Inspektion linearer Objekte mit flugzeuggestützten Sensoren

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1 Inspektion linearer Objekte mit flugzeuggestützten Sensoren ALBERT WIEDEMANN 1 Zusammenfassung: Es existiert ein beträchtlicher Bedarf, lineare Objekte, vor allem aus dem Bereich Infrastruktur wie Verkehrswege und Versorgungsleitungen, permanent zu überwachen. Flugzeuggestützte Sensoren lassen dabei die höchste Effizienz zu. Die BSF Swissphoto betreibt neben mehreren Flächenflugzeugen unter anderem digitale Luftbildkameras wie die Vexcel Ultracam D und Ultracam X sowie mehrere luftgestützte Laserscannersysteme von Optech. An Hand von Beispielen wird das Potential dieser Daten für die Erfassung und Überwachung linearer Objekte dargestellt, wobei auch die digitale Analyse dieser Daten Bestandteil des Beitrages ist. 1 Einleitung Lineare Infrastrukturobjekte wie Strom- und Telefonleitungen, Pipelines und Verkehrswege durchziehen die modernen Landschaften und haben Wechselwirkungen mit ihrer Umwelt. Der Zustand der linearen Objekte und ihrer Umgebung bedarf einer regelmäßigen Überwachung, um Störungen in ihrem Betrieb und in der Umwelt zu minimieren. Abb. 1: Cessna 206 der BSF Swissphoto während einer Flussbefliegung am mit eingebautem Laserscanner Optech ALTM Albert Wiedemann, BSF Swissphoto GmbH, Mittelstr. 7, Schönefeld, albert.wiedemann@bsf-swissphoto.com 1

2 2 Datenerfassung Die luftgestützte Datenerfassung mit Flächenflugzeugen ist sehr viel wirtschaftlicher als mit Helikoptern zu realisieren. Die Vibrationen sind geringer, die Betriebskosten sind niedriger, die Ausdauer größer und die Geschwindigkeit meist höher. Allerdings müssen zur Sicherstellung einer stabilen Fluglage und für den wirtschaftlichen Betrieb die meisten Bildflugzeuge eine minimale Geschwindigkeit relativ zur umgebenden Luftmasse von etwa 100 bis 140 Knoten ( km/h) einhalten. Hierzu muss man die zu erwartenden Windgeschwindigkeiten hinzurechnen, um die minimale Geschwindigkeit über Grund zu ermitteln, da man mit Gegenund Rückenwind rechnen muss. Die BSF Swissphoto operiert meist mit den eigenen Cessnas (siehe Abb. 1), chartert aber bei Bedarf auch Flugzeuge mit besonderen Flugeigenschaften, etwa Turboprops mit Druckkabine für große Flughöhen oder Flugzeuge mit besonderen Langsamflug- und Steigeigenschaften wie die Pilatus Porter PC-6 für den geländefolgenden Einsatz im Hochgebirge. Zum Einsatz kommen bei BSF Swissphoto die eigenen Sensoren, vor allem großformatige digitale Luftbildkameras und luftgestützte Laserscanner, aber auch weitere Sensoren von Partnern, wie etwa Thermalkameras. 2.1 Bilddatenerfassung mit großformatigen Digitalkameras Bei der Befliegung muss sichergestellt sein, dass die Vorwärtsbewegung des Flugzeuges keine Bewegungsunschärfen in den Bildern verursacht. Die Forward Motion Compensation der Vexcel Ultracam kompensiert bis zu 50 Pixel Bewegungen. Bei Belichtungszeiten kürzer 1/100 s ist das FMC System somit in der Lage, die Vorwärtsbewegung zu kompensieren. Im Normalmodus beträgt die minimale Bildfolgezeit 1,5 bzw. 2,2 s (UCD/UCX). Im Fastmodus (minimale Bildfolgezeiten UCD: 1,0 s, UCX: 1,2 s) kann man mit beiden Modellen der Vexcel Abb. 2 Vierfach vergrößerter Ausschnitt einer Befliegung mit der Vexcel Ultracam D 2

