Photogrammetrie und Fernerkundung. Luftbild- und Luftvideotechnik

Transkript

1 Photogrammetrie und Fernerkundung Luftbild- und Luftvideotechnik

2 Herzlich Willkommen bei unserem Vortrag Neueste Errungenschaften in der Verbesserung der Ground Sampling Distance

3 Herr Clemens Stoll (D) Herr David Hablützel (CH) Luftbild- und Luftvideotechnik aus Konstanz

4 Photogrammetrie und Fernerkundung 1.1 Grundlagen der Photogrammetrie 1.2 Entwicklungen in der Photogrammetrie 1.3 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie 2.Vorbereitungen und Workflow für UAV-Vermessungsflüge 2.1 Maßstäbe und Referenzwerte 2.2 Einsatz von Zielmarken 2.3 Kamera und Kalibrierung der Optik 2.4 Passpunkte und Verteilung 2.5 Zusammenfassung und Ausblick

5 1.1 Grundlagen der Photogrammetrie Die Qualität der dreidimensionalen Punktbestimmung wird von einer Unzahl von einzelnen Prozessen und Parametern beeinflusst. ( Wiggenhagen und Raguse 2003 ) Referenz: Herr Prof. Dr. Dieter Fritsch aus der Universität in Stuttgart bestätigte uns die Vermessungsangelegenheiten, Auszug Mail vom : Vielen Dank für Ihre . Am Institut für Photogrammetrie der Universität Stuttgart führen wir RPAS/UAS-Bildflüge seit 2009 durch und werten diese auch aus. Für die dichte Bildzuordnung zur Erzeugung einer sehr dichten Punktwolke wurde am Institut die Software SURE entwickelt, die mittlerweile weltweit sehr erfolgreich eingesetzt wird. Wir haben in 2012 Flüge ausgewertet, wo aus ca. 300 m Flughöhe Höhengenauigkeiten von 2 cm erzielt worden sind. Diese Ergebnisse wurden auch durch einen Gyrocopter-Flug mit einer 50 MP Kamera bestätigt. Zu Ihrer Information füge ich einen schriftlichen Beitrag an. Jüngste Auswertungen erreichen immer Genauigkeiten von 0,5-1 GSD (sowohl in Lage als auch in Höhe). Also, wenn Sie alles richtig gemacht haben, sollten Sie diese Genauigkeiten erreichen, von daher überrascht mich Ihr Ergebnis nicht. Viele Grüße Ihr Dieter Fritsch Prof Dr. Dieter Fritsch Institut Photogrammetrie

6 1.1 Grundlagen der Photogrammetrie Die Photogrammetrie ist keine neue Messtechnik, der wesentliche Fortschritt liegt in der: Digitalen Aufnahmetechnik und verbesserte Sensoren Leistungssteigerung in der Hardware-Technologie Automatisierung der photogrammetrischen Postprozesse Verbesserte Auswertetechnik

7 1.1 Grundlagen der Photogrammetrie Äußere Orientierung Bildkoordinaten aus verschiedenen Ansichten / Perspektiven Zusätzliche Beobachtungen Methoden Photogrammetrie Kameramodelle 3-D-Koordinaten Schema: Martin Reich Bremen 2011

