Georeferenzierung von simultan aufgenommenen UAS Bild- und Laserdaten

Dauer der Arbeit: 6 Monate
Abschluss: März
Betreuer: Dr. techn. Gottfried Mandlburger, Dr.-Ing. Michael Cramer
Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Norbert Haala

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob mit kombinierten UAS‑Bild- und Laserdatensätzen ein Monitoring der Schleuse Hessigheim mit einer Genauigkeitsanforderung von 5 mm möglich ist. Dafür steht ein Datensatz zur Verfügung, der zu diesem Zweck im Rahmen eines Forschungsprojekts vom Institut für Photogrammetrie der Universität Stuttgart (ifp) in Kooperation mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) und dem Amt für Neckarausbau Heidelberg (ANH) erfasst wurde (Cramer et al., 2018). Diese Bild- und Laserdaten wurden in einer hybriden Streifenausgleichung (Glira, 2018) gemeinsam ausgeglichen. Dadurch soll sowohl eine gute relative Orientierung der Bild- und Laserdaten wie auch eine hohe Positionsgenauigkeit erreicht werden.

In dieser Arbeit wird geprüft, ob mit derartige Datensätze die hohe Positionsgenauigkeit und gute relative Orientierung erreicht werden können, die für das Monitoring erforderlich sind.

Der vorhandene Datensatz ist für hohe Genauigkeiten ausgelegt. Die Bilder sind mit einer GSD von 3-5 mm und die Laserdaten mit 800 Punkten pro Quadratmeter erfasst. Zur Beantwortung der Forschungsfrage, wurde der Bild- und Laserdatensatz sowohl getrennt als auch gemeinsam ausgeglichen. Mit Agisoft PhotoScan wurde eine georeferenzierte photogrammetrische Verknüpfungspunktwolke aus den Bilddaten mittels Bündelblockausgleichung erzeugt. Zur Georeferenzierung wurden dabei 10 photogrammetrische Passpunkte verwendet, die mit runden Zielmarken mit Schachbrettmuster markiert waren. Die Steifenausgleichung wurde als reine Ausgleichung der Laserdaten und als hybride Ausgleichung der Bild- und Laserdaten mit OPALS StripAdjust durchgeführt. Die Georeferenzierung in der Steifenausgleichung erfolgt über die Trajektorie des Laserscanners und drei satteldachförmige ALS‑Passflächen. Neben der reinen und hybriden Steifenausgleichung wurde eine weitere hybride Steifenausgleichung durchgeführt, in der die photogrammetrischen Zielmarken als zusätzliche Passinformation verwendet wurden, um den Block zusätzlich in der Höhe zu stützen. Aus den ausgeglichenen Punktwolken wurden digitale Oberflächenmodelle (DOMs) gebildet. Die Qualität der relativen Orientierung von unterschiedlich ausgeglichenen Punktwolken, wurde anhand von Höhendifferenzen zwischen diesen DOMs bestimmt. Darunter fällt die relative Orientierung der einzelnen Laserstreifen und die relative Orientierung des gesamten Laserstreifenmosaiks und der photogrammetrischen Verknüpfungspunktwolke. Die hybrid ausgeglichenen äußeren Orientierungen der Bilder wurden in Agisoft PhotoScan reimportiert. Dort wurde anhand von Residuen an den als Kontrollpunkte verwendeten Passpunkten die Positionsgenauigkeit der ausgeglichenen Objektpunktwolke punktuell bestimmt.

Zwischen den einzelnen Laserstreifen treten mit dem Spline‑Trajektorienkorrekturmodell Höhendifferenzen mit einer Standardabweichung von 1 cm auf. Die Genauigkeit der relativen Orientierung von gemeinsam ausgeglichenen Bild- und Laserdaten liegt mit dem Spline‑Trajektorienkorrekturmodell ebenfalls bei 1 cm.

In der verwendeten Version von OPALS StripAdjust liegt ein Fehler vor, durch den die äußere Orientierung der Kamera und die Bildkoordinaten der Verknüpfungspunkte als unbeobachtet in die Streifenausgleichung eingehen. Daher führt die gemeinsame Verwendung von Bild- und Laserdaten in der hybriden Streifenausgleichung zu Deformationen des ausgeglichenen Blocks. Dies resultiert in einer relativ schlechten Positionsgenauigkeit von 5 cm in der Lage und 15 cm in der Höhe. Durch die Verwendung der photogrammetrischen Zielmarken als zusätzliche Passinformation in der hybriden Streifenausgleichung verbessert sich die Genauigkeit der Objektpunkte in der Höhe auf 5 cm.

In dieser Arbeit kann die Genauigkeitsanforderung von 5 mm für ein Monitoring der Schleuse Hessigheim nicht erreicht werden. Glira (2018) weist in seiner Dissertation das Potential der hybriden Steifenausgleichung für hohe Genauigkeitsanforderung nach. Mit einer weiterentwickelten Streifenausgleichung erreicht er eine Positionsgenauigkeit von 1 bis 2 cm. Die Genauigkeit der relativen Orientierung der Bild‑ und Laserdaten ist bei Glira (2018) besser 4 mm. Aus den vorliegenden Ergebnissen wird geschlossen, dass eine Genauigkeit von 5 mm für kombinierte Bild- und Laserdaten mit einer erweiterten hybriden Streifenausgleichung und optimierten Datensätzen erreichbar ist. Ob ein Monitoring der Schleuse Hessigheim tatsächlich möglich ist kann nicht abschließend geklärt werden und muss in weiteren Forschungsprojekten geprüft werden.

Cramer, M., Haala, N., Laupheimer, D., Mandlburger, G. & Havel, P., 2018: Ultra-High Precision UAV-based LiDAR and Dense Image Matching. Int. Arch. Photogr. Rem. Sens. Spat. Inf. Sci., XLII-1, 115-120.

Glira, P., 2018: Hybride Orientierung von Laserscanning-Punktwolken und Luftbildern. Dissertation, Wien.