3 Ultracam jeweils Bilder bis zu einer Auflösung von 2 cm erstellen, wenn mit 120 kn und 60 % Längsüberdeckung geflogen wird. Dadurch reduziert sich zwar die Menge aufnehmbarer Daten einer Mission, dennoch können auf Grund der Kamerakapazität im Fastmodus in einer Mission 95 km (UCD), bzw. 250 km (UCX) einfache Streckenkilometer mit 2 cm Auflösung aufgenommen werden. Im Normalmodus sind ca. 250 km (UCD), bzw. 650 km (UCX) bei 3 cm Auflösung möglich. Die geringe Flughöhe und geforderte Präzision des Bildfluges stellen auch erhebliche Anforderungen an die Crew. 2.2 Luftgestütztes Laserscanning Luftgestützte Laserscanner kommen vorwiegend aus Hubschraubern zum Einsatz. Die Laserscannersysteme waren in der Vergangenheit kaum in der Lage bei typischen Flächenflugzeuggeschwindigkeiten von ca. 100 bis 140 Knoten ( km/h) Daten in ausreichender Dichte zu erfassen. Die neuesten Systeme können mit einer höheren Frequenz betrieben werden, so dass die Aufnahme mit Flächenflugzeugen zunehmend erfolgt. Abb.3 : Thermaldaten von Fernwärmenetzen (Quelle: Scandat) 3

4 Abb. 4: Befliegung mit der Vexcel Ultracam D, Bodenauflösung etwa 5 cm 2.3 Andere Sensoren Neben großformatigen digitalen Luftbildkameras und Laserscannersystemen lassen sich auch andere Sensoren einsetzen. In einem Flug zur Überwachung von Deichen im Rahmen des Hochwassers 2006 erfolgte eine kombinierte Befliegung der Überschwemmungszone mit Vexcel Ultracam D und einem Thermalscanner der Firma Scandat. 2.4 Anwendungsbeispiele Von BSF Swissphoto wurden im Laufe der letzten Jahre diverse Projekte zur Dokumentation linearer Objekte durchgeführt. Dabei kommt der Flugplanung eine besondere Bedeutung zu. Schwierig ist es vor allem, lineare Objekte zu befliegen, die enge Radien aufweisen wie natürliche Flussläufe oder Leitungen und Verkehrswege in gebirgigem Gebiet Rohrleitungssysteme Im Bereich des Flughafens Schönefeld wurden Rohrleitungssysteme erfasst. Die Befliegung am erfolgte in etwa 1000 m über Grund, was zu einer Bodenauflösung von ca. 10 cm führt (Abb. 2). Es bleibt zu prüfen, inwiefern Methoden aus der As-built Anlagenvermessung auf diese Daten anwendbar sind (MISCHKE & RIEKS 2001, PRZYIBILLA & WOYTOWICZ 2004). Auch der Einsatz von Laserscannern erlaubt hier automatische Auswertestrategien (BECKER 2005). Es lassen sich aber z.b. mit Thermalsensoren auch Fernwärme-Leitungssysteme auf Wärmelecks untersuchen (Abb.4, GEßNER & KRICKAU 2007) Stromnetz In der Vergangenheit reichte die Auflösung von abbildenden Sensoren kaum aus, um elektrische Leitungssysteme zu überwachen. Da die Identifikation eindeutiger Punkte in Leitungsrichtung auf den Leitungen nahezu unmöglich ist (zumindest abseits der Masten) und zusätzlich die Basis 4

