Vermessung mit Drohnen - aber richtig!

Der Einsatz von Drohnen im Vermessungswesen hat sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt. Immer öfter setzen professionelle Anbieter Drohnen gezielt für die Vermessungs- und Kartierungsarbeiten ein. Durch die schnelle Einsatzbereitschaft der Technik in Verbindung mit einem hohen Automatisierungsgrad ist die Datenakquise mittlerweile auch für den Laien ein Kinderspiel geworden. Dennoch sollten Sie die wichtigsten Randbedingungen beachten, denn nicht jeder von uns ist ein Vermessungsingenieur.

Wo kommen Drohnen zum Einsatz?

Grundsätzlich gibt es hinsichtlich der möglichen Einsatzfelder kein Limit. Täglich werden neue Bereiche von Anwendern selbst entdeckt. Etabliert haben sich jedoch die Kartierung linearer Verkehrsträger (Gleisanlagen, Straßen) und Baufortschrittsdokumentationen. Auch Volumenberechnungen im Tagebau und Deponien gehören zu den wichtigsten Anwendungsgebieten. Häufig werden Drohnen auch zur Kartierung landwirtschaftlicher Flächen oder zur Schadensdokumentation in der Forstwirtschaft eingesetzt. Weiterhin können Fassaden mit einer sehr hohen Auflösung dokumentiert und eingemessen werden. Auch in der Denkmalpflege, zur Bauwerksprüfung und BIM werden immer öfter Drohnen eingesetzt.

Aus einzelnen Bildern wird ein 3D-Modell

Anhand vieler Luftbildaufnahmen eines Objekts, aufgenommen aus unterschiedlichen Perspektiven, kann über ein spezielles Verfahren der Triangulation in der Photogrammetrie ein 3D-Modell von dem Objekt erzeugt werden.

Die Größe des Objekts spielt dabei zunächst keine Rolle. Angefangen bei kleinen Gebäuden oder Fassaden können größere Flächen über mehrere 100 Hektar zusammenfügt werden. Die aufgenommenen Bilder müssen sich dafür in gewissen Bereichen überlappen. Sehr hilfreich ist dabei eine leicht zu bedienende Flugplanungssoftware speziell für die Drohnenvermessung. Die Bilder werden im Computer prozessiert und gemeinsame Punkte zu einem großen Modell zusammengeführt. Dieses 3D-Modell ist vergleichbar und verknüpfbar mit den Daten eines Laserscanners und kann anschließend, je nach Anwendung, weiterverarbeitet werden.

Passpunkte oder RTK Drohne?

Vor dem tatsächlichen Flug werden die Passpunkte möglichst homogen auf der zu vermessenden Fläche verteilt und mit einem GPS Rover oder Tachymeter eingemessen. Soll das 3D-Modell in ein lokales oder weltweites Koordinatensystem transformiert werden, sind Bodenpasspunkt (auch Luftbildmarken genannt) zwingend notwendig. Das ist unabhängig davon, ob die Drohne eine RTK Funktion besitzt oder nicht. RTK (real time kinematic) hat natürlich einen deutlichen Vorteil. Einerseits sind deutlich weniger Passpunkte notwendig, andererseits wird der aufwendige Rechenprozess im Nachgang beschleunigt. Bei größeren Projekten ist das entscheidend für die Wirtschaftlichkeit. Wer auf Passpunkte gänzlich verzichtet, erhält dennoch ein gutes 3D-Modell, eine Georeferenzierung im Nachgang ist aber häufig fehlerbehaftet und ungenau.

Auflösung vs. Genauigkeit

In der Vermessungstechnik gibt es einen weisen Spruch: "Nicht so genau wie möglich, sondern so genau wie nötig!" Die Parameter "Auflösung" und "Genauigkeit" spielen dabei eine große Rolle.

• Auflösung beschreibt den Detailgrad des Modells, ausgedrückt in Zentimeter pro Pixel. Einfluss auf diese Größe haben Brennweite, Entfernung oder Flughöhe sowie Pixelanzahl (Megapixel) des Kamerasensors.
• Die Genauigkeit hingegen ist eine geodätische Größe und kann nie besser sein als die Auflösung. Die Auseinandersetzung mit der Frage "Wie genau ist meine Messung?" ist sehr wichtig für ein gutes Ergebnis.

