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Nutzung der Aerophotogrammetrie mit UAV für GIS-Fachanwendungen

Ansgar GREIWE, Ralf GEHRKE und Christine GANGL

Dieser Beitrag wurde nach Begutachtung durch das Programmkomitee als „reviewed paper“ angenommen.

Zusammenfassung

Für zahlreiche GIS-Fachanwendungen sind aktuelle oder sehr hochauflösende Luftbilder eine erforderliche Datengrundlage. So steigert ein aktuelles Luftbild eines Baugebietes mit den vorhandenen Baustrassen die Attraktivität eines Internetapplikation („Baugebietsnavi-gator“). Ein weiteres Beispiel für den Einsatz einer GIS-Fachanwendung im Bereich der kommunalen Planung ist die Einrichtung eines Fachkatasters zur besseren Planung der Freiflächen von Friedhöfen („Friedhofskataster“). Sowohl die Analyse des Ist-Zustandes im hochauflösenden Luftbild als auch die Darstellung freier Flächen und die Erstellung von Prognosen der Inanspruchnahme sind hierbei Planungsaufgaben.

Bei kleinräumigen Gebieten (Baugebiet oder Friedhof) ist der finanzielle Aufwand einer „herkömmlichen“ Befliegung aufgrund der Größe der Objekte (wenige ha) nicht wirtschaft-lich, aus diesem Grunde werden meist vorhandene Luftbilder – oft älteren Datums - ver-wendet. Eine Möglichkeit der kostengünstigeren Befliegung wäre der Einsatz eines UAV (unbemanntes, autonom navigierendes Flugsystem). Diese ferngesteuerten Flugmodelle können meist eine Kompaktkamera tragen und sind für die photogrammetrische Aufnahme kleinräumiger Gebiete geeignet (EISENBEISS 2009).

In diesem Beitrag wird die Tauglichkeit der Kombination aus UAV und Kompaktkamera in einem Projekt zur Erstellung von Orthophotos eines Friedhofgeländes als Grundlage für eine Digitalisierung der Grabstätten (Friedhofskataster) dargestellt und ein Ausblick auf weitere Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

1 Microdrones MD4-200

1.1 Fluggerät

Für die Untersuchungen stand ein UAV der Fa. Microdrones, Siegen zur Verfügung. Hier-bei handelt es sich um einen sogenannten Quadrocopter, einem Flugsystem, welches den Auftrieb und die Neigung für Richtungsänderungen durch vier, in einer Ebene angeordnete Rotoren erzeugt. An einen Rahmen aus Karbon sind vier Arme mit den Elektromotoren befestigt, auf denen direkt die Rotoren (ebenfalls Karbon) befestigt werden.

Der Hersteller hat ein AAHRS (Altitude, Attitude and Heading Reference System) aus unterschiedlichen Sensoren (Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer, Luft-

Strobl, J., Blaschke, T. & Griesebner, G. (Hrsg.) (2011): Angewandte Geoinformatik 2011. © Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-508-9. Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der Creative Commons Attribution Lizenz verteilt wird (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

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druck-, Luftfeuchtigkeit- und Temperatursensor) realisiert und ein GPS (uBlox Empfänger mit EGNOS) integriert. Die Lagereglung des Systems (horizontale Ausrichtung der Platt-form, Berücksichtigung von Seitenwind) kann somit autonom erfolgen.

Aufgrund der verwendeten Materialien ist das System mit insgesamt 800 g sehr leicht, es kann dennoch eine Nutzlast von 200 g transportieren. Diese kann an speziellen Aufhängun-gen an der Unterseite des UAV befestigt werden (siehe Abb. 1). Die benötigte Energie liefern Lithium-Polymer Akkus (LiPo), die Kapazität dieser Zellen reicht nach Hersteller-angaben für eine Flugdauer von ca. 20 Minuten (MICRODRONES 2011). In der Praxis stellt sich dieser Wert jedoch als eine sehr optimistische Darstellung heraus. Mit einer Nutzlast von ca. 240 g und Windgeschwindigkeiten von ca. 2 m/s kann bei Außentemperaturen von 20° C eine Flugdauer zwischen 7 und 11 Minuten erreicht werden. Die Flugzeiten hängen insbesondere von dem Alter der LiPo Akkus ab, die nach ca. 140 Landezyklen für Flugzei-ten > 5 min. nicht mehr verwendbar sind.

