Mit Laser und Drohne - innovative Verfahren zur 3D-Geodatenerfassung

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1 Geoinformation und Landentwicklung Mit Laser und Drohne - innovative Verfahren zur 3D-Geodatenerfassung Reinhold Hummel LGL, Referat Messverfahren Deutscher Verein für Vermessungswesen e.v. - Baden-Württemberg Fachtagung am in Rottweil Agenda Geodatenerfassung - großflächige Gebietseinheiten Photogrammetrische Bilddatenerfassung Airborne Laserscanning (ALS) Geodatenerfassung - kleinräumige Gebiete Bilddatenerfassung mit Unmanned Aerial Vehicels (UAV) Terrestrisches Laserscanning (TLS) Beispiele Zusammenfassung und Ausblick Fachtagung am in Rottweil 1

2 Verfahren zur 3D-Geodatenerfassung Trägersystem Verfahren Flugzeug (bemannt) Unbemanntes Flugsystem (UAV) Terrestrisches System Bilddatenerfassung Photogrammetrische Auswertung Photogrammetrische Auswertung Photogrammetrische Auswertung Laserscanning LIDAR Airborne Laserscanning?! TLS Terrestr. Laserscanning Einzelpunktmessung GNSS Tachymetrie Geodatenerfassung: Trägersysteme Höhe 500 km 4000 m Satelliten TerraSAR-X,TanDEM-X 1500 m 500 m Flugzeug mit Messausrüstung 150 m Gyrocopter/ Tragschrauber 50 m UAV Copter UAV Starrflügler 150 m 250 m 1000 m Reichweite/ Flächenleistung 2

3 Photogrammetrische Bildflüge ATKIS-DOP Digitale Orthophotos Standardbildflüge (nach AdV-Qualitätsstandard) für Digitale Orthophotoproduktion DOP20 Bildflugparameter für Standard-Bildflüge Luftbilder DOP20 Zeitraum Gebiet Auflösung Kamera Bilddaten Überdeckung Sommer (bei voller Belaubung) jeweil ca. 1/3 der Landesfläche (3-jähr.Zyklus) Bodenauflösung im Mittel 20 cm Digitaler Flächensensor (DMC, UltraCam) PAN, RGB, NIR, Farbtiefe 8 (16)bit je Farbkanal L: 60% Q: 30% DOP40 Luftbild Photographische Abbildung der Landschaft, aufgenommen i.d.r. als Senkrechtaufnahme aus der Luft mit einer photogrammetrischen Messkamera. Orthophoto (DOP) Perspektivisch entzerrtes und damit maßstabsgetreues Luftbild, mit den Eigenschaften einer (topographischen) Karte. Photogrammetrische Bildflüge Spezielle Bildflüge Bildflugparameter für spezielle Bildflüge Zeitraum Gebiet Auflösung Kamera Bilddaten Überdeckung Frühjahr, ohne Belaubung bedarfsorientiert Bodenauflösung bedarfsorientiert, mind. 10 cm Digitaler Flächensensor (DMC, UltraCam) PAN, RGB, NIR, Farbtiefe 8 (16) bit je Farbkanal bedarfsorientiert, mind. L: 60% Q: 30% 3

4 Photogrammetrische Bildflüge hochaufgelöste Luftbilder und DOP 10 nicht flächendeckend verfügbar Bodenauflösung 10 cm UltraCam XP Digital Kamera Flughöhe m Luftbilder und DOP 20 landesweit flächendeckend verfügbar Bodenauflösung 20 cm UltraCam XP Digital Kamera Flughöhe m Airborne Laserscanning (ALS) ATKIS-DHM DOM Digitale Höhenmodelle DGM (ab 1-Meter Raster) DOM (ab 5-Meter Raster) Auflösung: Gitterweite ab 1m (ca. 37 Milliarden Pkte) Genauigkeit: +2-3 dm in Gebieten mit ausreichender Pktdichte DGM und DOM landesweit flächendeckend verfügbar DGM 3D-Objekte Rohdaten (Laserpunkte) Befliegung 2000 bis 2005 Messprinzip: Abtastende, flächendeckende Aufnahme aus Flugzeugen durch Laser-Entfernungsmessung zu den Oberflächen Ergebnis: Unregelmäßig verteilte, dreidimensional koordinierte Oberflächenpunkte Geländeoberfläche ohne Vegetation und künstliche Hochbauten 4

