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Einsatz von Drohnen im Vermessungswesen

Drohnen werden immer häufiger für die Vermessung von Straßen, Neubaugebieten oder auch im Tagebau eingesetzt. Dabei bestechen sie durch eine schnelle Arbeitsweise sowie eine gute Genauigkeit des Endproduktes.

In der Vermessung werden herkömmlich Tachymeter eingesetzt. Diese messen die Distanz und Winkel über die Laufzeit eines Infrarot-Lichtsignals zu einem Referenzpunkt. Heutzutage werden meist motorisierte elektronische Tachymeter, sogenannte Totalstationen, eingesetzt. Diese können auch bewegliche Ziele (beispielsweise wenn der Vermessungstechniker den zu messenden Referenzpunkt ändert) verfolgen und einmessen. Als Referenzpunkt wird dabei meist ein Tripel-Prisma (auch Reflektor genannt) auf einem sogenannten Lotstock verwendet. Damit kann sich der Vermesser frei bewegen und die gewünschten Messpunkte „abgehen“.

Eine Alternative zur Messung via Tachymeter bietet die Nutzung eines GPS-Rovers. Diese bestehen aus einem Antennenstab, auf dem eine spezielle GPS Antenne befestigt wird. Am Antennenstab kann zusätzlich ein kleiner PC zur Ansteuerung der Antenne sowie Speicherung der Daten genutzt werden. Die GPS Rover erreichen eine sehr hohe Positionsgenauigkeit von bis zu 1cm durch die Nutzung diverser GPS Kanäle und der Nutzung eines Korrekturdatendienstes. Diese Dienste betreiben sogenannte Referenzstationen und können dadurch einen Großteil der Störungen in der Laufzeit der GPS Signale herausrechnen. Diese Korrekturdaten werden dann meist über das Handynetz an den mobilen Rover gesendet.

Bei großen Flächen oder dem Bedarf nach vielen Messpunkten spielen Drohnen ihre Stärken voll aus. Mittels sogenannter Photogrammetrie können deutlich mehr Messpunkte in geringerer Zeit aufgenommen werden, als dies herkömmlich machbar ist. Zusätzlich muss der Vermesser nicht das zu vermessende Objekt oder einen Gefahrenbereich betreten, sondern fliegt einfach darüber hinweg. Es gibt mittlerweile Drohnen mit integrierten RTK-GPS (Funktionsweise ähnlich wie ein GPS Rover) welche Bodenpasspunkte unnötig machen können. Darauf gehen wir aber hier nicht näher ein, da die Technik noch nicht stark verbreitet ist.

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Vorgehensweise der Luftvermessung

Normalerweise besteht eine Vermessungsbefliegung aus folgenden Schritten:

  • Planung des Wegpunktfluges
  • Auslegen und Einmessen der Bodenpasspunkte
  • Durchführung des GPS gestützten Fluges, Erstellung der Senkrechtaufnahmen
  • Photogrammetrische Postproduktion der Rohaufnahmen
  • Export der Ergebnisse beispielsweise als Punktwolke, Volumenkalkulation oder Schnittkanten

Vor der eigentlichen „Feldarbeit“ wird der gewünschte Flug mittels einer Wegpunktsoftware geplant. Diese Software wird zumeist vom Drohnenhersteller geliefert. Darin wird ein mäanderförmiger Flug über die zu messende Fläche gelegt. Der Abstand der Streifen und der Bilder untereinander wird anhand der verwendeten Optik und Flughöhe festgelegt. Wichtig bei der Photogrammetrie ist, dass ein größerer Bereich als der eigentlich zu vermessende Bereich beflogen wird, damit die Genauigkeit der Punktwolke auch in den Randbereichen der Messfläche hoch bleibt.

Anschließend wird vor Ort eine gewisse Anzahl an Bodenpasspunkten ausgelegt. Bei einer normalen Drohnenbefliegung reichen hier Din A4 Maße aus. Diese „Karten“ bestehen entweder aus laminiertem Papier oder Kunstoff und verfügen ein Loch sowie ein aufgedrucktes „Target“ in der Mitte. Diese Bodenpasspunkte werden beispielsweise mit einem langen Nagel im Boden befestigt und anschließend z.b. mit einem GPS Rover vermessen. Für eine kleine Fläche reichen meist 5-7 Punkte aus, je größer das Projekt, desto mehr Passpunkte sind notwendig. Der Sinn dieser Passpunkte liegt an der präzisen metrischen Referenzierung des gewonnenen 3D Modells (ansonsten läge das Modell nur in einem lokalen Koordinatensystem) und im Qualitätsmanagement. Sollte das 3D Modell falsch generiert worden sein, würde dies im Normalfall über die Referenzpunkte als metrischer Fehler sichtbar gemacht werden. Die meisten Photogrammetrie-Produkte zeigen die Abweichung zwischen den Passpunkten in cm an, dadurch lassen sich schnell mögliche Fehler erkennen.

Nach dieser Vorarbeit wird der eigentliche Flug durchgeführt. Um eine möglichst gleichbleibende Längs- und Querüberlappung der Aufnahmen zu erreichen, wird dabei meist der automatische GPS- Flugmodus genutzt. Nach dem Flug sollten Sie die Schärfe der Aufnahmen sowie eine gute Erkennbarkeit der Bodenpasspunkte stichpunktartig überprüfen.

Datenverarbeitung in der Postproduktion

In dieser Phase werden die Bilder und wenn vorhanden die GPS-Lagedaten in eine Photogrammetriesoftware geladen. Diese fügt die Bilder im ersten Schritt wie ein Mosaik zusammen. Anschließend beginnt die sogenannte Triangulation. Durch die starke Überlappung der Aufnahmen kann ein Messpunkt gleich mehrmals in anderen Bildern gesehen werden. Photogrammetrische Algorithmen ermöglichen es dadurch der Software, die exakte Position und Lage der Drohne, Kamera und auch der Bodengeometrie zu messen. Die daraus entstehende sehr große Anzahl an Messpunkten am Boden nennt man auch Punktwolke. In dieser Punktwolke kann der Bediener nun manuell die Bodenpasspunkte (Targets) auswählen und den eingemessenen GPS-Positionen zuweisen. Dadurch kann das ganze 3D Modell dann „georeferenziert“ werden. Das bedeutet, dass der Vermesser nach diesem Arbeitsschritt an jedem beliebigen Punkt im Modell die präzise Position ablesen kann.

Dieses Produkt kann entweder weiter bearbeitet werden oder in diversen Dateiformen exportiert werden. Gängig ist beispielsweise der Export als Orthofoto. Dabei wird die Verzeichnung der Kamera sowie ein möglicher Positionsfehler durch unebene Bodentextur herausgerechnet und ein Bildmosaik (ähnlich eines Satellitenbildes) erstellt. Dieses kann beispielsweise als Grundlage für eine Planung einer Umgehungsstraße, Gewerbegebiet o. ä. genutzt werden.

Technisch hat die Photogrammetrie natürlich Einschränkungen. Da diese Form der Nachbearbeitung stark vom Detailreichtum und Kontrast in den Bilden abhängt, kommt diese Technik bei homogenen Oberflächen an ihre Grenze. Besonders bemerkbar macht sich das auf glatten Asphalt- / Wasser- oder Sandoberflächen.

Eine neue Alternative zur Einmessung von Oberflächen bietet das Laserscanning aus der Luft. Das ist aber eine sehr teure und aufwändige Technik, da neben dem Laserscanner noch ein hochpräzises GPS sowie eine IMU (Inertial Measurement Unit – Inertialsensor zur Lagemessung im Raum) mitgeführt werden muss.

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