Abb. 1: MD4-200 mit montierter Sigma DP1

1.2 Bodenstation

Die aktuellen Telemetriedaten (Akkuzustand, Position) werden durch einen separaten 2,4 GHz Sender vom UAV an eine mobile Bodenstation gefunkt. Besitzt die Nutzlast einen Video-Ausgang, so wird das aktuelle Videosignal ebenfalls an die Bodenstation gefunkt. Die Bodenstation besteht aus einem Koffer mit Stromversorgung und Empfangselektronik (Framegrabber), an den ein Laptop mit der vom Hersteller gelieferten Software „MD-Cockpit“ angeschlossen wird. Durch die Sprachausgabe der Software erhält der Pilot bei kritischen Situationen („Akkuspannung niedrig“) ein entsprechendes Audio-Feedback. Es besteht also nicht die Notwendigkeit für den Piloten, sämtliche Anzeigen während des Fluges im Auge behalten zu müssen.

1.3 Steuerung

Die Steuerung des UAV erfolgt primär über eine 35MHz RC-Steuerung, wie Sie im Mo-dellflug verwendet wird. Neben den Kanälen zur Steuerung des UAV sind Servokanäle (Neigung der Kamera), und Schaltkanäle (manuelles Auslösen von Bildern) zur Kontrolle der Nutzlast vorhanden. Zudem kann das UAV in einer sogenannten „Wegpunkt-Naviga-

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tion“ betrieben werden. Hierbei werden Wegpunkte (anzufliegende Positionen, Nutzlastak-tivitäten) vorab durch den Nutzer definiert, auf einer SD Karte gespeichert und dann im anschließenden Flug auf Befehl des Piloten vom UAV abgearbeitet. Der Pilot kann diesen Modus jedoch jederzeit unterbrechen und hat somit im Notfall die vollständige Kontrolle über das UAV. Neben der manuellen Steuerung des UAV sind zusätzliche Sicherheitsfunk-tionen implementiert, bei denen der Flugcontroller des UAV im Notfall automatisierte Manöver durchführt. Hierzu gehören die automatisierte Landung bei zu geringer Akku-spannung oder Kalibrationsmanöver bei fehlerhaften Sensorwerten (Magnetometerkalibra-tion).

1.4 Rechtliche Rahmenbedingungen (Deutschland)

Gab es in der Vergangenheit Diskussionen, ob ein UAV als „Flugmodell“ überhaupt ge-nehmigungspflichtig ist, so stellt der Gesetzgeber in Deutschland seit Dezember 2009 klar, dass es sich bei UAV um „sonstige für die Benutzung des Luftraums bestimmte Geräte, sofern sie in Höhen von mehr als dreißig Metern über Grund oder Wasser betrieben werden können“ handelt (§1 Abs. 2 Nr. 11. des Luftverkehrsgesetzes, LuftVG). In der novellierten Luftverkehrsordung (LuftVO) vom Januar 2010 ist in §16, Abs. 7 geregelt, dass die Nut-zung des Luftraumes durch den „Aufstieg von unbemanntem Luftfahrtgerät im Sinne von § 1 Absatz 2 Nummer 11 des Luftverkehrsgesetzes“ erlaubnispflichtig ist. Somit werden UAV von „Flugmodellen“ abgegrenzt und ihr Betrieb durch §15a LuftVO (Verbotene Nut-zung des Luftraums) weiter eingeschränkt. Flüge in der Nähe von Flugplätzen sind bei Entfernungen unter 1,5 km verboten. Zudem verbietet Absatz 3 den Betrieb, wenn der Flug „außerhalb der Sichtweite des Piloten erfolgt“ oder „die Gesamtmasse des Geräts mehr als 25 Kilogramm beträgt“. Während die Gesamtmasse weniger im Fokus steht, ist der Betrieb „außerhalb der Sichtweite des Piloten“ zu beachten. Erliegt dann vor, „wenn das Luftfahrt-gerät ohne besondere optische Hilfsmittel nicht mehr zu sehen oder eindeutig zu erkennen ist.“ Ein Flug um ein Hochhaus, auf dessen Rückseite das UAV vom Piloten nicht mehr zu erkennen ist, ist demnach unzulässig (auch wenn ein Videobild auf einen Monitor übertra-gen wird).

