Was sind die Vor- und Nachteile der Photogrammetrie gegenüber Lidar (Light Detection and Ranging) im Hinblick auf Genauigkeit, Komplexität und Kosten, wenn es um 3D-Modellierung im Bauwesen geht? Die Abkehr von der Lasermessung im Bauwesen ist ein Tabuthema, das vielleicht den Einsatz der Photogrammetrie behindert. Im Bauwesen bietet die Luftbildvermessung enorme zeitliche Vorteile bei der Vermessung von Grundstücken. Die Daten können für die Klassifizierung von Objekten und die Validierung von Bauvorhaben sowie für den Arbeitsschutz verwendet werden. Insbesondere liefern regelmässige Scans eine Zeitreihe der laufenden Arbeiten, um neue Probleme zu erkennen und Risiken zu managen, anstatt auf sie zu reagieren. Dieser Artikel befasst sich mit dem aktuellen Stand der Technik.
Was ist Photogrammetrie?
Photogrammetrie ist definiert als die Methode zur Gewinnung von Informationen über physische Objekte und Gelände durch die Aufnahme, Messung und Interpretation von fotografischen Bildern. Die Photogrammetrie nutzt Methoden der Optik und der projektiven Geometrie, um digitale 2D- oder 3D-Modelle zu erstellen.
Mit Hilfe von Kameraparametern und einer Reihe von Bildern, die aus verschiedenen Positionen und Aspekten aufgenommen wurden, können in der Nachbearbeitung 3D-Informationen gewonnen werden.
Was ist Lidar?
Bei Lidar (Light Detection and Ranging) wird ein 3D-Zielgebiet mit einem gepulsten Laser beleuchtet und der Unterschied in der Rücklaufzeit und Wellenlänge des reflektierten Lichts gemessen. Lidar-Systeme feuern in der Regel eine Million Impulse pro Sekunde ab, wobei jeder verarbeitete Rücklauf in eine 3D-Visualisierung, die so genannte Punktwolke, einfliesst.
Verwendungen im Bauwesen
Mehrere Bauphasen können von der 3D-Modellierung profitieren. Bei Neubauprojekten können die ersten Erhebungen vor Ort schnell durchgeführt werden, indem Luftbilddaten über die traditionelle Begehung der Baustelle aufgenommen werden, um DSM/DTM-Informationen zu ermitteln.
Bei frühen Erdarbeiten können Volumen und Position von Schürfungen und Aufschüttungen schnell gemessen werden. Im weiteren Verlauf der Bauphasen bis zur Fertigstellung können Messungen vorgenommen werden, um zu überprüfen, ob jede Phase korrekt ist und der BIM-Strategie entspricht.
Photogrammetrie Arbeitsablauf
Photogrammetrie kann mit jeder Kamera durchgeführt werden, solange Sensorgrösse, Pixelzahl, Brennweite und Verschlusstyp bekannt sind. Grossformatige Kameras mit Global Shutter sind wünschenswert, aber bei einer Vermessung aus der Luft wesentlich schwieriger zu verwenden. Der derzeit führende Drohnenhersteller ist DJI, der eine Reihe von Drohnen- und Kameraoptionen anbietet. Kleinere Drohnen bringen zwar Einbussen bei der Bildqualität mit sich, doch wird dies durch ihre einfache Handhabung wieder wettgemacht. Fluggeräte wie die DJI Phantom 4 Pro und Inspire 2 eignen sich hervorragend für die Bilderfassung, sofern sie richtig und unter den richtigen Bedingungen eingesetzt werden. (Weitere Drohnen dafür findest du hier) Bei der Photogrammetrie hängt die Genauigkeit von der Sensorgrösse und -höhe ab. Dies wird als Bodenabtastabstand (GSD) bezeichnet. Dieser beträgt in der Regel 1-3 cm, abhängig von der praktischen Flughöhe von 50-120 m. Propeller Aero bietet ein praktisches Online-Tool zum Vergleich der GSD-Genauigkeit für verschiedene DJI-Drohnen.
Die rechnerischen Anforderungen der Photogrammetrie bedeuten, dass die Nachbearbeitung eine beträchtliche Menge an Rechenleistung erfordert. Ein High-End-PC mit maximaler GPU-Leistung ist erforderlich, so dass die Fertigstellung eines Modells immer noch Stunden in Anspruch nimmt. Es gibt einige grosse Anbieter von Photogrammetrie-Software:
- Agisoft Metashape (früher bekannt als Photoscan)
- Pix4D
- Reality Capture
- DrohneDeploy
- Optelos
Diese haben unterschiedliche Stärken in verschiedenen Branchen. Sie alle verwenden das gleiche Prinzip, nämlich eine Reihe von Bildern, die nacheinander in einem Raster mit bekannten Positionen aufgenommen werden. Die 3D-Informationen werden bei der Verarbeitung durch die Identifizierung gemeinsamer Punkte herausgezogen. Daraus wird eine kalibrierte Punktwolke der Szene erstellt, die oft im LAS/LAZ-Format zur Verwendung in anderer Software exportiert wird.
