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Abschlussbericht

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1. D mE aa HN Daph b k eiA DRH LH A x m N a a abl P gt S 2 2 Q gt a Volumen 1327923 B abl H he ber NN Fi W2 07 m 0 22 W5 77 m o W93 46 m E M13 16 m x W is sc m W20 55 m W24 25 m E27 94 m W31 64 m 135 33 m Men punkt ausw hlen Gel ndemodell der S dspitze von Sylt in EDA K Aufgrund fehlender Marker in PhotoScan kam es zu einer Verkippung des Modells mit zu gro en H hen im Norden Nach der Eingabe der Parameter werden die teilweise zeitintensiven Berechnungen durchgef hrt und Anschlie end je nach Funktion das berechnete Gel ndemodell oder das daraus abgeleitete Ergebnis angezeigt Die Funktionen Differenz Berechnen und Differenz aus Punkten Berechnen funktionieren abgesehen von den Eingabedaten identisch Beide Funktionen berechnen ein Differenzgel ndemodell indem die H henwerte von zwei Gel ndemodellen deren Raster exakt bereinander liegen muss voneinander abgezogen werden Der Unterschied besteht darin dass die Gel ndemodelle bei Differenz Berechnen schon erstellt worden sein m ssen w hrend bei Differenz aus Punkten Berechnen zuerst zwei Gel ndemodelle aus St tzpunkten berechnet werden In diesem Fall k nnen die Zwischenergebnisse auch gespeichert werden Auch die Funktion Aufsch ttungsvolumen berechnet als Zwischenschritt zwei Gel ndemodelle und ben tigt auf jeden Fall die St tzpunkte Diese Funktion dient jedoch
2. Niedrigsten Zwert festlegen 00 Mittelpunkt Konstruieren In Rechteck Einpassen Sonstiges V_Koordinatensystem drehen 180 um X Achse IV Textur spiegeln N amensanhang f r gespiegelte Textur _gespiegelt Abbrechen Dialog zum Import einer VRML Datei aus PhotoScan in EDA K 71 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Nach dem Import stehen die einzelnen Modellteile als GIS Objekte zur Verf gung und die GIS Objekte wurden in einer so genannten Folge zusammengefasst so dass alle Objekte gemeinsam bearbeitet werden k nnen Im weiteren Verlauf bietet EDA K Funktionen an mit denen diese Objektfolge auf verschiedenen Wegen transformiert und georeferenziert werden kann Die Funktion Georeferenzieren berechnet die R umliche Lage ber eine zweidimensionale Helmert Transformation Die H henwerte der Objekte werden dabei zwar ebenfalls skaliert aber Drehungen und Verschiebungen des Modells bleiben auf die XY Ebene beschr nkt Um eine Transformationsmatrix berechnen zu k nnen m ssen hier Passpunktpaare eingegeben werden die bestimmen welcher Punkt im Ausgangsdatensatz welchem Punkt im Zielkoordinatensystem entspricht Als optische Hilfe f r die Eingabe der Passpunkte bieten sich hier einerseits die Texturen andererseits aber auch die Polygone an Die Funktion Z Werte Transformieren erlaubt es die Folge entlang der Z Achse zu verschieben oder zu skalieren und bietet damit eine Erg nzung zur zw
3. Nicht alle in der Dateidefinition beschriebenen Attribute einer Messung sind von Bedeutung Die Attribute TIME RANGE THETA X Y Z und AMPLITUDE werden zur Berechnung von 3D Punkten ben tigt Bei dem Attribut TIME wird die Zeit eingesetzt um der Messung die korrekte Position und Orientierung zuordnen zu k nnen RANGE ist die gemessene Distanz THETA der Abtastwinkel des Scanners und AMPLITUDE der Intensit tswert der Messung X Y und Z sind die Koordinaten des gemessenen Punktes im Koordinatensystem des Scanners An die Stellen f r die brigen Attribute werden Standardwerte gesetzt Die Positionsdatei pos dagegen besteht in jeder Zeile aus sieben Werten Zuerst die Zeit um die Zuordnung der korrekten Messung in der SDC Datei zu gew hrleisten