Die Aufstiegserlaubnis erteilt die „örtlich zuständige Behörde“, meist angesiedelt bei den Regierungspräsidenten (Darmstadt/Kassel für Hessen, Münster für Teile von NRW). Die Aufstiegserlaubnis beinhaltet weitere Beschränkungen (erforderliche Haftpflichtversiche-rung, Aufstiegszeiten oder zulässige Windgeschwindigkeiten) und wird in der Regel für ein Jahr erteilt. Die föderal bedingten Unterschiede in der Anwendung der oben genannten Vorschriften führen zu unterschiedlichen Rahmenbedingungen. So darf das laboreigene UAV in Hessen in Höhen von bis zu 150 m, in Teilen von NRW lediglich bis zu Höhen von 100 m eingesetzt werden.

2 Sigma DP1 als Sensor für ein UAV

Als Sensor für die Aufnahme der Luftbilder kommen aufgrund der geringen Nutzlastspezi-fikation nur Kompaktkameras in Betracht. Diese Kameras verfügen meist über einen relativ kleinen Sensorchip, welcher zu einer geringen Bildqualität führt. Die Firma Microdrones bietet für ihre MD4-200 eine leichtgewichtige Pentax Kamera mit einer Chipgröße von

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7.6 mm × 5.7 mm an. Diese Kamera verfügt über ein Zoomobjektiv, welches bei jedem Einschalten ausgefahren wird, eine Arretierung der Fokussierung auf eine bestimmte Ent-fernung ist nicht möglich.

Für den photogrammetrischen Einsatz einer Kamera sind eine möglichst große Sensorflä-che und eine feste Kamerakonstante (Brennweite) mit einem möglichst fix montierten Ob-jektiv (Weitwinkel) erforderlich. Aus diesem Grund wurde für die laboreigene MD4-200 eine Sigma DP1 ausgewählt und modifiziert. Hierbei handelt es sich um eine Kompaktka-mera mit einem 1-Chip-Vollfarbsensor in einer Größe von 20,7 × 13,8 mm (Foveon X3 Chip) und einem Festbrennweitenobjektiv (f = 16.6 mm). Aus der Kamera wurden Display, Blitz, Abdeckklappen entfernt und das Objektiv ausgefahren und anschließend fixiert (siehe Abb. 2). Die Fokussierung erfolgt im manuellen Modus und kann durch ein Einstellrädchen vor einer Kamerakalibrierung auf die gewünschte Entfernung (unendlich) engestellt wer-den. Der Akku wurde entfernt, die Stromversorgung erfolgt aus dem Akku des UAV. Somit sind zwei Forderungen erfüllt: Gewichtsreduktion von über 260 g auf 228 g und eine kali-brierbare, stabile Optik.

Abb. 2: Sigma DP1 (rechts) und modifiziertes Modell (links)

Bei den ersten Versuchen mit der Kamera stellte sich jedoch heraus, dass der Telemetrie-sender des UAV mit 2,4 GHz den Sensorchip der Kamera stört. Eine komplette Ummante-lung der Kamera mit Kupferfolie schirmt nun den Sensor ab und verbessert die Bildqualität. In Abbildung 3 ist die Verbesserung der Bildqualität deutlich sichtbar. Lediglich bei hohen ISO Einstellungen entsteht nun Bildrauschen. Allerdings erhöht die Modifikation das Nutz-lastgewicht um 10 g auf gerade noch akzeptierbare 238 g.