8 1.1 Entwicklungen in der Photogrammetrie 1858 Nach Erfindung der Photographie durch N. Niepce und L.J.M. Daguerre erfolgten erste praktische Anwendungen der Photogrammetrie 1901 Die weitere Entwicklung der Photogrammetrie wurde entscheidend durch die Einführung des stereoskopischen Messprinzips durch C. Pulfrich und die Konstruktion der ersten optischen und mechanischen Auswertegeräte beeinflusst So spielte der Einsatz des Luftbildes im 1. Weltkrieg eine wichtige Rolle bei der Aufklärung und der Vermessung des Geländes. Im Zeitraum zwischen den beiden Weltkriegen entstanden die Grundtypen der auch gegenwärtig noch z.t. eingesetzten Aufnahme- und analogen Auswertesysteme. Erste analytische Stereoauswertegeräte mit einer numerischen Realisierung der Projektionsbeziehungen kamen etwa ab 1960 in der Praxis zum Einsatz Die moderne Entwicklung der Photogrammetrie ist gekennzeichnet durch den Übergang zur Aufnahme und Auswertung digitaler Bilder seit etwa Die neuen Möglichkeiten einer flexibleren, effektiveren und genaueren Bildauswertung sowie der digitalen Kartierung führten zur Entwicklung rationell nutzbarer Auswertegeräte, die bis zum Ende des 20. Jh. Standard in der photogrammetrischen Praxis sind. Auf der gleichen Grundlage wurde die analytische Bildtriangulation zur Bearbeitung großer Bildblöcke theoretisch verfeinert und zu einem effizienten Verfahren mit breiter Anwendung entwickelt. heute Darüber hinaus ist die gegenwärtige Entwicklung der Photogrammetrie durch die aufgabenbezogene Kombination mit anderen Messverfahren charakterisiert. Hierzu zählen die Integration von satellitengestützten und Inertialsystemen zur Bestimmung der Daten der äußeren Orientierung bei der Luftbildaufnahme und GPS der Navigation sowie bei der Passpunktbestimung.

9 1.1 Entwicklungen in der Photogrammetrie Dachflächenvermessung für Regenwassergebühr Beispiel Arena Stadt Geisingen (hd-luvitec)

10 1.1 Grundlagen der Photogrammetrie Beobachtet wird die Position eines zunächst beliebigen Punktes im Bild, dessen Position in einem übergeordneten Koordinatensystem gesucht wird. Die Bestimmung der drei unbekannten Objektkoordinaten je Punkt lässt sich über die Hinzunahme weiterer Beobachtungen in einem zweiten Bild realisieren, je mehr Bilddaten dem Punkt zuzuordnen sind desto höher ist die Meßgenauigkeit. (hd-luvitec) Straßenbau-Vermessung Beispiel OT Hondingen

11 1.1 Grundlagen der Photogrammetrie (hd-luvitec) z.b. Auswertung der Bildinformation in Photogrammetrie-Software am Beispiel Agisoft incl. Passpunkt Nr.12

12 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Baudokumentation im Hoch- und Tiefbau Verlaufsdokumentation incl. Vermessung & Fotodokumentation Brückeninspektion - Vermessung sowie Schadenanalyse Vermessungen in der Agrarwirtschaft Vermessung in Naturschutzgebieten Schadendokumentation z.b. Kommunalgebäude Dokumentation der dynamischen Verdichtung im Straßenbau 3D Erfassung von Gebäudeteilen zur Restauration Gewässerverlauf und Wasserstände - Hochwasserdokumentation Geologische Veränderung, Hangrutsch durch Vergleichsanalyse Erfassen von Baumbeständen, notwendiger Baumschnitt und Schädlingsbefall

13 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Stadtentwicklung und Städteplanung - neue Vermarktungschancen durch Luftbilder und Panoramen z.b. Expo-Real München Restaurationsaufgaben an Kirchen und öffentlichen Gebäuden dokumentieren Orthofotos mit Oktocopter/Flächenflieger bis 100ha am Stück möglich mit GSD zw. <0,5cm und 2,7cm Vermessen von Friedhofsflächen Dachflächenberechnung für die Solarinstallation Baufortschrittsdokumentation über längeren Zeitraum Einsatz im kommunalen Straßen- und Wegebau Prüfen von Straßenbeleuchtung sowie deren Haltesysteme an Gebäuden Vermessen von Deponieflächen incl. Volumenberechnung Übersichtsbilder für die Tourismusbranche

14 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Vermessung ganzer Stadtbezirke, Bebauung und Infrastruktur (hd-luvitec) Vermessung landwirtschaftlicher Straßen und Wege (hd-luvitec)

15 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Kommunalprojekt Stadt Blumberg Panoramaschwimmbad Verlaufsdokumentation incl. Vermessung, Bauleistung etc. (hd-luvitec) Foto OT Hondingen Straßenbau 90 für Orthofoto (hd-luvitec)

16 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Übersicht Friedhof / Vermessungsaufgaben (luftbildfotograf) Stadtentwicklung Baufortschrittsdokumentation / Schrägbild (luftbildfotograf)