Beispiel Kartierung: Das Ergebnis eines Fluges aus einer Höhe von 100 m mit einer 20 Megapixel Kameradrohne hat im besten Fall eine Auflösung von 2 - 3 cm/Pixel. Werden Passpunkte korrekt verwendet hat das Modell eine Genauigkeit von 5 - 15 cm in Lage und Höhe.

Beispiel Fassade: Bei der Messung einer Entfernung zu einem Objekt (5 - 10 m) mit einer Drohne (20 MP Kamera) erhält man eine Auflösung von unter 5 mm/Pixel. Kleine Risse und Schäden werden damit sichtbar. Eine Genauigkeit ist vielen Fällen gar nicht erforderlich.

Vorgehensweise bei der Vermessung aus der Luft

1. Die Flugplanung

Alle notwendigen Genehmigungen für den Flug müssen eingeholt werden. Eine exakte Flugplanung wird mithilfe eines Polygons für die zu befliegende Fläche, mit einer geeigneten Software oder App gemacht. Als weitere vorbereitende Maßnahme ist der Wetterbericht nicht außer Acht zu lassen.

2. Der Passpunkt - Auslegen und Einmessen

Je nach Objektgröße werden mehr oder weniger Passpunkte ausgelegt und eingemessen. Bei häufiger Nutzung empfehlen wir, Passpunkte mit Aluminiumverbund Material zu verwenden, alternativ gehen auch Platten aus Hartschaum PVC. Erfahrungsgemäß sollten die Passpunkte an den äußeren Rändern und innerhalb der zu vermessenden Fläche positioniert werden. Der Abstand zwischen den Punkten sollte maximal 100 m betragen. An Fassaden oder Gebäuden können kleinere Passpunkte angeklebt und mit einem Tachymeter eingemessen werden.

3. Der Flug

Für den tatsächlichen Flug wird meist der automatische GPS-Flugmodus genutzt, um regelmäßige Bilder mit den gewünschten Überlappungen aufzunehmen. Danach sollte man die Schärfe der Aufnahmen und die Erkennbarkeit der Bodenpasspunkte überprüfen.

Beispiel 1: Das Aufnehmen einer quadratischen Fläche mit einer Größe von 10 Hektar aus 100 m Höhe dauert mit einer DJI Enterprise Drohne ca. 15 Minuten. Die Aufnahme von Fassaden oder Gebäuden erfordert die Umsetzung einer vertikalen Flugplanung, welche mit der Software DJI Flight Hub möglich ist.

Beispiel 2: Das Aufnehmen einer Fassade mit 4 Stockwerken und einer Länge von 30 Metern dauert ca. 15 Minuten bei einer Intervallauslösung von 2 Sekunden. Achtung, gerade in innerstädtischen Bereichen ist eine gute Flugerfahrung erforderlich. Wir empfehlen dafür eine Drohnenschulung mit geführtem Praxisteil. Der Drohnenflug sollte immer unter Beachtung der rechtlichen Grundlagen durchgeführt werden. Auch das Wetter sollte man stets im Blick haben. Besonders bei einem Flug in Gebäudenähe können auch Abstandssensoren nicht mehr richtig reagieren, da es in den Fenstern zu Spiegelungen kommen kann.

4. Bearbeitung der Aufnahmen mit Photogrammetrie

Die Bilder werden zusammen mit den GPS-Lagedaten (Exif Daten) in eine Photogrammetriesoftware geladen und über grafische Berechnungen zu einem 3D-Modell zusammengefügt. Die Passpunkte werden ebenfalls hinzugefügt, um die absolute Genauigkeit zu verbessern oder die Daten in ein lokales Koordinatensystem zu transformieren. Die dabei entstandene Punktewolke kann nun beliebig weiterverwendet werden, zum Beispiel in GIS- oder CAD-Programmen.

5. Export der Ergebnisse

Oft reicht es dem Anwender, ein sogenanntes Orthofoto des Geländes zu erzeugen, um eine aktuelle und detaillierte Übersicht über ein Gelände oder eine Baustelle zu bekommen. Auch Volumenbestimmungen in Tagebau, Halden oder Deponien sind nun mithilfe des 3D-Models machbar.