3 Bildflugplanung

Für die Aufnahme des Friedhofes wurde eine räumliche Auflösung von 3 cm vorgegeben. Bei einer Pixelgröße von 7,8 µm und einer Brennweite von 16,6 mm ergibt sich daraus eine mittlere Flughöhe von 63 m. Für die weiteren Planungen wurde eine Höhe von 60 m vorge- geben. Da der Quadrocopter keine Flugbahn im Sinne eines „Flugstreifens“ besitzt, sondern ein Gebiet rasterförmig abfliegen kann, wurde auf die klassische Berechnung der Längs-

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Abb. 3: Bildrauschen hervorgerufen durch Störstrahlung (links) oder hohe ISO (rechts)

und Querüberdeckung verzichtet. Die Seitenlänge des Chips beträgt 20,7 mm, der gegebene Bildmaßstab von ca. 1:3850, dies führt bei einer Überdeckung von 60 % zu einer maxima-len Basislänge von ca. 32 m. Mit diesem Wert wurde das Raster definiert und über das Untersuchungsgebiet gelegt. Aufgrund des Seitenverhältnisses des Sensors (2:3) ergibt sich so in Richtung der beiden Bildachsen eine Überdeckung von 60 %.

Die einzelnen Kamerastandpunkte zur Aufnahme wurden mit MD-Cockpit erstellt und auf die SD-Karte des UAV übertragen. Hierbei wurde pro Standort die Auslösung von zwei Aufnahmen im Abstand von 5 Sekunden definiert. Die Ausrichtung der einzelnen Aufnah-men erfolgt parallel zur Hauptachse des Friedhofes.

Abb. 4: Tatsächliche Abdeckung der Einzelaufnahmen mit Darstellung der Passpunkte (Dreiecke) und Kontrollpunkte (Kreise)

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Wie in Abbildung 4 dargestellt, wurden insgesamt 25 Bilder für das Gebiet benötigt, dies entspricht bei einer mittleren Fluggeschwindigkeit von 2,5 m/s einer Flugdauer von über 15 Minuten. Aufgrund der Akkukapazität sind Flüge bis zu einer Dauer von maximal sie-ben Minuten möglich, somit wurden insgesamt 4 Flüge mit 6 bis 8 Aufnahmen durchge-führt.

4 Auswertung

Die Flugdauer von maximal sieben Minuten führte zu einer recht knappen Bemessung der Flugzeit für Aktionen der Nutzlast. So wurde das Intervall zwischen zwei Aufnahmen an einem Wegpunkt mit 5 Sekunden geplant. In der Praxis zeigte sich jedoch, dass die Menge der Bilddaten (ca. 14 MB) nicht innerhalb dieser Zeit auf die SD-Karte geschrieben werden konnte, sodass die Kamera das zweite Auslösesignal „überhörte“ und somit von jedem Standpunkt nur ein Bild für die Auswertung vorlag.

Aufgrund der geringen Masse der MD4-200 sind Windgeschwindigkeiten oberhalb von 5 m/s zu vermeiden. Zwar sind die Windgeschwindigkeiten am Boden meist geringer, in Höhen über 30 m wird diese Marke allerdings leicht erreicht. Neben erschwerten Flugbe-dingungen – eine höhere Belastung der Motoren führt zu einer geringeren Akkulaufzeit – wird die Kamera in der nicht stabilisierten Aufhängung stark bewegt. Die Belichtungszeit wurde mit 1/1000 s schon relativ kurz gewählt, trotzdem weisen zwei der 25 Aufnahmen eine Bewegungsunschärfe auf. Das gesamte Gebiet konnte jedoch durch die hohe Überlap-pung trotz der zwei ausgefallenen Aufnahmen ausgewertet werden.

Die Aufnahmen wurden nach einer radiometrischen Korrektur (Weißabgleich, Belichtung) vom Raw-Format in TIFF überführt und in der Leica Photogrammetry Station (LPS) aus-gewertet. Vor dem Flug wurde von einer Markierung von Passpunkten auf dem Friedhof aus Pietätsgründen abgesehen. Somit wurden nach der Befliegung 8 Passpunkte und 10 Kontrollpunkte in den aufgenommenen Bildern definiert und anschließend per GPS eingemessen. Die Bündelblockausgleichung weist Genauigkeiten von ca. 2 cm in der Lage und 3 cm in der Höhe für die Passpunkte und ca. 5 cm in der Lage und 7 cm in der Höhe für die Kontrollpunkte aus, wie aus der folgenden Darstellung entnommen werden kann.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