5 Airborne Laserscanning (ALS) DGM Klassifizierung First pulse Klassifizierung der aufgenommenen Laserscan-Punkte Bodenpunkte = tiefste Punkte (Gelände) Hochpunkte = alle übrigen Punkte (Vegetation, Gebäude, Fahrzeuge...) Verfahren: 1. Automatische Berechnungsmethoden 2. Interaktive Nachbearbeitung Last pulse Strategien zur 3D-Geodatenaktualisierung Fortführungsbedarf DLM, DGM, DOM Detektion der 3D-relevanten Veränderungen 5

6 Strategien zur 3D-Geodatenaktualisierung Stereoskopische Luftbildauswertung (Verfahren der automatischen Bildkorrelation) aufgrund großflächiger 10 cm Befliegung Einsatz von unbemannten Fluggeräten zur flexiblen und hochauflösenden Erfassung von Luftbildern in kleinräumigen Gebiete Terrestrisches Laserscanning Unbemannte Fluggeräte RPAS - Remotely Piloted Aircraft Systems UAV / UAS - Unmanned Aerial Vehicles / Systems enorme Systemvielfalt bei RPAS vielfältige Einsatzmöglichkeiten derzeit Kleinsysteme (MAV- micro aerial vehicle) vorwiegend zur Bild- und Videodatenerfassung Predator: UCAV (Luftangriffsfähiges UAV), URAV (Aufklärendes UAV). 6

7 UAV-Pilotprojekt Hessigheim Felsengärten Hessigheim UAV-Pilotprojekt: Motivation und Zielsetzung UAV als flexible Erfassungsmethode zur Aktualisierung und Qualitätssicherung der Geobasisinformationen für Flurneuordnungsverfahren (spezielle photogrammetrische 3D-Auswertungen) für die Öffentlichkeitsarbeit sowie zu Dokumentationszwecken Ziel Methodik der Datenerfassung mit UAV Systembeschreibung der Fluggeräte (Hard- und Software) Beschreibung des Workflows; Arbeitsaufwand von der Flugplanung bis zum Endprodukt Datenfluss und Datenverarbeitung Vergleich unterschiedlicher Flugsysteme (Flächenflugzeug Copter) Validierung der Ergebnisse auf der Grundlage der Referenzdaten (Qualitätsnachweis) 7

8 UAV-Pilotprojekt: Flugplanung Fluggelände Parameter Wert Höhe über NN 180 m 257 m Gesamtgröße 1,4 km ² Länge 1000 m Breite 400 m Start-/Landebahn Länge ca.20 m Flugplanung Parameter Wert Flugstreifen 5 Bilder pro Streifen 40 Bilder gesamt 200 längs p 80% quer q 75% UAV-Pilotprojekt: Passpunktmessung Georeferenzierte Passpunkte Natürliche Passpunkte (z.b. Kanaldeckel) und signalisierte Passpunkte (z.b. Markierungsfarbe) Folie 16, 8

9 UAV Systemkonfiguration I Trägerplattform Twinstar Flug März 2012 Fluggerät: Multiplex Twinstar II UAV Spannweite: 1,4 m Gewicht: 1,5kg Elapor Schaumstoffkörper Kamera: Canon IXUS 100 IS 4000 x µm pixel size Bodenpixel GSD 300m Flughöhe ü.g. Bildabdeckung 320 x 240m hg=300m UAV Systemkonfiguration II Trägerplattform Bormatec Maja Flug August 2012 Fluggerät: Bormatec Maja Spannweite: 2,2 m Gewicht: 3 kg Leergewicht 1,5 kg Abfluggewicht 3 kg Polypropylen (EPP) Kamera: Ricoh GXR Mount A12 mit Zeiss Biogon T* 21 mm Objektiv 4288 x ,5 µm pixel size Bodenpixel GSD 300m Flughöhe ü.g. Bildabdeckung 337 x 224m hg=300m 9