17 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Strassenführung Beurteilung der Kurvenradien

18 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Dachflächenvermessung für Solaranlagen (hd-luvitec) Restauration - Übersicht (hd-luvitec)

19 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Prospektion von Flächen Orthofoto (luftbildfotograf) Orthofoto für Baumkataster (luftbildfotograf)

20 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Industrie Dachflächensichtung (hd-luvitec) Freizeitanlagen Übersicht Kommunal-Werbung (hd-luvitec)

21 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Überfliegen von NSG - Gewässerschutz (hd-luvitec)

22 1.2 Einsatzgebiete der UAV-Photogrammetrie in Kommunen Zoom 2% Zoom 8% Zoom 30% Zoom 60%

23 2. Workflow für UAV-Vermessungsflüge 2.1 Vorbereitung 2.2 Bildaufnahme 2.3 Auswertung 2.4 Weiterverarbeitung Grundlagen-Entscheidung Datenausgabe - Orthofoto - 3D Objekt Ausrüstung Maßstäbe und Referenzwerte - Konstruktions-Toleranzen reduzieren Zielmarken und Passpunkte Kamera und Kalibrierung - Konstruktions-Toleranzen reduzieren - Kontrast - Verdeckung u. Abschattung - Abb.-Exzentrizität u. Größe - Innere Orientierung - SteIlgrössen Bestückung Pass- und - Verteilung Verknüpfungspunkte Umgebung Aufnahmestandpunkte - Anzahl - Wetter - Lichtverhältnisse - Überdeckung / Programmierung - Schnittwinkel - Betrachtungsrichtung - Bilddaten in Software übernehmen - Positionsgebung - Postprozessing - Dateiweitergabe - Datenübernahme in Autodesk 2.5 Zusammenfassung - Vorteile der UAV-Photogrammetrie - Workflow komprimiert

24 2.1 Die Vorbereitung UAV Flug Grundlegende Entscheidung - Luftbild / Schrägbild / Panorama - Photogrammetrie für ein Orthofoto - Ausarbeitung zu einem 3D Objekt Die Flugplanung muss unterschiedlich vorprogrammiert werden!

25 2.1 Die Vorbereitung UAV Flug Maßstäbe und Referenzwerte Jedes Objekt hat eine unterschiedliche Struktur, die Aufnahmeszene wird vorab beurteilt. Es gibt noch kein Hilfsmittel das die Entscheidung für Lasermessung oder für Photogrammetrie unterstützt. Wir legen Maßstäbe aus und fotografieren diese und nutzen gleichzeitig die bestehenden GIS-Informationen. Die Objekte werden dann in Flugbahnen aufgeteilt. Beispiel einer zerlegten Flugplanung: ( Ein Überflug über die Autobahnbrücke war nicht erlaubt ) Autobahnbrücke Höhe 35m Andelfingen (CH)

26 2.1 Die Vorbereitung UAV Flug Zielmarken und Passpunkte Ein wichtiger Bestandteil in der UAV Vermessung und Postproduktion sind die Zielmarken. Sie helfen bei polymorphen Strukturen entsprechende Bildpaare zu Verknüpfen zu finden und eine Verbesserung der GSD zu erreichen. 10mm 19cm 2mm Zielmarken für die Fernerkundung m Distanzen 7cm Zielmarken für den Nahbereich Bestehender Vermessungspunkt am Bauwerk, er dient der späteren Höhenanpassung in der Photogrammetrie Wir setzen zusätzliche Zielmarken und vermessen Referenzstrecken für die Postproduktion, das bringt eine deutliche Qualitätssteigerung!

27 2.1 Die Vorbereitung UAV Flug Kamera Zur Anwendung kommen Vollformatkameras z.b. Sony Nex7 / Canon 5D Die Orthofotos werden als Senkrechtaufnahmen fotografiert. Je höher die Kamera-Auflösung umso mehr Informationen hat die Software zur Berechnung der Bildpunkte im Raum. Die Sensorqualität spielt bei der Fernbereichs- Photogrammetrie eine wesentliche Rolle, denn bei Flughöhen zwischen 80 und 100m ist eine scharfe Erfassung der Objekt-Informationen wesentlich. Kamera-Objektiv-Korrektur Eine Objektivkorrektur ist sehr wichtig, um den Verzerrungskoeffizient der Linse auszugleichen.

