Vermessung mit Drohnen – digitale Geodaten aus der Luft

Unbemannte Multicopter-Systeme,  hochauflösende Digitalkameras und  leistungsfähige Computersysteme ermöglichen heute den Einsatz der Luftbildvermessung für unzählige Anwendungen. Der unschlagbare Vorteil dabei ist neben der Genauigkeit die Geschwindigkeit des gesamten Prozesses. Von der Flugvorbereitung bis zur Übergabe der berechneten Daten im kundenspezifischen Format vergehen oft nur ein paar Stunden.

Die Photogrammetrie, eine etablierte, seit vielen Jahrzehnten angewandte Wissenschaft und Ingenieurskunst, gewinnt durch den Einsatz von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs / Drohnen) zunehmend an Bedeutung. Mit hochauflösenden Digitalkameras sind Messgenauigkeiten im Sub-Zentimeterbereich oftmals – State of the Art. Allerdings sind hochgenaue GNSS-Lösungen wie ein RTK (real time kinematic) – System, ggf. mit Echtzeit Korrektur der GPS Daten (z.B. SAPOS), noch immer sehr teuer und tragen, je nach Aufgabe und geforderter Genauigkeit nicht immer zu einem wirtschaftlichen Einsatz dieser sehr jungen Technologie bei. Zudem benötigt das Echtzeitsystem immer einen Funkkontakt von der Basisstation am Boden zum UAV.

Neben dieser aufwändigen High-End-Lösung gibt es gerade für kleinere Projekte aber deutlich günstigere Alternativen, deren Genauigkeit ebenfalls im Bereich der Kamera-Pixelauflösung liegen. Im vergangen Jahr habe ich dazu u.a. mit einem renommierten Ingenieurbüro für Vermessung und Tiefbauplanung einige Versuche durchgeführt.

3D-Modell, Genauigkeit 8 mm

Dazu haben wir unsere Flugplattform, einen Octocopter, mit einer Sony α7R Vollformatkamera, Auflösung 7360 x 4912 Pixel (36,2 MP), und einem Carl Zeiss 35mm Festbrennweitenobjektiv ausgerüstet. Mit Hilfe der von Videographics eingesetzten Photogrammetrie-Software Agisoft PhotoScan PRO, wurde die Kameraoptik im Vorfeld kalibriert. Damit lassen sich entsprechende Fehler aufgrund der Objektivverzeichnung, die bei dieser Optik ohnehin sehr gering ist, korrigieren.

Die Georeferenzierung der Bilder erfolgt nach der Befliegung in der Wegpunktnavigationssoftware (wir nutzen UgCS), über die GNSS-Positionsdaten des Copters im Auslösezeitpunkt der Kamera. Als Überlappungsparameter der Bilder wurde im Vorlauf 80% und seitlich 60% vorgegeben. Zudem wurden bei unserem zentralen Testprojekt, eine Kiesgrube mitten im Hochwald, mehrere Passpunkte (GCPs) in X, Y und Z-Richtung mit Hilfe eines Korrekturdaten Systems (SAPOS) durch das Ingenieurbüro eingemessen.

Ergebnisse:

Das genaueste Ergebnis, bezogen auf die Koordinaten der GCPs, wurde ohne georeferenzierte Luftbilder, ausschließlich durch die Einbindung der GCP-Koordinaten in die Berechnung erzielt. Die Genauigkeit innerhalb des mit den GCPs ausgelegten Bereichs liegt in der Referenz zum Geokoordinatensystem, sowie absolut bei einem Pixel, in diesem Fall bei 8 mm (Flughöhe 70 m AGL).

Eine vergleichbare absolute Genauigkeit des Messergebnisses wird erreicht indem die georeferenzierten Digitalbilder ohne GCPs verwendet werden. Die Lage des Modells in Bezug auf das Geokoordinatensystem hingegen ist doch sehr ungenau. Der Grund dafür liegt an den nicht korrigierten GNSS-Daten, sowie der rein barometrischen Höhenmessung.

Für Vergleichsmessungen beispielsweise der Inventarisierung von Deponien, Tagebau etc. oder zur Erzeugung „isolierter“ Modelle von Gebäuden etc. im Rahmen von BIM (Building Information Modelling) Aktivitäten sind die Daten sehr brauchbar. Zudem lassen sich die Modelle u.a. in viele gängige CAD-Formate wie z.B. *.dwg, *.dxf , etc. exportieren.