und der GPS Position Breite L nge H he sowie den drei Orientierungswinkeln Detaillierte Inhalte des Programms SDC Prog werden in dieser Arbeit nicht wiedergegeben da es sich dabei um das selbstverfasste Auswerteprogramm der MILAN Geoservice GmbH handelt mit dem aktuelle ALS Daten prozessiert werden Es erfolgt daher eine kurze allgemeine Beschreibung des Programma blaufs und des Funktionsumfangs 40 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Das Programm zur Erzeugung der SDC und Positionsdatei create_sdc_file m wurde in MATLAB geschrieben und funktioniert wie folgt In einem ersten Schritt muss eine Textdatei geschrieben werden die beinhaltet welche Messungen verarbeitet werde
4. Denn bei IMU Einheiten kommt es bei dauerhaft kleinen Orientierungswinkeln zu einer sog M digkeit der Inertialkreisel Aufgrund dessen erfolgt ca aller 20 Min eine Richtungs nderung des Flugger tes was zur Folge hat das Fluglinien in ihrer maximalen L nge von der Fluggeschwindigkeit begrenzt sind 22 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Messcharakteristik Aussagen ber die Charakteristik einer Laserscanmessung k nnen anhand von vier Kriterien getroffen werden Dazu z hlen die Streifenbreite die Laserpunktgr e auf dem aufzunehmenden Objekt sog Footprint dt Fu abdruck die Messfrequenz des Laserscanners und die erreichte Punktdichte am Boden Die Streifenbreite einer Messung wird in Metern angegeben und h ngt von dem Aufnahmewinkel des Scanners und der Flugh he ab Je gr er der Aufnahmewinkel und die Flugh he sind desto gr er ist auch die Streifenbreite Jedoch haben diese beiden Faktoren wiederum Einfluss auf die Punktdichte und den Footprint einer Aufnahme Die Punktdichte wird blicherweise in Punkten pro m angegeben und ist umso h her je geringer die Flugh he sowie geschwindigkeit und je h her die Lasermessfrequenz des Scanners sind Ein Aufnahmegebiet kann umso genauer beschrieben werden desto h her die Punktdichte ist Liegen die einzelnen Punkte weit auseinander k nnen Details wie bspw Ecken oder Kanten nur grob widergegeben werden Der sog Footprint gibt die Gr e des Laserimpulse
5. Einstellungen vornehmen und vorbereitende Arbeiten ausf hren Zun chst muss sofern noch keines vorhanden ist ein geschlossenes Polygon erzeugt werden dass den Bereich angibt f r den die Berechnungen ausgef hrt werden sollen Dieses Objekt ben tigt keine weiteren Sachdaten Nach dem Start der Funktionen die ein Gel ndemodell ggf als Zwischenergebnis erstellen werden in einem Dialog u a die Rasterweite und die Darstellungsmethode eingestellt Anschlie end muss das Randpolygon ausgew hlt werden EB Optionen des Neigungsmodells Rasterweite Optionen der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung 10 00 Meter Interpolationsoptionen Mittlerer Jahresniederschlag N in mm 500 0 Schluffanteil in 65 0 Darstellung H he Neigung C Einzugsgebiet C Bodenabtrag ABAG Feinsandanteil in 20 Organische Substanz DS in 05 lt 4 3 Sandanteil in 5 0 Isolinien H he Neigung Abstand 1 00 m ee Permeabilit tsklasse D 3 0 1 niedri 0 100 eA Bedeckungsgrad C hoch 0 1 niedrig Erosionsschutz Kontumutzung Streifennutzung Aggregatklasse AK 2 Sedimentationbereiche kennzeichnen Mm Dialog zur Eingabe der Parameter des Gel ndemodells 73 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 g ADAM W Gel ndeprofile Beispiel m_p wpc 1 Ecje GIS Datei Zeichnen ndern Ansicht Einstellungen Information Datenbank Hierarchie UAV Fl chenfunktion