Für die meisten Kunden ist der Zeit- und Kostenaufwand für die Verarbeitung von Photogrammetrie im eigenen Haus nicht wirtschaftlich, es sei denn, sie wird häufig verwendet.
Lidar Arbeitsablauf
Mehrere Lidar-Plattformen in der Luft nutzen die Velodyne-Sensoren. Diese verwenden einen gepulsten Spinning-Prisma-Laser, der sich bisher als genauer erwiesen hat als kleinere Festkörper-Lidars. Dadurch wird das Gerät erheblich grösser und schwerer als eine Kamera allein. Ein häufig verwendetes Modell für Luftbildanwendungen ist der Velodyne HDL-32E mit einer Genauigkeit von +/- 2 cm bei einer Reichweite von 80-100 m. Weitere Verarbeitungsgeräte und empfindliche IMUs und RTK-Sensoren sind zusammen mit weiterer Signalverarbeitung erforderlich, um eine gefilterte Punktwolke der Szene abzuleiten.
Weltweit gibt es nur wenige Anbieter, die diese Komplettlösung von der luftgestützten Plattform bis zur Punktwolke in der Bodenstation anbieten. Die gesamte Ausrüstung erfordert ein bis zu 20 kg schwere Drohne, was wiederum die Flugzeiten auf unter 10 Minuten begrenzt. Routescene UK hat ein solches System entwickelt, muss aber für sein LidarPod-System rund 100 000 Euro auf den Tisch legen. Solche Systeme müssen die Position der Drohne in der Luft schnell und genau messen, damit die gescannte Punktwolke korrekt positioniert werden kann.
Lidar erfordert im Vergleich zur Photogrammetrie nur wenig Nachbearbeitung. Das Ziel besteht in der Regel darin, Rauschen zu beseitigen, die Position zu fixieren und die Daten zu visualisieren. Der Grossteil der Software sehr gut an verschiedene Prozesse angepasst, in der sie eingesetzt wird, sei es im Baugewerbe oder in der Landvermessung. Im Bauwesen wird Software wie Autodesk und Solidworks hauptsächlich für die Architektur verwendet, spielt aber auch eine immer wichtigere Rolle bei BIM und der Entwurfsvalidierung während der Bauphase unter Verwendung von Lidar-Scans von innen und aussen. In der Landvermessung verfügen ArcGIS, Global Mapper und QGIS jetzt über Lidar-Tools.
Ein kurzes Wort zur Positionsgenauigkeit
Bei der Luftbildkartierung und dem Modellbau werden Geotag-Informationen in Form von GPS-Position, Peilung und Höhe benötigt. In der Photogrammetrie benötigen die meisten Vermessungsprogramme georeferenzierte Bilder, um den Massstab und die Position zu bestimmen. Dies ist jedoch nicht immer erforderlich, wenn kein GIS (Global Information System) für die Datenverwendung benötigt wird. Für Vermessungszwecke ist GPS mit einer Genauigkeit von +/-2 Metern nicht sehr genau. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist die Verwendung von GCPs oder RTK/PPK-Techniken.
Bei der Echtzeit-Kinetick-RTK-Positionierung wird eine Basisstation mit bekannter Position verwendet, die Daten an die Drohne sendet und Positionskorrekturen vornimmt. Post Process Kinematic PPK ist ähnlich, nur dass diese Korrekturen in der Nachbearbeitung vorgenommen werden. Auch diese Technologien können aufgrund von Sonnenaktivität und anderen Systemfehlern fehleranfällig sein.
Bodenkontrollpunkte sind Punkte, die so auf dem Boden markiert sind, dass sie einen sichtbaren Mittelpunkt im Luftbild haben. Vorhandene Merkmale können verwendet werden, z. B. Kanaldeckel oder andere dauerhafte Merkmale zwischen den Vermessungen. Auch Sprühfarbenmuster um Vermessungsnägel oder -pfosten sind eine beliebte Wahl, ebenso wie temporäre Vermessungsziele, die mit Pflöcken befestigt werden können. Die Mittelpunkte dieser Ziele können dann mit einem Vermessungsgerät gemessen und aufgezeichnet und die Positionsdaten an die Verarbeitungssoftware weitergeleitet werden. Wenn es das Gelände zulässt, sollten trotzdem Bodenkontrollpunkte verwendet werden, und sei es nur zur Validierung der RTK/PPK-Ergebnisse.