28 2.1 Die Vorbereitung UAV Flug Passpunkte - Verteilung und Anzahl Man kann also im Allgemeinen davon ausgehen, dass die Verbesserung der Genauigkeit abnimmt, je mehr Punkte gemessen sind. Allerdings ist dieser Faktor immer im Zusammenhang mit der Verteilung der Punkte zu betrachten, da allein eine hohe Anzahl mitunter schlecht verteilter Punkte die Genauigkeit des Bildverbandes nur geringfügig verbessert [Luhmann 2003]

29 2.2 Die Bildaufnahme Umgebung Auf das gesamte UAV-System wirken Umgebungseinflüsse wie z.b. Wind, Reflektionen und Lichtverhältnisse Maßnahmen: Unser UAV-System kann Windstärken bis 6m/s automatisch ausgleichen. Bei der Flugprogrammierung können wir jeden einzelnen Haltepunkt in Sekunden angeben. Objekt-Reflektionen gleichen wir mit Polfilter aus. Ein leicht bedeckter Himmel bietet die besten Lichtverhältnisse, da zu starker Kontrast dem Ergebnis schadet. mit Polfilter UAV-Flug mit Polfilter ohne Polfilter

30 2.2 Die Bildaufnahme Aufnahmestandpunkte - Boden Überdeckung der Fotos 70%L / 30%B nicht unter 50%! Schnittwinkel sollte etwa 45 je Bild zum Bildpunkt betragen, ein Bildkegel entsteht. Betrachtungsrichtung aus mehreren Ebenen in unterschiedlicher Höhe Brunnen Stadt Hüfingen OT Fürstenberg Denkmal Stadt Geisingen

31 2.2 Die Bildaufnahme Aufnahmestandpunkte - Überdeckung Im 90 Winkel zur Erdoberfläche und als Schrägaufnahme im 45 Winkel Überdeckung bei Senkrechtaufnahmen für Orthofotos sind 70%L / 30%B ideal Flughöhe bei Flächen ab 1ha zwischen m, unter 40m besteht Gefahr der Bildverzerrung durch Bewegungsunschärfe Bei 3D Objekten sind Überdeckungen aus mehreren Blickrichtungen nötig, ca. 3fache Menge an Bildinformationen incl. perspektivische Aufnahmen, die Flughöhe und der Objektabstand sind teilw. niedriger 20-60m Industriegebiet Stadt Geisingen mit 48ha Fläche Flugplanung Orthofoto-Stadt Geisingen Kommunalfläche zur Expo-Real München Okt14

32 2.2 Die Bildaufnahme Schnittwinkel & Betrachtungsrichtung Flugroute oberhalb Flugroute parallel Flugroute 45 zum Pfeiler von links 3 Stück im Winkel von 15 Frontale Aufnahmen Flugroute 45 zum Pfeiler von rechts 3 Stück im Winkel von 15 Für das gesamte Objekt sind bei einer Überdeckung von 70% 408 Bilder in der Flugplanung für eine 3D photogrammetrie Ausarbeitung vorgesehen. Eisenbahnbrücke Herisau (CH)

33 2.2 Die Bildaufnahme Beispiel Eisenbahnbrücke Herisau (CH) Flugroute oberhalb Flugroute parallel Flugroute 45 zum Pfeiler von links 3 Stück im Winkel von 15 Frontale Aufnahmen Flugroute 45 zum Pfeiler von rechts 3 Stück im Winkel von 15 Für das gesamte Objekt sind bei einer Überdeckung von 70% 408 Bilder in der Flugplanung für eine 3D photogrammetrie Ausarbeitung vorgesehen. Eisenbahnbrücke Herisau (CH)

37 2.3 Auswertung Die Bilddaten werden in Software übernommen.

