Qualitätsuntersuchung zur GNSS/inertial-basieren Aerotriangulation am Beispiel einer empirischen UAV-Befliegung

Dauer der Arbeit: 4 Monate
Abschluss: Februar 2020
Betreuer: Dr.-Ing. Michael Cramer
Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Norbert Haala

UAV-Befliegungen bieten eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, um Gebiete topografisch zu erfassen. Mittlerweile können auch bei UAV-Anwendungen auf Trajektorieinformationen aus integrierten GNSS/inertial-Messsystemen zurückgegriffen werden. Prinzipiell ist damit eine direkte Georeferenzierung, das heißt die vollständige passpunktfreie Auswertung möglich. Die Qualität der Auswertung hängt dabei wesentlich von der Gesamtsystemkalibrierung ab. Diese umfasst neben der Kalibrierung des Messsystems auch die Kalibrierung der Sensorparameter, sprich die Parameter der inneren Orientierung sowie der Objektivverzeichnung.  

Im ersten Teil der Arbeit wird allgemein untersucht, wie sich Restfehler in der Gesamtsystemkalibrierung auswirken. Diese Restfehler werden anhand eines realistischen Datensatzes simuliert und es werden Systematiken, aufgrund der Restfehler, herausgearbeitet.

Im zweiten Teil wird ein Teil des Datensatztes der UAV-Testbefliegung Hessigheim (Epoche November 2018) ausgewertet. Neben einer Genauigkeitsabschätzung wird auch darauf geachtet, ob noch Restfehler in der Gesamtsystemkalibrierung vorhanden sind.  

Die Simulation wird einem kleiner Datensatz einer Befliegung des Testgebietes Hessigheim durchgeführt. Das Gesamtsystem besteht aus der Kamera DigiCAM 50 und dem Messsystem AERO Control. Die Bodenpixelgröße beträgt 5-7 cm.
Für die Simulation der Restfehler werden in der inneren und äußeren Orientierung bewusste Fehler eingebaut. Mit diesen bewussten Verfälschungen der Parameter wurden jeweils Bündelblockausgleichungen berechnet. Die ausgeglichenen Neupunktkoordinaten sind anschließend mit den Neupunktkoordinaten einer fehlerfreien Ausgleichung (Referenz AT) verglichen worden. Der Vergleich wurde durch Differenzbildung der Neupunktkoordinaten realisiert. Anhand dieser Differenzbilder konnten Systematiken abgeleitet werden, die aufgrund der bewusst gesetzten Fehler entstanden sind. Es wurden Fehler im GNSS-Antennenoffset, des Boresight-Alignment, der Linsenverzeichnung und des Bildhauptpunktes betrachtet.

Die Differenzen der Neupunktkoordinaten unter Ausgleichung mit verfälschtem GNSS-Offset und Boresight-Alignment und der Neupunktkoordinaten der Referenz AT sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt.

Es zeigt sich, dass bei einer Verschiebung des GNSS-Antennenoffsets in X,Y-Richtung eine Verkippung des ausgeglichenen Blockes entlang der Flugstreifen (Südost – Nordwest) und tangential zu den Flugstreifen entstehen. Diese Verkippungen sind auch bei einer Verfälschung der Orientierungswinkel ω, φ zu erkennen. Wie zu erwarten werden die Neupunktkoordinaten bei einer Erhöhung des GNSS-Offsets auch höher geschätzt.

Bei der Veränderung des Orientierungswinkel κ zeigen sich kaum Systematiken in der Vertikalen. Da es sich hierbei nur um eine Rotation in der X,Y-Ebene handelt.

Bei Betrachtung der Differenzbilder muss darauf geachtet werden, dass es sich um einen realen Datensatz handelt und sich Einflüsse des Gebietes in der Simulation wiederspiegeln können. So kommt es vor allem bei den Lagedifferenzen zu Skalierungen auf Grund des Flugmusters, welches aus entgegengesetzten Flugstreifen besteht, und dem großen Höhenunterschied (ca. 100 m) im Gelände.

Es zeigt sich, dass das bewusste Erkennen und Simulieren von Fehlern an einem realen Datensatz sich relativ schwierig gestaltet, da es zu Überlagerungen von Fehlern kommen kann.  

Für die Qualität der Neupunktkoordinaten ist die Anzahl der Passpunkte, die Überdeckung der Bilder und die Anzahl der Verknüpfungspunkte entscheidend. Des Weiteren ist eine korrekte Kalibrierung des Gesamtsystems und die richtige Wahl der Standardabweichungen ausschlaggebend für die Genauigkeit.