10 UAV Systemkonfiguration II Onboard Elektronik Gumstix Overo Single Board Computer (SBC) -> Navigations- und Regelungsaufgaben Field Programmable Gate Array (FPGA) -> Einlesen von Sensordaten -> Schaltlogik (Autopilot, manueller Flug) Rechnergestützter Betriebsmodus GPS (Position, Geschwindigkeit über Grund) IMU (Beschleunigung, Drehraten und Magnetfeld in 3 Achsen) Drucksensor barometrisch (Höhe) Drucksensor Differenzdruck (Anströmgeschwindigkeit) Funkverbindungen und Telemetrie Xbee-Pro Series 1 mit Richtantenne am Boden (Telemetrie) Jetimodel RC System, 2.4 GHz (Manueller Betrieb/Mode Switching) -> aktuelle Position, Lage und Geschwindigkeit -> Überwachung Onboard Elektronik am Boden Kamera-Kalibrierung Großer Siemensstern 10

11 Pilotprojekt Hessigheim - Befliegungen und Ergebnisse Fluggerät Kamera Qualität des generierten Oberflächenmodells (Genauigkeitsbereich) UAV Starrflügler Befliegung am März 2012 Canon Ixus 100IS 29 bis 40 mm UAV Starrflügler Befliegung am August 2012 GyroCopter Befliegung am August 2012 (Kooperation WeigandAir/ IGI mbh / ifp) Ricoh GXR/Zeiss IGI DigiCAM50 19 bis 21 mm 17 bis 19 mm Rechtliche Rahmenbedingungen - Aufstiegserlaubnis für UAV 16 Abs. 4 Luftverkehrs-Ordnung (LuftVO) I. Erlaubnis bis zum für 4 Flüge von max. 15 Minuten (an 2 Werktagen während der Tageszeit) für ein elektrisch angetriebenes unbemanntes Luftfahrtsystem UAV Bormatec, Typ Maja, maximale Gesamtmasse 4 kg; maximale Flughöhe von 150 m über Grund II. Widerrufsvorbehalt und Vorbehalt weiterer Anordnungen Die Erlaubnis wird unter dem Vorbehalt des jederzeitigen Widerrufs ( 49 Abs. 2 Satz 1 VwVfG) erteilt. 11

12 Rechtliche Rahmenbedingungen - Aufstiegserlaubnis für UAV 16 Abs. 4 Luftverkehrs-Ordnung (LuftVO) III. Auflagen und Nebenbestimmungen Steuerung ausschließlich durch benannte Person (Name, Adresse) Haftpflichtversicherung nach 37 Abs. 1a, 43 LuftVG i.v.m. 101 ff LuftVZO (Personen- / Sachschäden) ausreichender Abstand zu dritten Personen sowie zu öffentlichen Verkehrswegen, Hochspannungsleitungen Betrieb des UAV nur in Sichtweite des Steuerers Steuerer muss jederzeit per Funksteuerung manuell in Echtzeit eingreifen können wird die sichere Steuerung durch schlechte Witterung gefährdet, ist der Flugbetrieb einzustellen Anwesenheit eines Erst-Helfers, einer Erste-Hilfe-Ausrüstung, sowie Handy für Notruf der bemannte Luftverkehr besitzt gegenüber dem unbemannten Luftfahrtsystem Vorrang Flugleitung von angrenzendem Segelfluggelände ist rechtzeitig vor Aufnahme des Flugbetriebs zu informieren das Überfliegen von Personen und Tieren ist nicht zulässig Terrestrisches Laserscanning zur 3D-Geodatenerfassung 360 horizontal Messprinzip 270 vertikal Jeder Punkt der Punktwolke erhält X,Y und Z-Koordinaten Typ Impulslaufzeitscanner Laser grün (532 nm) Laserklasse 3R (IEC ) Reichweite 300 m bei 90% Reflexion / 134 m bei 18 % Reflexion Scanrate bis zu Punkte / Sek. Einzelpktgenauigkeit - Strecke 4 mm (bis 50 m) - Winkel 12" Umgebung wird in vorgegebenem Raster (Punktabstand frei wählbar) abgetastet Das Punktraster ist entfernungsabhängig 12

13 TLS: Ausstattung zur Datenerfassung im Feld Zielmarken (Targets) Leica ScanStation C10 Passpunkte zur Verknüpfung der Scans und Georeferenzierung GNSS Komponente Einmessung der Passpunkte sowie Ergänzungsmessungen im Gelände Software Leica Cyclone SCAN (C10 und Laptop) Leistungsfähiger Feldrechner Steuerung des Scanners über LAN bzw. WLAN, erste Vorauswertung im Feld zur Steuerung des Scanners und Erfassung der Daten im Feld Leica Cyclone Register (PC und Laptop) zur Verknüpfung und Georeferenzierung von Punktwolken TLS: Aufmessung Kriterien für Passpunktverteilung Verteilung über das gesamte Messgebiet/-objekt von jedem Standpunkt müssen mind. 3 Passpunkte einsehbar sein Kriterien für Scannerstandpunkt freie Sicht, wenig Abschattung durch Störobjekte fester, vibrationsarmer Untergrund Beachtung der Reichweite (max. 300 m, eher weniger) Auftrittswinkel des Lasers zum Objekt beachten 13