Austodesk Export *.dwg / *.dxf

Neben der genauen Untersuchung der Leistungsfähigkeit eines nicht RTK-basierten Drohnen-Kamerasystems habe ich dann auch noch eine Vergleichsberechnung von Bildern eines Phantom 4 Quadrocopters durchgeführt. Aufgrund der reduzierten Sensorauflösung in Kombination mit einem extremen Weitwinkelobjektiv (20 mm bezogen auf Vollformat, real 3,61mm) liegt die Bodenauflösung (Pixelauflösung) bei einer Flughöhe von 70 m (AGL) bei etwa 31 mm. Die absolute Genauigkeit, also z.B. Längen in der Fläche (X/Y) konnte durch kalibrieren der Kamera deutlich reduziert (halbiert) werden. Der Mess- / Modellfehler bewegt sich im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Technik (< 1 %o) jedoch im Bereich von ca.  1 %. Das sieht erst mal nicht wirklich schön aus, dennoch hat der Einsatz dieser kostengünstigen und sehr schnellen Technik seine Berechtigung:

Bei oft wiederkehrenden Vergleichsmessungen, bei denen der Fehler immer gleichgroß ist, sollte das keine allzu große Rolle spielen. Legt man dazu wenigstens drei Passmarken, die einen rechten Winkel bilden, in einem definierten Abstand aus, lässt sich der Fehler immer wieder mit geringstem Zusatzaufwand überprüfen und zugleich dokumentieren. Vor allem wenn die Pixelgenauigkeit von 3-5 cm ausreicht, ist auch das Postprocessing aufgrund der signifikant geringeren Anzahl von Bildern sehr viel schneller! Bei gleicher Flughöhe reduziert sich die Datenmenge auf unter 20%:

Beispiel (Flughöhe 73 Meter AGL):

Auflösung 1,0 cm: 27 Bilder/ha á 36,2 MP: 977 MP/ha (864 MB)
Auflösung 3,0 cm:   9 Bilder/ha á 12,0 MP: 108 MP/ha (40 MB)

Fazit: Mit 36 Megapixel und kalibrierter Kameraoptik lassen sich in jedem Fall sehr genaue Vermessungsergebnisse im Subzentimeterbereich > 5mm/Pix. erzielen. Wenn gefordert, ist auch eine hochgenaue Georeferenzierung mit Hilfe von Passpunkten möglich.

Anwendungsbeispiele:

  • Digitalisierung von Bauwerken (BIM),
  • 3D-Geländemodelle für die genaue Volumenberechnung für Deponien, Kiesgruben etc.
  • Überwachung von Bauobjekten, bei denen der Baufortschritt digital mit den Planungsunterlagen verglichen werden soll.
  • u.v.m.

Mit einem integrierten System aus Quadrocopter und einer 12 Megapixelkamera können digitale, georeferenzierte Bilddaten z.B. mit einer Auflösung im Bereich von 2,5 bis 4 cm kostengünstig erstellt und in sehr kurzer Zeit entsprechend ausgewertet werden. Der zu erwartende Messfehler liegt trotz Kamerakalibrierung im Bereich von ca. 1 %. Bei diesem Fehler handelt es sich um einen, durch die Kameraoptik hervorgerufenen, gleichbleibenden Systemfehler. Daher sind dennoch genaue Berechnungen auch ohne zusätzliche Passpunkte (GCPs) möglich, wobei immer von einer deutlichen Abweichung (im Meterbereich) des erzeugten Modells vom Referenz-Geokoordinatensystem auszugehen ist.

Passmarkenvergleich aus 73 m Flughöhe: links 36 MP-Kamera, rechts 12 MP-Kamera

Anwendungsbeispiele:

  • 3D-Geländemodelle für wiederkehrende Vergleichsmessungen
  • 3D-Geländemodelle zur Abschätzung von Massenbewegungen z.B. bei Baugroßprojekten
  • 3D-Übersichtsmodelle, Baudokumentation
  • u.v.m.

Unsere Vermessungs-Zukunft:

Wir prüfen derzeit die Möglichkeit ein PPK System (post processed kinematic) in unseren Octocopter zu integrieren. Dabei werden neben den GNSS-Daten im Flug auch alle Lage-Parameter des UAV  wie z.B. Gier- und Rollwinkel Millisekundengenau im Auslösezeitpunkt ermittelt. Damit wird der echte Abstand x,y,z zwischen der GNSS-Antenne und dem Brennpunkt der Kamera ermittelt und die Roh-GNSS-Daten korrigiert. Während ein RTK-System immer eine Basisstation mit permanenter Funkverbindung, sowie eine zuverlässige Mobilfunkabdeckung im Feld benötigt, werden beim PPK-System die Korrekturdaten beim Postprocessing, während der Georeferenzierung der Bilder, nachträglich abgerufen. Der absolute Fehler der SAPOS GPPS Korrekturdaten wird mit kleiner als  einem Zentimeter in X und Y sowie kleiner als zwei Zentimeter in der Höhe (Z) angegeben. Unser Technologiepartner verspricht mit seinem PPK-System eine Präzision der Kameraposition von 3 Zentimetern X,Y und Z, sowie einen maximalen, absoluten Modellfehler (Messfehler) von kleiner fünf Zentimeter in allen drei Achsen, ohne dass es dazu eines einzigen Passpunktes (GCP) bedarf.  Wir sind bereits am Testen und schon sehr auf die Ergebnisse gespannt!

Sie haben Fragen? Wir beraten Sie gerne! Bitte nehmen Sie Kontakt mit uns auf oder rufen Sie uns unter +49 (0)8104 8889810 an! Ihr Ansprechpartner Stefan Warislohner freut sich auf Sie!

2018-02-09T10:33:47+00:00 17/01/2018|

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