5 Abb. 5: Befliegung mit der ALTM3100, Bodenauflösung etwa 3-4 Pt/m 2 in nahezu parallel zu den Leitungen verläuft, ist eine stereoskopische Auswertung der Leitungen selbst kaum realisierbar. So beschränkte man sich mit Bilddaten auf Havariebefliegungen. Dazu das Beispiel nach dem Wintersturm 2007 in Sachsen-Anhalt (Abb. 5). Die Befliegung erfolgte wenige Tage nach dem Schadensereignis mit der Vexcel Ultracam D in einer Höhe von 600 m über Grund (GSD ca. 5 cm). Zur dreidimensionalen Erfassung von Leitungssystemen eignen sich besser Laserscanner. Selbst dünnste Drähte erzeugen eine Reflektion und sind somit in den Daten repräsentiert. Diese frühen Signale lassen sich sehr gut durch automatische Filterverfahren erfassen. Die BSF Swissphoto hat eine eigenständige Auswerteumgebung auf der Basis von Eigenentwicklungen und Standardsoftware aufgebaut (LÜTHY et al., 2005) und nutzen diese effizient Bahnkörper mit Nebenanlagen Im Sommer 2007 wurden Bahnanlagen in Potsdam beflogen. Dabei ging es darum, das maximale Auflösungspotential zu ermitteln. Die Befliegung erfolgte in 350 m über Grund, was eine Bodenauflösung von etwa 3 cm bedeutet. Die Daten dienen auch als Basis für Studien hinsichtlich des automatisierten Auswertepotentials hochauflösender Bilddaten. Die langen Schlagschatten zeigen die spätabendliche Befliegung. Dennoch sind die Lichtverhältnisse ausreichend um auch in den Schattenbereichen noch Zeichnung sehen zu können. Diese speziellen Lichtverhältnisse führen zu Bildern, die Streiflichtaufnahmen in der Architekturphotogrammetrie ähnlich sind. 5

6 Abb. 6: Ausschnitt aus einer hochauflösenden Befliegung von Bahnanlagen, Bodenauflösung 3 cm 2.5 Sensorkombinationen Die BSF Swissphoto hat einige Erfahrung mit Kombinationsflügen, so mit Vexcel Ultracam und Thermalscanner, aber vor allem in Kombination mit luftgestützten Laserscannern (WIEDEMANN et al, 2007). Diese Kombination bietet ein beträchtliches zusätzliches, bisher nicht ausgeschöpftes Potential, insbesondere im Bereich der Datenanalyse und Klassifizierung. Auch für die im Sommer 2007 beflogene Bahntrasse (Abb. 6) liegen Laserscannerdaten vor, allerdings von einer geringfügig späteren Befliegung mit 4 Pt/m 2. Abb. 7: Querprofil durch die Laserscanning-Daten der Bahnbefliegung vom Sommer Datenanalyse 3.1 Bildanalyse Diese höchstauflösenden Bilder bieten ein vollkommen neues Potential in der Bildanalyse. Besonders die sich wiederholenden Bildstrukturen entlang linearer Objekte laden dazu ein, digitale Bildanalysemethoden zur automatischen Verfolgung dieser Objekte in der Bildsequenz heranzuziehen. Da es sich um anthropogene Objekte handelt, sind hier Methoden aus der Nahbereichsphotogrammetrie häufig besser geeignet (WENZEL et al., 2007, BENNING et al 2004) als gebräuchliche Methoden aus der Luftbildphotogrammetrie. Die Unstetigkeit der Oberfläche spielt hier eine entscheidende Rolle. 6

7 Mit Hilfe der Autokorrelation können sich wiederholende Strukturen in den Bildern lokalisiert werden. Dabei spielen im Gegensatz zu den üblichen Punktzuordnungsverfahren andere Kriterien eine Rolle: Eine untergeordnete Rolle spielt die Robustheit des Verfahrens hinsichtlich unterschiedlicher Beleuchtung (in einem Bild weitgehend homogen), unterschiedlicher Rotation (bei linear wiederholten Strukturen) und Maßstäbe, während man um die relevanten Punkte und Linien mit unterschiedlichen Hintergründen rechnen muss. Abb. 8: Bildanalyse zur Verfolgung einer Leitung über unterschiedlichen Hintergründen Somit sucht man Bildverarbeitungsmethoden, welche robust sind hinsichtlich unterschiedlicher Hintergründe. Dies lässt sich an besten durch eine Vielzahl berücksichtigter Merkmale erreichen (Abb. 8). Wird manuell eine Startlinie für eine lineare Struktur festgelegt, kann das Bild parallel zu dieser Linie gedreht werden, so dass diese in Spaltenrichtung verläuft. Dann werden die Merkmale an einigen Startpunkten erfasst. Die gewählten Merkmale sind hier die Grauwertverteilung im Pan-Bild, in den vier Kanälen RGB und NIR, jeweils 4 Kompassgradienten sowie die Varianz im Pankanal, die Gradienten und die Varianz unter Verwendung einer 3 3- und einer 7 7-Matrix. Man erkennt deutlich, dass die Merkmale ausreichend dominant sind, um automatisch verfolgt zu werden. Abb.9 : Laserdaten einer Flussbefliegung DSM (links) und DTM (rechts) 7

