Anwendungsmöglichkeiten von UAVs in der Umweltbeobachtung - am Beispiel der Beobachtung mariner Säugetiere. Dr.-Ing. Görres Grenzdörffer

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1 Anwendungsmöglichkeiten von UAVs in der Umweltbeobachtung - am Beispiel der Beobachtung mariner Säugetiere Dr.-Ing. Görres Grenzdörffer Universität Rostock Institut für Management ländlicher Räume Professur für Geodäsie und Geoinformatik X 2009 Meeresbiologischer Hintergrund Meeressäuger in der Ostsee: Seehunde (Phoca vitulina), Kegelrobben (Halichoerus grypus), Schweinswale (Phocoena phocoena) Schweinswale sind die einzigen einheimischen Meeressäuger Hohe räumliche Dynamik Geringe Populationsgröße Zählung der Schweinswale: Totfunde Observerflüge T-PODs Norway Denmark Sweden < 460 Individuen Schweinswale Germany Poland 1

2 Konstante Flughöhe (r) Transektlinien-Methode a Anerkannte Methode Abschätzung von Dichteverteilung Bestand kostenintensiv Transekt FTZ Vorteile eines UAV-Einsatzes zur Detektion mariner Säugetiere Objektives, nachprüfbares Verfahren Near-Online Möglichkeiten: Erste Qualitätskontrolle direkt nach Flug Unabhängiges System, keine Koordination mit Flugzeugcharterer u. Observern nötig Effizient (kostengünstig) für kleine Gebiete, lange Streifen Leise (bei Elektromotor), z.b. für Vogelbeobachtungen Geringere Wetterabhängigkeit als Flugzeug, kann unterhalb von Wolken fliegen (Wind kann kritisch werden) 2

3 Anforderungen an eine Digitalkamera für photogrammetrische Anwendungen für ein UAV Kompakt Geringes Gewicht Manuelle Steuerung (Brennweite, Belichtungszeit, Blende ) Blitzschuh zum Abgreifen des Auslöseimpulses Kein automatisches Einschlafen der Kamera Möglichkeiten zur externen Stromversorgung Canon Powershot G9 Technische Details x Pixel (= 12,1 Megapixel), 1/1,7-Inch- Sensor (7.6 x 5.7 mm) Pixelgröße: ~1.9 µm Belichtungszeit: 1/60-1/2.500 Sec. Brennweite: 7,4-44,4 mm Manuelle Einstellungsmöglichkeiten Min. Bildfolgezeit (ca s/bild) Gewicht: ca. 320 g (mit Batterie und Mechanik ca. 450 g) Datenspeicherung: SD-Karte mit 16 GB (~ 3000 Bilder) Preis: ca. 350 Sind geometrischen und radiometrischen Eigenschaften der Kamera für Luftbildaufnahmen von dunklen Wasserflächen ausreichend? 3

4 Verzeichnung Relativ [%] Verzeichnung [µm] Geometrische Eigenschaften Bestimmung der inneren Orientierung durch Testfeldkalibrierung dr (µm) Radialentfernung [mm] Problem: die Verzeichnung gilt immer nur für eine Brennweite Lösung: Bestimmung der Verzeichnung für alle Brennweiten unter Nutzung der EXIF-Informationen der Kamera Verzeichnungsprofil des Zoom-Objektivs Bei kleinformatigen Kameras mit Zoomobjektiven ändert sich die innere Orientierung in Abh. der Brennweite gravierend mm mm mm mm mm 44.4 mm 0.95 Canon G9 Radialentfernung [Pixel] Software ImageIron Bei der UAV-Nutzung von Zoomkameras Kalibrierungsprofil erstellen 4

5 UAV-Aufnahmen Mögliche Verfahrenswege der photogrammetrischen Auswertung Die Aerotriangulation ist nicht für alle (einfachen) Fragestellungen das beste photogrammetrische Orientierungsverfahren Einbildverfahren, relative Orientierung, Image Matching sind alternative Verfahren, die am besten mit verzeichnungsfreien Bildern arbeiten. Berechnung verzeichnis- (freier) Bilder Einzelbildentzerrung Image Matching Einfach Aerotriangulation mit / ohne Selbstkalibrierung Georeferenzierter Bildverband Komplex 5

