kurzer Belichtungszeit, die wir aufgrund der Brennpunktgenauigkeit ohnehin anstreben, für Rotordrohnen durchaus relative hohe Fluggeschwindigkeiten möglich. So stehen 10 m/sec bei einer Auflösung von einem Zentimeter nicht im Widerspruch. Allerdings kann, neben der Autofokusgeschwindigkeit (einige Kameratypen lassen sich nicht mit voreingestelltem manuellen Fokus betreiben)  die Geschwindigkeit mit der die jeweiligen Bilder auf die Datenträger (in der Regel SD-Karten) zum limitierenden Faktor für die Fluggeschwindigkeit werden.

Wir freuen uns über Ihre Kontaktaufnahme für Vermessungsanfragen, oder zu unserem KLAUPPK-UAV-Vermessungssystem! Wir sind sicher, auch für Ihre Aufgabe eine solide Lösung zu haben! Rufen Sie uns unter +49 (0)8104 8889810 jederzeit an, oder schicken Sie uns eine Email an info@videographics.de!