Rechts Hoch Höhe

[m] Bündelblock

Kontrolle

Abb. 5: Erreichte Genauigkeiten der Bündelblockausgleichung und der Kontrollen

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Für die Erstellung des Orthophotomosaiks ist aus dem vorhandenen Bildmaterial mit der LPS Automatic Terrain Extraction (ATE) ein digitales Oberflächenmodell (DOM) mit einer Rasterweite von 3 m erstellt worden. Hierbei kamen in der ATE implementierte Filter („urban“) zur Unterdrückung kleinerer Objekte wie Vegetation/Grabsteine zu Einsatz. Eine Anpassung oder Modifikation der Standardvorgaben von LPS war für die Auswertung der UAV-Aufnahmen nicht erforderlich. Das erzeugte DOM wurde für die Generierung eines Orthophotomosaiks mit einer Rastergröße von 3 cm verwendet. Ein ausgelegter Siemens-stern stellte sich als einfaches Mittel zur Kontrolle der Abbildungsqualität der Aufnahmen während der Kampagne heraus. Die Auswertung des Sterns belegt die erreichte räumliche Auflösung von 3 cm (s. Abb. 5, rechts).

Abb. 6: Orthophotomosaik mit überlagertem GIS-Layer (links) und Siemensstern (rechts)

Die erzeugten Bilddaten wurden anschließend zur Digitalisierung der Grabstätten verwen-det. Hierbei wurden die Grabstätten typisiert und als Schablonen abgelegt. Diese Schablo-nen wurden dann auf dem erzeugten Luftbild positioniert und bilden die geometrische Grundlage für das aufgebaute Friedhofskataster.

5 Fazit

Der Nutzen eines UAV als Aufnahmeplattform zur Erzeugung eines Orthophotomosaiks für kleinräumige Objekte wie dem hier vorliegenden Friedhof konnte nachgewiesen wer-den. Zu beachten sind jedoch die Limitierungen des UAV hinsichtlich Nutzlast, Flugdauer und der Abhängigkeit von Witterungseinflüssen (insbesondere Windgeschwindigkeiten). Der Zeitaufwand für die Flugplanung und die Durchführung des Fluges kann für das vor-liegende Beispiel mit unter 4 Stunden Zeitaufwand angesetzt werden. Die Auswertung des Bildverbandes inklusive der Aufnahme der Passpunkte unterscheidet sich im Ablauf und Zeitaufwand nicht wesentlich von der Auswertung „klassischer“ Bildverbände.

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6 Ausblick

Das vorliegende Beispiel „Friedhofskataster“ ist nur eines der möglichen Anwendungsge-biete der Aerophotogrammetrie mit UAV. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Aufnahme aktueller Luftbildverbände für die Vermarktung von Baugebieten (Baugebietsnavigator, siehe Abb. 7). Anstelle eines amtlichen Luftbildes, auf dem die „grüne Wiese“ ersichtlich ist, dient hier das aktuelle Orthophotomosaik mit den bereits errichteten Baustrassen als Hintergrund für die Kartenanzeige der Parzellen.

Abb. 7: Internetapplikation „Baugebietsnavigator“ auf http://rono.fhffm.de

Die Anzahl der Anbieter und die Leistungsfähigkeit der UAV entwickeln sich rasant. Neue-re Systeme verfügen über größere Nutzlasten und ermöglichen die Nutzung weiterer Senso-ren (Colorinfrarotaufnahme s. Abb. 8). Dies ermöglicht die Erschließung neuer Anwen-dungsfelder in der kleinformatigen Aerophotogrammetrie.

Abb. 8: Colorinfrarotaufnahme Testgelände in Frankfurt/Main, Aufnahmehöhe ca. 50 m

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Literatur

EISENBEISS, H. (2009): UAV photogrammetry. DISS. ETH NO. 18515, doi:10.3929/ethz-a-005939264, Institute of Geodesy and Photogrammetry, ETH Zurich, Switzerland, Mit-teilungen Nr. 105, S. 235.

GEHRKE, R. & GREIWE, A. (2011): Sensoren zur kleinformatigen Aerophotogrammetrie mit UAV. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkun-dung, 13.-15.04.2011, Mainz (Beitrag eingereicht).

MICRODRONES (2011): Produktpräsentation. http://microdrones.com/ (01.02.2011).