Gilles Rock (2010)
Sensitivitätsanalyse zur UAV-Photogrammetrie - dargestellt an einem Bildflug mit einer autonom fliegenden Modellflugzeug-Drohne
In den Geowissenschaften werden in den letzten Jahren für unterschiedlichste Untersuchungen vermehrt unbemannte Flugplattformen, so genannte UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), eingesetzt. Die Anwendungsgebiete letzterer reichen von Übersichtsbilder, über Gasmessungen in Vulkanen (McGonigle et. al.: 2008), bis hin zur photogrammetrischen Höhenbestimmung von Objekten oder ganzen Geländeausschnitten (Marzolff & Ries,
2007:410). Einer der Hauptvorteile solcher Systeme sind die geringen Betriebskosten, die für eine Untersuchung aufgewendet werden müssen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Luftbildaufnahme durch UAVs, als Datengrundlage für eine anschließende automatische photogrammetrische Auswertung. Die Topographie eines Untersuchungsgebietes, welche in Form eines Digitalen Geländemodells (DGM) das Resultat einer photogrammetrischen Auswertung sein kann, ist für geowissenschaftliche Untersuchungen von höchster Bedeutung. Über die Topographie können Rückschlüsse z.B. auf Geologie, Hydrologie, Sedimentein- und -austrag, Sonneneinstrahlung etc. getroffen werden.
Wegen der viel geringeren Nutzlast der UAVs im Vergleich zu bemannten Flugzeugen, müssen die Instrumente in Gewicht und Ausmaß reduziert werden. Leider leidet die Qualität der Instrumente auch unter diesen Voraussetzungen. So kommt es, dass in ein UAV z.B. keine Reihenmesskammer eingebaut werden kann, welche sich durch exzellente Optik mit zusätzlichem Kalibrierprotokoll auszeichnet, sondern eine handelsübliche digitale Spiegelreflexkamera (DSLR). Ebenso besitzt die weiter verbaute Technik zur Positions- und Lagebestimmung im UAV nicht die Genauigkeit und Auflösung, wie dies in bemannten Flugzeugen der Fall ist. Dies hat zur Folge, dass die Qualität der Daten, welche für eine photogrammetrische Auswertung genutzt werden, bei UAVs eine geringere ist wie in speziell dafür ausgerüsteten bemannten Flugzeugen.
Für diese Arbeit wurden mit einem Modellflugzeug-UAV (Abbildung 1, rechts) spezielle Datensätze angefertigt, welche sich von den Methoden der Erhebung her nicht von denen der sonst im Gelände angewendeten unterscheiden lassen. Dazu wurde ein Steinbruch auf redundante Art und Weise zur Luftbildaufnahme vorbereitet (Abbildung 1, links). Dazu wurden 1042 Passpunkte (PP), 1957 zusätzlich Höheninformations-Punkte (HI) aufgenommen. Außerdem wurde zeitgleich ein LiDAR-Überflug getätigt, wovon die Daten für die Untersuchung auch zur Verfügung standen. Somit standen auch drei Referenzdatensätze zur Zusammenfassung 13 Verfügung anhand derer die DGMs evaluiert wurden. Allerdings musste der LiDAR-Datensatz noch einer sehr aufwändigen Aufbereitung unterzogen werden.
Anschließend wurde die photogrammetrische Datenauswertung durchgeführt, bei welcher versucht wurde, alle möglichen Parameterkombinationen abzudecken. Außerdem wurden in den Ergebnissen keine manuellen Korrekturen vorgenommen, um z.B. Ausreißer-Punkte zu eliminieren, weil diese Arbeit das Potential einer automatischen DGM-Generierung, welche für Datengrundlagen mit großen Ausdehnungen auf jeden Fall erforderlich ist, untersuchen soll.
Nachdem die Photogrammetrische Auswertung der Luftbilder abgeschlossen war, wurde noch eine Methode entwickelt um die generierten Digitalen Geländemodelle auf ihre Güte zu evaluieren. Dazu sollten die drei vorher beschriebenen Referenzdatensätze genutzt werden. So wurde für jeden Datenpunkt in den Datensätzen der Höhenunterschied zu den DGMs berechnet. Anschließend wurden diese Datensätze, auf der Suche nach Zusammenhängen zwischen Fehlerwerten und im Gelände beeinflussbaren Parametern, statistisch ausgewertet.
Als Ergebnis dieser Arbeit bleibt festzuhalten, dass ein Zusammenhang zwischen der Flughöhe und den Abweichungen der Digitalen Geländemodelle zu den Referenzmessungen besteht. Bei diesem Zusammenhang handelt es sich um eine quadratische Abhängigkeit, die absoluten Werte sind allerdings auch sehr stark von verwendeten Referenzdatensatz abhängig. Digitale Geländemodelle, die aus Luftbildern generiert wurden, welche aus geringen Flughöhen von 50-70 m über Grund aufgenommen wurden, besitzen das höchste Detailreichtum und bilden die Oberfläche am besten ab. Allerdings sind diese Geländemodelle sehr anfällig für, durch das Weiterwandern der Schlagschatten bedingte, Ausreißer. In Abbildung 2 werden einige der Ergebnisse der Untersuchung visualisiert. Diese Plots sollen den quadratischen Anstieg mit der Flughöhe sowie die, je nach genutzten Referenzdatensatz, unterschiedlichen absoluten Werte darstellen.