6. gt sind Hardware In Abh ngigkeit der zur Verf gung stehenden Drohnen muss ein miniaturisiertes ALS System zusammengestellt werden dass die h chstm gliche Leistung bei Einhaltung der vorgegebenen Nutzlast bietet Ein solches System besteht aus e Laserscanner e Positionierungssystem GPS Antenne e nertialsystem IMU e Recheneinheit mit Datenaufzeichnung e r gerplattform Obwohl die handels blichen Tr gerplattformen blicherweise bereits eine GPS Antenne zur GPS Waypoint Navigation besitzen und auch eine IMU zur Bestimmung der Orientierung und Stabilisierung der Tr gerplattform im Raum typischerweise bereits vorhanden sein sollte entsprechen diese jedoch meistens nicht den Anforderungen die das nun einzusetzende und zu erforschende Airborne Laserscanning an ein solch spezifisches Inertialsystem stellt Durch die Vorgabe der maximalen Nutzlast der Tr gerplattform wird der Aufbau die Entwicklung folgende Laserscann Systeme Datenbl tter der Lasersysteme im Anhang vorgeschlagen 1 Hokuyo UTM 30LX 2 Sick LD MRS400001 3 Riegl LMS Q070B 11 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 4 Planung und Ablauf Der Ablauf des Projektes entsprach weitestgehend den Planungen Die Projektlaufzeit vom 01 05 2013 31 01 2014 wurde eingehalten Der Kostenplan wurde eingehalten und fast alle bereitgestellten Mittel wurden abgerufen und projektbezogen verwendet der zahlenm ige Nachweis des Verwendungsnachweises wurde bereits an den
7. Fernbedienung in jede beliebige Richtung bewegt und um die Z Achse gedreht werden Zur Berechnung der maximalen Flugh he f r den LEDA K2 Hexakopter wird angenommen dass wie bei seinem gr eren Pendant in der ALS Befliegung ebenfalls 60 als Aufnahmewinkel gew hlt wird Aufgrund der 60 als Aufnahmewinkel ergibt sich zur Berechnung ein gleichseitiges Dreieck Somit ist Streifenbreite und Schr gstrecke gleich der maximal garantierten Reichweite von 30 m ber die Formel f r die H he h bei einem gleichschenkligen Dreieck ergibt sich 30m h x V3 25 98 m Als theoretisch maximale Flugh he der Drohne wird daher 25m ber der Erdoberfl che angesetzt Vorbereitung im Innendienst Neben der Kontrolle ob alle Gegenst nde und Materialien vorhanden und funktionst chtig sind m ssen auch alle ben tigten Akkus vollgeladen sein An der LEDA K2 Drohne sind alle Bestandteile fest verbaut weshalb neben Fernbedienung Laptop und Funkantenne nicht auf ben tigte Kleinteile geachtet werden muss Des Weiteren erfolgt eine visuelle Pr fung der Drohne wozu die sechs Rotoren und Rotorstreben samt Motoren Steckverbinder Kabel und die Befestigung f r den Scanner z hlen F r einen vordefinierten autonomen Flug der Drohne sind georeferenzierte Luftbilder oder Umringe des Gebietes zu beschaffen die in die Planungssoftware eingelesen werden k nnen Flugvorbereitung und Start 37 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Die Flu
8. K2 Systemkomponenten Die folgenden Untersuchungen dienten zur Erfassung der Auswirkungen von u eren Einfl ssen auf einzelne Komponenten anhand der resultierenden Punktwolken Da alle Komponenten bereits verbaut sind ist eine Untersuchung einzelner Bestandteile und Sensoren nur eingeschr nkt m glich Daher sollte eine Aufnahme bei idealen Bedingungen verglichen werden mit Aufnahmen die gezielt von au en beeinflusst wurden Untersuchungsablauf Um eine Aufnahme der LEDA K2 Drohne unter idealen Bedingungen zu realisieren erfolgte die Aufnahme nicht durch einen ferngesteuerten berflug sondern zun chst durch eine handgef hrte Aufnahme der Drohne Mittels der manuellen Bewegung des Flugger tes k nnen Turbolenzen und pl tzliche Richtungs nderungen w hrend einer Aufnahme verhindert oder gezielt in eine bestimmte Richtung erzeugt werden Als Testgebiet diente eine freie Betonpflasterfl che auf dem Firmenparkplatz der MILAN Geoservice GmbH Auf der Freifl che wurde als geometrisches Objekt die Transportkiste der LEDA K2 Drohne aufgestellt und die Positionen der Eckkanten per GNSS RTK Messung absolut bestimmt Die Ma e der Transportkiste lauten 75 x 79 x 43cm B x Lx H 51 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Insgesamt erfolgten sechs Aufnahmen durch die LEDA K2 Drohne Bei den ersten f nf wurde die Drohne handgef hrt Dabei war die erste Aufnahme ein Idealflug bei dem die Drohne so ruhig wie m glich gef hrt wurde In