Anforderungen an den Computer

Um eine solche Punktewolke zu generieren, hat der PC einiges zu tun. Sowohl die CPU als auch die Grafikkarte werden während der Berechnungsphase stark ausgelastet. Oft ist es hilfreich, die Berechnungen abends anzustoßen. Auch Wochenenden oder Feiertage sind beliebte "Berechnungs-Tage". Wer keinen geeigneten Computer besitzt und sich auch keinen anschaffen möchte, der sollte auf Cloud-Dienste wie PIX4D oder Dronedeploy zurückgreifen. Dort werden die Bilder einfach hochgeladen und die Berechnung findet auf einem Server statt. Allerdings gibt es oft Beschränkungen hinsichtlich der Parameter. Teilweise können Fehler nicht wirklich nachvollzogen werden — man muss nehmen, was man bekommt. Aber die Investition, gerade für wenige Projekte, ist geringer, da projektbezogene Abrechnungen möglich sind.

Wer sich für die Desktop PC-Variante entscheidet, sollte die minimalen Anforderungen an die Hardware nicht unterschreiten. Generell gilt: je teurer, desto schneller und an RAM (Arbeitsspeicher) sollte nicht gespart werden. Je mehr Bilder für die Berechnung herangezogen werden, desto mehr Arbeitsspeicher benötigen Sie!

Datenhandling - wohin mit den vielen Gigabyte?

Wer kennt es nicht, zu große Datenmengen werden einem im Alltag oft zum Verhängnis. Der Versand per E-Mail oder Cloud-Dienstleistern ist meist begrenzt, ganz zu schweigen von der Übertragungsdauer.

Ein Beispiel: Orthofoto (geoTif) in der höchsten Auflösung (1,5 cm/Pixel) von einer Fläche von 15 Hektar, hat eine Größe von 2,5 Gigabyte.

Auch hier gilt der Grundsatz "nur so viel wie nötig". Für die Datenübergabe sollten Sie genau auswählen, welcher Bereich in welcher Auflösung exportiert werden soll. Vermeiden Sie zu große Dateien, denn das stellt auch Ihre Kunden nicht zufrieden. Beim öffnen großer Datenmengen kann es zu Problemen kommen.

Grenzen der Photogrammetrie

Die Drohnenvermessung ist keine Allzweckwaffe und hat ihre Grenzen. Grundsätzlich gilt - je besser die Qualität des Bildes, desto besser auch die Qualität des Modells. Folgende Parameter spielen dabei eine große Rolle und führen zum Erfolg:

• Scharfe und fokussierte Bilder
• Homogene Belichtung (lange Schatten oder helle Flächen vermeiden)
• Gute Überlappung der Bildreihe (mindestens 65%)
• Saubere Kameralinse

Wenn es dunkel ist oder sich die Objekte zwischen den einzelnen Aufnahmen bewegen, erhält man keine sinnvollen Ergebnisse. Auch kontrastarme Flächen - wie Asphalt oder weiße Hausfassaden - sind eine Herausforderung. Gar keine Ergebnisse sind auf Wasseroberflächen zu erwarten, da sich Wasser ständig bewegt. Durch Wasser hindurch zu fotografieren geht auch nicht ohne Weiteres, da die Oberfläche meist reflektiert.

Um zu einem Ergebnis zu kommen, nutzt man in diesem Fall häufig eine Kombination verschiedener Vermessungsmethoden. Es können die Punkte eines Laserscanner mit der Punktewolke aus der Photogrammetrie verbunden werden. Weiterhin gibt es viele Schnittmengen mit der klassischen Vermessung (Rover und Tachymeter)

Welche Drohne?

Ist das Verfahren der Photogrammetrie gesetzt, stehen mehrere Drohnen für die Luftaufnahmen zur Auswahl. Um die Richtige zu finden, müssen abhängig vom Einsatzzweck zunächst einige Fragen beantwortet werden. 

• Wie oft nutze ich das System später?
• Welche Objektauflösung benötige ich? (1 mm oder eher 2 cm/Pixel)
• Welches Budget habe ich zur Verfügung?
• Habe ich geeignete Flugerfahrung? (Flug ohne GPS-Unterstützung an Fassaden)
• Welche Größe hat mein Einsatzfahrzeug? (genügend Leistung für das Nachladen der Akkus)

Gerne beantworten wir zusammen mit Ihnen die wichtigsten Fragen.