Die mit Hilfe der Photogrammetrie erstellte Punktwolke kann dann zur Ableitung eines 3D-Modells, eines digitalen Höhenmodells DEM, eines digitalen Oberflächenmodells DSM oder eines digitalen Geländemodells DTM verarbeitet werden.
Beste Methode für absolute Genauigkeit?
Im Vermessungswesen sind Messfehler und das Verständnis ihrer Ursachen von grosser Bedeutung, wobei es sich in der Regel um folgende Fehler handelt:
- Grobe Fehler: Bedienerfehler wie das manuelle Ablesen oder Notieren einer falschen Zahl
- Systematisch: Gerätefehler aufgrund von Fehlern, Kalibrierung oder Verzerrungen
- Zufällig: Messrauschen.
Ein genaues System weist nur wenige Fehler auf, nachdem manuelle Messungen und eine strenge Kalibrierung der Geräte überprüft wurden. Es bleiben nur noch zufällige Fehler übrig, die durch die Standardabweichung passieren.
Vergleicht man die rohen Punktwolken der beiden Methoden, so ist bei der Photogrammetrie ein Punkt ein Merkmal, das die Software in zwei Bildern identifiziert und abgeglichen hat. Bei Lidar hingegen ist jeder Punkt ein Laserrücklaufwert.
Die Photogrammetrie hängt in hohem Masse von der Reflexion des Umgebungslichts ab. Tageslicht ist daher unerlässlich. Schatten können je nach Tageszeit ein Problem darstellen, da Kameras eine gleichmässige Beleuchtung des gesamten Bildes benötigen. Weisse oder spiegelnde Oberflächen können ebenfalls ein Problem darstellen, da sie die Bilder verwischen. Die Bildqualität und die aufgenommene Oberfläche spielen die grösste Rolle bei der Festlegung guter Punkte für den Abgleich. Software wie Pix4D legt großen Wert auf die Qualität ihrer Genauigkeit in ihrem Verarbeitungsqualitätsbericht, der Informationen über die Anzahl und Qualität der Matching-Punkte liefert.
Was ist effektiver?
Bei der Photogrammetrie sind glatte, kontrastarme Oberflächen problematisch, wie z. B. Wasser, Schnee, Laub und Betonflächen. Es können nicht immer übereinstimmende Punkte zwischen Bildern gefunden werden. Einige Lösungen bestehen darin, höher zu fliegen, GCPs zu verwenden oder ein Objektiv mit grösserem Winkel einzusetzen, um mehr geeignete Punkte in der Aufnahme zu erfassen. Dies wird die GSD verringern. Wenn dies ein Problem ist, ist eine Kamera mit höherer Pixeldichte erforderlich (DSLR 50MP). Viele RTF-Drohnen (Ready To Fly), z. B. von DJI, werden nicht mehr verwendet (ca. 20-25 MP). Dies hat seine eigenen Probleme, da eine höhere Sensordichte im Allgemeinen zu einer schlechteren Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen führt. Auch hier kommt der Preis ins Spiel. Ein weiterer Vorteil der Photogrammetrie besteht darin, dass zusätzliche Bilder von Boden-, Mast-, Kabel- oder Krankameras hinzugefügt werden können, um die Luftbildaufnahmen zu ergänzen.
Ein unmittelbarer Nachteil von Lidar ist, dass keine echten Farben erfasst werden können. Aus dem Laserlicht kann nur ein begrenztes Farbprofil von Oberflächen gewonnen werden. Ein voll integriertes Lidar-System besteht aus mehreren Komponenten, die jeweils einen eigenen Genauigkeitswert haben. Für Lidar bedeutet das Erreichen der höchsten Genauigkeit teurere und oft grössere und schwerere Komponenten, was für ein Drohne eine geringere Flugzeit und Produktivität bedeutet. Lidar hat wie die Photogrammetrie Probleme mit schwarzen oder reflektierenden Oberflächen, die das Laserlicht entweder absorbieren oder streuen. Ein Vorteil von Lidar gegenüber der Photogrammetrie besteht darin, dass es eine leichte Vegetationsdecke durchdringen kann, so dass sowohl DSM als auch DTM gleichzeitig erfasst werden können.
Eine Methode zur Überwindung der Schwächen beider Methoden besteht darin, beide gleichzeitig durchzuführen und die Daten zu fusionieren. Die Lidar-Punktwolke kann importiert und zur Verbesserung der Einheitlichkeit des 3D-Modells für glatte Bereiche verwendet werden, in denen die Photogrammetrie versagt.
Schlussfolgerung
In diesem Artikel wurden Fragen der Luftbildfotogrammetrie und der Lidar-Erfassung mit Drohnen aus der Baubranche untersucht. Je nach Budget und Zeitplan hat jedes Verfahren seine Vorzüge.