Photogrammetrische Drohnenvermessung auf den Prüfstand gestellt

Weimar (ABZ). – Die Viscan Solutions GmbH, ein auf die Drohnenvermessung (UAV/UAS) spezialisiertes Vermessungsbüro mit Sitz in Weimar und Standorten in Krauchenwies (Bodensee) und Mögglingen (Aalen), untersuchte mit Unterstützung des Fachbereichs Vermessung der Hochschule für Technik Stuttgart die Genauigkeiten bei Geländeaufnahmen mit unterschiedlichen Parametern. Zur Grundlagenschaffung wurde das Messfeld tachymetrisch mit Netzausgleichung und Nivellement erfasst, um Höhe und Lage der durch die Drohnen ermittelten Punkte miteinander zu vergleichen. Zweierlei Drohnentypen kamen auf dem zu befliegenden Testgelände mit Untergründen aus Schotter, Asphalt und Erdreich zum Einsatz. Eine DJI-Drohne, die sich u. a. auch bei Hobbyfliegern immer größerer Beliebtheit erfreut, wurde einer High-End-Starrflügler-Drohne gegenübergestellt, die aufgrund ihrer Hochpreisigkeit lediglich zu professionellen Zwecken eingesetzt wird. Die DJI-Drohne sollte gegenüber dem Profigerät nicht nur ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen, sondern diente darüber hinaus zusätzlichen Datenermittlungen, etwa einem Vergleich des Kamera-Neigungswinkels, wozu der Starrflügler nicht in der Lage ist.

Geschäftsführer Nicolai Nolle betont, dass Abhängigkeiten zwischen bestimmten, inneren und äußeren Faktoren die Genauigkeit der Punkt- und Flächenaufnahmen bei einer photogrammetrischen Drohnenvermessung beeinflussen können. "Die Aufnahmen sollten nicht nur dazu dienen, eine Genauigkeit im GPS-Bereich zu untermauern, wie sie bei den meisten Ausschreibungen im Erd- und Landschaftsbau gefordert wird. Sie sollen zusätzlich aufzeigen, welche Faktoren die Genauigkeit der Drohnenvermessung beeinflussen können. Auf diese Weise wollen wir die Grundsteine für ein besseres Verständnis dieser Methode legen und gleichzeitig unseren Kunden Tipps mit auf den Weg geben, wann eine Vermessung mittels UAV/UAS sinnvoll und zielführend ist", fügt er hinzu.

Bei den Messungen wurde neben einem Vergleich von diversen, einzelnen Kontrollpunkten zusätzlich ein Flächenvergleich mittels terrestrischem Laserscanning vorgenommen. Beide Messmethoden sind adäquate Kontrollmessungen gemäß der für Fernerkundung gültigen Norm DIN 18740. "Unser Anliegen ist es, eine möglichst hohe Transparenz zu bieten, damit jeder seine Einschätzung zu den Möglichkeiten, dem Potenzial, der Datenverwendung und Genauigkeit persönlich und objektiv vornehmen kann."

Um die Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Einflüssen bei der photogrammetrischen Drohnenvermessung zu erfassen, wurden zusätzlich verschiedene Flughöhen, unterschiedliche Neigungswinkel der Kamera (45, 60 und 80°), Bildauflösung und Schärfe, Anordnung und Signalisierungsart der jeweiligen Passpunkte sowie der Flugmodus – manuell gesteuerter Flug vs. automatisiertes Fliegen – ausgewertet und untersucht. Prof. Gerrit Austen, HFT Stuttgart, unterstreicht insbesondere die Notwendigkeit für ein noch besseres Verständnis des Zusammenspiels all dieser Parameter und sieht daher im Erfolgsfall noch Potenzial für weitere Genauigkeitssteigerungen. "Von der Beantwortung diesbezüglich noch offener Fragen wird die Vermessung per UAV/UAS weiter profitieren", erklärt der Hochschulprofessor.

Bei Ausschreibungen der Öffentlichen Hand für Maßnahmen im Erd- und Landschaftsbau gelten Genauigkeiten im niedrigen Zentimeterbereich als Standard. Diese Anforderungen sind auch bei einer Bestandsaufnahme mittels UAV/UAS grundsätzlich einzuhalten. Beurteilt werden die Daten nach der gültigen Norm für Fernerkundung.

Mit der Starrflügler-Drohne erreichte das Messteam bei allen Kontrollpunkten auf dem gesamten Gelände eine mittlere Genauigkeit in Lage < 1 cm und Höhe < 2 cm im Bereich gab es einen größeren Ausreißer mit 4 cm in der Höhe. Das entspricht den Ergebnissen, die auch mit professionellen GPS-Geräten erzielt werden. Beim Flächenvergleich wurde das Ergebnis nochmals bestätigt; Ausreißer über das normale Punktewolkenrauschen hinaus waren keine festzustellen.

Auch die DJI-Drohne erzielte bei den Einzelpunkten Genauigkeiten von ± 5 cm und besser. Hier gab es vereinzelte Ausreißer, die bspw. bei erhöhten Messpunkten, wie etwa auf Leitplanken, teils verdecktem Sichtfeld oder in Randbereichen auftraten. "Einen positiven Einfluss darauf nehmen wir, indem wir die Passpunkte sinnvoll anordnen und optimalerweise auf dem Boden in passendem Abstand zueinander verteilen", erklärt Drohnenflugexperte Nolle. "Bei unseren Aufnahmen für die Modelle haben wir zusätzlich gezeichnete Punkte auf Leitplanken sowie "Black & White"-Targets auf Stativen als schwebende Punkte verwendet. Da Letztere eine recht kleine Oberfläche aufweisen, sind sie im Flug schwieriger zu identifizieren als Bodenpunkte. Jedoch lassen sie sich auch bei Bildunschärfen noch verwenden. Fehler bei der Bestimmung der Punkte in den einzelnen Bildern treten hier weniger auf und haben zudem keine Auswirkungen auf das Modell", ergänzt er. Gleichzeitig fand das Unternehmen heraus, dass die verschiedenen Neigungswinkel vor allem die 3D-Darstellung und das Abstrahlen von Punkten an Oberflächen beeinflussen können. Bei tieferen Flügen haben sich entsprechend langsamere Flugmanöver hinsichtlich besserer Auflösung der Einzelbilder und somit höherer Modellgenauigkeit bewährt. Der Untergrund – ob Schotter, Asphalt oder Erdreich – hat sich nach Angaben des Unternehmens nur minimal auf die Genauigkeit ausgewirkt.

Untersuchungen wie diese sind beim Unternehmen Viscan, das Lösungen in den Bereichen Bestandsdokumentation, Mengenermittlung und Monitoring-Aufgaben offeriert, keine Seltenheit. Die photogrammetrische Drohnenvermessung kommt bei Zustandserfassungen im Ingenieurbau, im gesamten Umfeld des Infrastrukturbaus sowie bei planungsbegleitenden Vermessungen zum Einsatz. "Mit diesen Studien wollen wir unsere Qualität kontinuierlich verbessern, um unseren Kunden für jede Baumaßnahme die passende Lösung nach neuestem Erkenntnisstand zu offerieren. Aus diesem Grund bilden sich unsere Mitarbeiter ständig weiter und erhalten entsprechende Zertifizierungen", so Nolle abschließend.