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7 Bewegungsunschärfe [µm] Bewegungsunschärfe Aufgrund der geringen Pixelgröße der CCD-Sensoren, der geringen Flughöhe von UAV s kommt es längeren Belichtungszeiten und Zoomeinstellungen zu Bewegungsunschärfen UAV 1/500 s 1/1,000 s 1/2,000 s Flugzeug (Cessna) 1 Pixel 0,5 Pixel Fluggeschwindigkeit [km/h] 7

8 SNR Radiometrische Eigenschaften und Bildqualität Die numerische Bodenauflösung (GSD) einer digitalen Kleinbildkamera ist nicht vergleichbar mit einer Luftbildkamera Die Beschreibung der Bildqualität und des Auflösungsvermögens einer Kamera ist ein komplexes Unterfangen, das nicht nur auf einige Zahlen reduziert werden kann Probleme und Tests zur Bildqualität Rauschverhalten (SNR und chromatisches Rauschen) Bildschärfe (MTF und LSF) True GSD Makrokontrast Helligkeitsrandabfall (Vignettierung) Bildqualität der Powershot G9 Signal-Rausch-Verhältnis Messung mit einem Graukeil und verschiedenen Kameraeinstellungen Das Signal-Rausch- Verhältnis (SNR) ist ein wichtiger Qualitätsparameter, insb. bei schwierigen Lichtverhältnissen (Wasser) ISO 100 und 200 sind OK SNR der Kamera ist ein limitierender Faktor (hohes chromatisches Rauschen) ISO 100 ISO 200 ISO 400 ISO 800 ISO Density (log) ISO 100 ISO

9 48 AV d Das Auflösungsvermögens (AV) Messung des Auflösungsvermögens (AV) mit Siemensstern maximale AV in lp/mm: 48 AV d wobei d = Strecke des nicht aufgelösten Unschärfekreises Die gemessenen Werte sind immer entfernungsabhängig Für den Bildflug wichtig: Randabfall des AV und Unterschiede zwischen verschiedenen Kamerasystemen bzw. Objektiven. Bildmitte Bildrand Bsp: Entfernung ca. 2 m Bildmitte AV = 31,18 lp/mm, am Rand AV = 22,18 lp/mm. (= 30 % Abfall) Modulationstransferfunktion (MTF) Eine kontrast- und entfernungsunabhängige Beschreibung des AV gibt die Kontrast- bzw. Modulationstransferfunktion (MTF). Quelle: 9

10 Modulationstransferfunktion (MTF) Die Ortsfrequenz, bei welcher der MTF-Wert 10% unterschreitet, ist das Auflösungsvermögen des Objektivs im Luftbild. So fein dürfen periodische Streifenmuster werden, bevor ihr Bild in strukturloses Grau übergeht. MTF-Kurven dieser Art sind Systemkurven abhängig von: Eigenschaften des Objektivs, Anzahl und Größe der Pixel des Sensors Auslegung des Tiefpassfilters spektrale Empfindlichkeit, die Algorithmen zur Umrechnung der Bayer-Matrix Daten der Grad der nachträglichen Schärfung zur Kompensation des Tiefpassfilters Eine MTF gilt immer nur für einen Bildausschnitt Gemessene Bildqualität - MTF G9 Bildmitte, Blende 5 G9 Bildrand, Blende 5,0 AIC 45 Bildmitte, Blende 8, * Pixel Testbild 10

11 Edge Response und Line Spread Function E(x) l(x) x d dx x OTF (, ) FT OTF (,0) FT PSF ( x, y) MTF (, ) Exp( j l ( x) MTF (,0) Exp( j (,0)) (, )) Bildqualität Line Spread Function (LSF) G 9 Bildmitte (Blende 5,0, c = 7,4 mm) G 9 - Bildrand (Blende 5,0, c = 7,4 mm) Bildmitte - Rollei AIC * Pixel Testbild 11

12 Relative Edge Response 1.2 Überschwingung Höhe der Flanke Die Flanke ist umgekehrt proportional zur Breite der PSF 0 Unterschwingung Pixels Die mittlere Breite der Edge Response (10 90 %) ist ein Maß für die tatsächliche Bildschärfe bzw. die GSD Numerische Bodenauflösung (GSD) vs. True GSD Numerische Bodenauflösung (Ground Sampling Distance (GSD)) GSD EL CCD * h g c EL CCD = Größe des CCD-Elements Problem: Bildqualität, Atmosphärische Rahmenbedingungen, FMC gehen nicht in die Berechnung des GSD ein, deshalb numerischer GSD bei billigen Sensoren zu optimistisch Alternativ: Berechnung eines True GSD, d.h. tatsächlich verwertbare Bodenauflösung, mit Hilfe der Relativen Edge Response. Kanten können aus Luftbildern gewonnen werden Künstliche Targets: Siemenssterne, etc. (zuverlässige Aussagen) Natürliche Targets: z.b. Häuserdächer / Schatten (nur wenn es sein muss) True GSD = Avg edge spread * GSD 12