14 TLS: Rohdaten aus dem Laserscanning 3D Punktwolke Digitalfotos der gescannten Umgebung Intensitätsdarstellung: Farbwert gibt an, wie stark der Oberflächenpunkt den Laserstrahl reflektiert jeder Einzelpunkt hat X,Y und Z - Koordinaten Panoramabild aus den Digitalfotos Bilder sind georeferenziert Pro Punkt 7 Informationen in der DB: X, Y, Z, Intensität, RGB Echtfarbendarstellung: jeder Einzelpunkt erhält einen Farbwert, der aus den Digitalfotos zugeordnet wird TLS: Aufbereitung der Laserscandaten Arbeitsschritte 1. Registrierung der Punktwolken + Georeferenzierung 2. Bereinigen von groben Störpunkten 3. Klassifizieren / Ausdünnen 14

15 TLS: Aufbereitung der Laserscandaten Weitere Arbeitsschritte 2D-Informationen ableiten, z.b. Gebäudegrundriss, Geländeprofil, Wege- und Straßenabgrenzungen 3D-Volumenmodell durch Vermaschung oder Modellierung Animation der gescannten Umgebung in einem virtuellen Bildflug zur Präsentation Integration von externen Daten z.b. Planungsdaten aus CAD Semantisch-topologische Modellierung der Punktwolke (Klassifizierung, Objektstrukturierung) Beispiel: Gemeinde Malsch - Ortsdurchfahrt Änderung in der Verkehrsinfrastruktur/Gewässerrenaturierung Aktualisierung des DGM 15

16 Beispiel: Eutingen - Kreisverkehr Beispiel: Rebflurverfahren Dokumentation von Mauerschäden Echtfarbendarstellung Detail Intensitätsdarstellung Geländeschnitt 16

17 Beispiel: Murgwehr TLS-Aufnahme des Staubereiches Bestandsdokumentation Wasserstandssimulation Beispiel: LGL-Dienststelle in Karlsruhe 17

18 Beispiel: Europahalle KA - Gebäudedokumentation Beispiel: Europahalle KA - Gebäudedokumentation 18

19 Zusammenfassung und Ausblick (I) Nachfrage nach 3D-Geodaten und 3D-Visualisierungen steigt Weiterentwicklung der dreidimensionalen Modelle semantische Strukturierung der Punktwolken (Gebäude, Vegetation, Gewässer, Energieversorgung.) AdV 3D-Gebäude bundesweit flächendeckend (LoD1/LoD2) von 2,5D nach 3D (Brücken, Tunnel ) Normung und Standardisierung CityGML ISO-Standard, V.2.0 voll 3D-fähig (semantische Objektstrukturierung) AdV AAA GeoInfoDok 7.0 (ab 2014) Zusammenfassung und Ausblick (II) Entwicklung der Sensorik und Messtechnik Weiterentwicklung der Sensoren für UAV-Systeme (Reduktion Größe/Gewicht bei besserer Leistungsfähigkeit) Entwicklung von integrierten Messsystemen (GNSS, Einzelpunkt- und Flächenmessung (berührungslos), Bild-/Videodaten) Fernerkundungssensoren (Satelliten) stetige Verbesserung der Datenqualität Weiterentwicklung der Auswerteverfahren Handling großer Punktwolken, semantische Objektmodellierung, Mustererkennung Verfahren der automatisierte Bildkorrelation (Matching) Entwicklung der Trägersysteme vielfältige mobile Systeme (Kraftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, unbemannte und bemannte Fluggeräte, Satelliten) Rechtliche Rahmenbedingungen nationale und internationale Regelungen für den Einsatz von unbemannten Flugsystem erforderlich bei UAV-Einsatz: Persönlichkeitsrechte beachten, Datenschutz-Standards gewährleisten 19

20 Geoinformation und Landentwicklung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 20