8 3.2 Laserdaten Laserdaten lassen häufig in Bilddaten unsichtbare Strukturen wie die Uferlinien im DTM (Abb. 9) erkennen. Besonders wenn man die Analyse der Laserscannerdaten durch Bildinformation stützt, sind optimale Ergebnisse zu erwarten. Die in der Regel mangelnde Lageauflösung von Laserscannerdaten kann durch die genauere Lokalisierung von Unstetigkeitsstellen im Bildmaterial an Hand der Gradientenbilder erhöht werden. Somit werden Unstetigkeitsstellen in der Lage aus den Bildern ermittelt, in der Höhe aus den Laserscannerdaten. Zusammen lässt sich so eine teilautomatische 3D-Vektordatenerfassung realisieren. 4 Zusammenfassung Die luftgestützte Sensorik dringt in Auflösungsbereiche und Datendichten vor, die bisher terrestrischen Anwendungen vorbehalten waren. Daher können die luftgestützten Methoden aus den terrestrischen Anwendungen sicherlich viele Ansätze übernehmen. Somit können die systematisch und effizient erfassten Luftbilddaten mit automatisierbaren Prozessen verschmolzen werden, was die photogrammetrische Effizienz weiter steigern wird. 5 Literaturverzeichnis BECKER, RALF (2005): Differentialgeometrische Extraktion von 3D-Objektprimitiven aus terrestrischen Laserscannerdaten Veröffentlichungen der RWTH Aachen, Nr. 63, BENNING, WILHELM, BECKER, RALF, EFFKEMANN, CHRISTOPH (2004): Extraktion von Ecken, Kanten und Profilen aus Laserscannerdaten, gestützt durch photogrammetrische Aufnahmen. In : Luhmann, Thomas (Hrsg.), Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D- Messtechnik, Wichmann, S (2004) GEßNER, ALF & H.-J. KRICKAU, H.-J., 2007: Verfahren zur Inspektion, Überwachung und Fehlerortung an Fernwärmeleitungen, AGFW-Seminar Dresden, 2007, LÜTHY, JÜRG; INGENSAND, HILMAR & STENGELE, ROLAND, 2005: Production Suite for Airborne Optical 3D Measurements, Wien, 2005 MIESCHKE, ALFRED & RIEKS, HANS-JOACHIM, 2001: As-built Anlagenvermessung in der chemischen Industrie. Photogrammetrie-Fernerkundung-Geoinformation, 1/200, S PRZYBILLA, HEINZ-JÜRGEN & WOYTOWIICZ, DETLEV, 2004: Dokumentation industrieller Anlagen: Vom 2D-Bestandsplan über das GIS zur virtuellen Realität eine Standortbestimmung. Photogrammetrie-Fernerkundung-Geoinformation, 1/200, S WENZEL, S., DRAUSCHCKE, M. & FÖRSTNER, W., 2007: Detection and Description of Repeated Structures in Rectified Facade Images. PFG, 2007 Heft 7, S WIEDEMANN, ALBERT; PETER, WENCKE & SCHMITS, MARTIN, 2007: Möglichkeiten und Einschränkungen des kombinierten Einsatzes digitaler Luftbildkameras und luftgestützter Laserscanner. Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung: Basel- Muttenz 2007, Band 16 8