Photogrammetrische Schneehöhenbestimmung mit einer UAV-Plattform

Dauer der Arbeit: 4 Monate
Abschluss: Juni 2015
Betreuer und Prüfer: apl. Prof. Dr.-Ing. Norbert Haala

In dieser Arbeit soll ein schneebedecktes Gelände dreidimensional erfasst werden, um daraus die Schneehohe, für einen kleinen Bereich, abzuleiten. Das Modellflugzeug „Multiplex Twinstar II“ ist dafür mit der Kompaktkamera Canon IXUS 100 IS ausgestattet. Mit diesem System wurde das in Abbildung 1 zu sehende Gebiet, rund um die Kühroint-Alm, in der Nähe von Ramsau bei Berchtesgaden beflogen. Die dadurch gewonnenen Bilddaten werden mit photogrammetrischer Standardsoftware ausgewertet. Das Problem in diesem Projekt ist die anspruchsvolle Bildradiometrie, die aus der homogenen Schneeoberfläche entsteht. Aus diesem Grund wurde die Aufnahmekonfiguration den schwierigen Bedingungen angepasst. Die Luftbilder wurden mit einer großen Uberdeckung aufgenommen, um eine hohe Redundanz bei der Auswertung zu erreichen. Um die Genauigkeit der Ergebnisse zu überprüfen steht ein Laserdatensatz des Schneefelds zur Verfügung, der innerhalb dieses Projekts mit terrestrischem Laserscanning (TLS) erfasst wurde.

Das Schneefeld wurde mit unterschiedlichen Bildflügen insgesamt dreimal erfasst: Zweimal großflächig, mit einer GSD von 5 cm, einmal mit einer GSD von 2,5 cm. Die beiden großeren Flüge wurden bei unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnissen durchgeführt und enthalten, neben dem Schneefeld, auch die umliegenden Wälder. Alle gewonnen Bilddaten wurden mit den beiden Softwarepaketen Agisoft PhotoScan und Pix4Dmapper ausgewertet. Nach der Orientierung und indirekten Georeferenzierung der Bilder wurde daraus ein digitales Hohenmodell (DHM) mit der Auflosung der Bildflüge erstellt. Dies wurde mit den Softwares ArcGIS und CloudCompare mit einem gegebenen schneefreien Geländemodell aus einem airborne Laserscanning (ALS) verglichen. Der Vergleich in ArcGIS wurde mit den Daten des großeren Bildflugs durchgeführt. Abbildung 2 zeigt das dadurch entstandene Schneehohenmodell.

Das  Schneehohenmodell enthält  leider  auch  offensichtlich  falsche  Werte  von  -28 m  bis  0 m (schwarz) und 2 m bis 16 m (weiß). Grund dafür sind vor allem die prinzipbedingten Unterschiede der beiden Hohenmodelle. Für das Hohenmodell ohne Schnee lag ein digitales Geländemodell vor. Aus Bilddaten wird üblicherweise ein digitales Oberflächenmodell erstellt. Um dennoch eine großflächige Schneehohenbestimmung zu ermoglichen wurde mit der PhotoScan Software ebenfalls ein digitales Geländemodell aus einem der Bildflüge erstellt. Dabei muss die Hoheninformation allerdings oft über große Distanzen, beispielsweise im bewaldeten Gebiet, interpoliert werden. Dadurch entstehen offensichtlich Fehler. Auch der Pix4Dmapper ermoglicht die DGM Generierung in einer Beta-Version. Leider entstanden auch hier keine guten Ergebnisse. Aus diesem Grund wurde die Schneehohe des eigentlichen Schneefelds (Abbildung 1, links oben) noch einmal in einem separaten Verfahren bestimmt. Dieses Gebiet ist frei von Vegetation und Bebauung und bereitet dadurch keine Probleme beim Hohenvergleich. Der Vergleich wurde daher mit einem digitalen Oberflächenmodell (DOM) des Bildflugs innerhalb der Software CloudCompare durchgeführt.

Abbildung 3 zeigt die damit errechnete Hohendifferenz. Im Histogramm rechts ist zu sehen, dass auch hier negative Hohendifferenzen auftreten. Diese entstehen wahrscheinlich durch fehlerhafte Zuordnungen innerhalb der dichten Punktwolke, die bei der Generierung des Oberflächenmodells nicht ausreichend gefiltert wurden. Gleiches gilt für die Schneehohen großer als 2 m. Aus logischen Gründen wurden diese Hohendifferenzen eliminiert. Die durchschnittliche Schneehohe innerhalb dieser Grenzen beträgt ca. 85 cm.

Um einen Eindruck von der erzielten Genauigkeit der Bildflüge zu bekommen wurden diese mit einem terrestrischen Laserscanning des Schneefelds verglichen. Abbildung 4 zeigt einen Ausschnitt des Bildflugs mit 2,5 cm GSD, ausgewertet mit PhotoScan, bzw. dessen Abweichung vom Laserscanning.

Es ist gut zu sehen das die Abweichungen am linken unteren Rand am großten ist. Dies ist wahrscheinlich auf eine zu geringe Uberdeckung der Luftbilder in diesem Bereich zurückzuführen. Vor allem deshalb beträgt die mittlere Abweichung im gesamten Ausschnitt 46 cm. Abgesehen davon hat die Generierung des Oberflächenmodells aber gut funktioniert, und befindet sich meist innerhalb  einer  Genauigkeit ±  10 c m . Die  geringsten  Abweichungen  sind  in  der  Nähe  von Schneespuren im hellen Bereich zu finden. Das gute Ergebnisse in der Mitte der unteren Bildhälfte ist auf ein Gerollfeld am Boden zurückzuführen, das der Schneedecke eine heterogene Struktur verleiht.  Abbildung  5  zeigt  noch  einmal  deutlich,  wie  die  Genauigkeit  in  der  Nähe  von Schneespuren und der Struktur durch das Gerollfeld zunimmt.

Die dichte Punktzuordnung, die den digitalen Oberflächenmodellen zugrunde liegt hat beim hoher aufgelosten Bildflug deutlich besser funktioniert. Dadurch kann die Oberfläche auch in strukturarmen Bereichen gut rekonstruiert werden. Bei den Bildflügen mit einer Auflosung von 5 cm war die radiometrische Information in diesen Bereichen meist nicht ausreichend, um eine zuverlässige Punktzuordnung durchzuführen. Vergleich man die beiden Oberflächenmodelle aus den unterschiedlichen Softwarepaketen, so ist auch hier zu sehen dass Agisoft PhotoScan das etwas bessere Ergebnisse liefert.

Insgesamt wurde dadurch, zusammen mit den errechneten Schneehohen, bewiesen, dass die photogrammetrische Schneehohenbestimmung im Prinzip funktioniert.