13 Rollei AIC 45 Canon Powershot G9 13

14 Canon G9 mit Bewegungsunschärfe Makro-Kontrast Der Makro-Kontrast hängt vom Falschlichtverhalten des Objektivs ab. (unerwünschte Reflexionen zwischen den optischen Flächen und Lichtstreuung in der Optik) Rauschen des CCD-Sensors beeinflusst die Brillanz sehr Makro-Kontrast bei Rollei AIC 45 Makro-Kontrast bei G9 14

15 Grauwerte Grauwerte Helligkeitsrandabfall (Vignettierung) Blende 2.8 Blende Distanz zur Bildmitte (Pixel) Der Helligkeitsrandabfall nimmt mit der Entfernung vom Bildhauptpunkt zu den Bildecken hin zu Er tritt vor allem bei offenen Blenden auf Der Effekt kann durch geeignete Software / Freeware reduziert werden, z.b. Vignetting reducer Orginal Korrigiert Distanz zur Bildmitte (Pixel) Fazit der Bildqualitätsanalyse G 9 macht schöne (Luft)Bilder, von kontrastreichen Motiven, bei ausreichend Licht, (Belichtungszeit und ISO) geschlossener Blende, kein Zoom, geringer Fluggeschwindigkeit und in der Bildmitte. Leider sind Meeresaufnahmen mit einem UAV, kontastarm, dunkles Motiv, aus schnell fliegenden Plattformen heraus aufgenommen. Fazit: Für Meeresaufnahmen ist eine bessere DSLR-Kamera mit größeren CCD-Elementen notwendig 15

16 Dynamisches photogrammetrisches Flugmanagement System ein wichtiges Werkzeug für UAV s Problem Über die genaue Flugplanung wird oft erst Vor-Ort entschieden Aufgrund von Wind und anderen unerwünschten Effekten weicht die tatsächliche Flugroute von der geplanten ab Für Photogrammetrie sind systematisch aufgenommene Bilder notwendig (definierte Längs- und Querüberlappung) Für die photogrammetrische Prozessierung ist die äußere Orientierung wichtig (GPS-Position) und die Winkelinformationen (Roll-, Nick- und Kurswinkel) Lösung Entwicklung eines PDA-basierten Flugmanagement Tools mit einer Flugplanungskomponente und der hochdynamischen Berechnung des Auslöseintervals unter Berücksichtigung eines DGM s PDA-basierte automatische Bildflugnavigation für UAV s - (PFIFF Pocket) Funktionen Automatische Bildauslösung (TTL- Signal) entsprechend vorgegebener Längsüberlappung Berechnet kontinuierlich die Bildfolgezeit Genauigkeit der Bildauslösung ± 140 ms Logdatei der aufgenommenen Bilder Bildmittenübersicht Darstellung der Bildmittelpunkte im Display DGM-Integration zur Bestimmung der Höhe über Grund, besonders wichtig für UAV-Auslösesteuerung Zusätzliches Flugplanungsmodul 182 km/h 7.6 s 179 FH: 4735 ft FL: 4500 ft Diff: ft 16

17 Fertig!! Flugplanungsmodul (PFIFF Flight) Voraussetzungen Kameraprofil (Name, Anzahl Pixel, Pixelgröße, Brennweite) Shapefile des Untersuchungsgebiets, z.b. Google Earth Verfahren 1. Definition von Projekt Parametern 2. Berechnung von Flugparametern 3. Berechnungen Von Flugstreifen und anderen Parametern Google Earth 17

18 Robben an der dänischen Küste, Flughöhe: ca. 200 m GSD: ca. 2.5 cm 18

19 Mustererkennung von Möwen Möwen Modell (Rotations- und Größeninvariant) Identifizierte Möwen m x x x m 93 Vögel erkannt, 3 Verpasst (m), 3 Fehlklassifikation (x) Aufnahmedatum: m 19

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21 Vielen Dank 21