38 2.3 Auswertung Positionsgebung im Programm Stadt Blumberg OT Hondingen kommunaler Straßenbau - Bauverlaufsdokumentation

39 2.3 Auswertung Postprozessing Vermessungspunkte für das Höhenprofil Straßenbau Stadt Blumberg OT Hondingen Schüttgut in grün, vor der Einbringung

40 2.3 Auswertung Datenweitergabe Wir exportieren die Photogrammetrie-Daten in folgende Dateiformen Geo TIFF, XYZ, ASPRS LAS, Google KMZ/KML, COLLADA, VRML, OBJ, PLY, 3DS, FBX, Universal 3D, PDF,

41 2.4 Weiterverarbeitung Übernahme der Daten in CAD-Programme und überprüfen der Messwerte m Brückenvermessung aus 80m Flug-Höhe 17.05m aus Grundriss 1:1000

42 2.5 Zusammenfassung Vorteile der UAV-Photogrammetrie: 1. Einsparung von Vermessungskosten 2. Rasche Datenerhebung (Brücke Herisau, reine Flugzeit 96min!) 3. Für Objekte mit unterschiedlichen Vermessungsflächen und Strukturen 4. Wiederholbarer Einsatz durch programmierten Flug 5. Errechnen von Vermessungsdaten bei gleichzeitiger Fotodokumentation (zeitnah und positionsgenau) 6. Erstellen von Orthofotos bis 100m Flughöhe mit GSD<0,5-10mm 7. Bauarbeiten müssen nicht unterbrochen werden 8. Einsatz in Naturschutzgebieten 9. An schwer zugänglichen Orten einsetzbar 10. Einsatz bei kommunalen und innerstädtischen Flächen 11. Berührungsloses auswerten der Daten und Volumina 12. Als zusätzliche Vermessungsmethode

43 2.5 Zusammenfassung Ausblick: Die Photogrammmetrie per UAV wird sich nach und nach etablieren, nicht in Konkurrenz zur klassischen Vermessungstechniken. Für bestimmte Einsatzbereiche! Ein Forschungsansatz kann laut Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schwieger (Institut für Ingenieurgeodäsie / Institute of Engineering Geodesy Universität Stuttgart) darin liegen, ein visuelles Erfassungs-System zu entwickeln, das vorab die Entscheidung - Photogrammetrie oder Lasereinsatz - trifft.

44 Unser Tipp Für Kommunen sind die Einsatzgebiete der Luftbild-Dokumenation vielfältig. Bilden sie Auftrags-Cluster und nutzen sie bestehende Netzwerke: - Zu Straßen- und Gehwegplanung - Für Neubaugebiete - Bei Brückenschäden - Zur Bauverlaufsdokumentation - Bei Schäden an öffentlichen Einrichtungen - Für die Bauplanung Grundstücksvermessung - Bei Elementarschäden, wie Hochwasser oder Regenwasser - Erfassung von Waldgebieten - Erstellung von Deponiekarten - Prospektion von Bauerwartungsland - Als Referenz ihrer Kommune Marketing - Für Neuordnung und Orientierung im Friedhofswesen Wir nehmen ihre Anfragen und Anregungen gerne entgegen!

45 Literaturnachweis: Masterarbeit von B.Sc. Martin Reich Bremen 2011 Bornimer Agratechnische Berichte Heft81Leibnitz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK)2011 WS UAV Betrieb Studentische Ausarbeitung von Peter Fischer FISCHER Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation (DGPF) e.v. Band S., Potsdam 2012 Hrsg.: Eckhardt Seyfert Agisoft PhotoScan Professional Agisoft PhotoScan - Tips and Tricks Agisoft Beispiele Luftaufnahmen -Photogrammetry und Vermessung Photogrammetrie - Lexikon der Geowissenschaften DGPF - Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e.v. - PFG Journal photogrammetrische Aufnahmesysteme GeoLexikon Photogrammetry Wiora DE - Photogrammetrie Wikipedia Inst. Photogrammetrie Univ. Stuttgart Prof. Dr. Dieter Fritsch 2014 Institut für Ingenieurgeodäsie /Stuttgart/Prof. Volker Schwieger 2014 Fotos von Luftbild- und Luftvideotechnik und Der Luftbildfotograf

46 Mein Name ist Passi, meine Kollegen und ich danken für ihre Aufmerksamkeit! Luftbild- und Luftvideotechnik Konstanz Danke an Herr Michael Geipel