9. Projekttr ger J lich bergeben und von diesem best tigt und angenommen Alle im Projektantrag aufgeworfenen Fragestellungen konnten bearbeitet werden wobei bei den praktischen Durchf hrungen bei der angedachten Auswahl der Kleinstlaser schnell ersichtlich wurde dass hier die theoretischen Anforderungen mit den vorhandenen Techniken und Algorithmen nicht f r alle Laser erreicht werden k nnen und dass man sich f r eine erfolgreiche Projektbearbeitung intensiv mit nur dem geeignetsten Produkt auseinandersetzen muss Gleichzeitig sind in dem Bearbeitungszeitraum eine Reihe von neuen Softwareprodukten auf photogrammetrischer Basis auf den Markt gekommen bzw wurden zu erschwinglichen Preisen im Markt eingef hrt so dass auch die in LEDA K bearbeitete Verwendung von RGB Kameras auf UAS mit den neuen Software Produkten weiter untersucht werden musste um die Alternative zu den Kleinstlasern vergleichend begutachten zu k nnen Aufgrund der starken Witterungsabh ngigkeit mussten eine Reihe von Messterminen entweder zusammengefasst oder gesplittet verschoben oder separat bearbeitet werden was aber letztendlich trotzdem zur vollst ndigen Bearbeitung der Projektaufgaben gef hrt hat EE estmessung Drohne M September 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2014 2013 m Erl uterung der Bearbeiter ooo Milan stauMmM BE BE HE HE EEE C SGmbH statuMmM EEK HE EEE Milanas BE EEK HE S e asGmb Coo S T T S e SENT Tag BE o o S o S S 12
10. StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 5 Zusammenfassung der Ergebnisse Das Hauptziel des Projekts LEDA K2 im Projektteil ALS UAV Vermessung war der Bau eines Prototypes einer UAS unmanned aircraft system Hexakopter mit Kleinstlaser zur K stengebietserfassung und damit der Nachweis des grunds tzlichen Einsatzes von Drohnen mit kleinen Laserscannern f r die Aufgaben des K sten und Umweltschutzes was so vorher noch nicht versucht worden war Dieses Ziel wurde mit der praxisreifen Entwicklung eines messf higen Kopters erreicht der mittlerweile im routinem igen Einsatz im K sten sowie anderen Landbereichen bei den Firmen CIS und Milan ist und der privaten gewerblichen und beh rdlichen Nutzern zum Kauf angeboten wird Damit konnten die positiven Ergebnisse beim Einsatz von Mobilen Laserscannern MLS und fotografischen Aufnahmeverfahren mittels UAV aus dem Projekt LEDA K fortgef hrt werden und zusammen mit den klassischen Aufnahmeverfahren TLS Terrestrischer Laserscan Tachymetrie und ALS Airborne Laserscan vom Flugzeug Hubschrauber aus ist ein Gesamtbild aller m glichen Aufnahmeverfahren im K stenbereich entstanden und damit ist den K sten l ndern in Deutschland ein geeignetes Werkzeug f r den optimalen Vermessungseinsatz bergeben worden Hauptziel der Softwareentwicklung war die Erstellung einer Spezialsoftware da die Ergebnisse aus LEDA K gezeigt hatten dass die vorhandenen Softwarel sungen keine ausreichend guten
11. Starte Aufzeichnung Schnittstelle ER N Daten anfordern Daten anfordern SSH En Zu Speicher auslesen Speicher auslesen Rohdaten werden gespeichert Stoppe Aufzeichnung Daten aufbereiten Funktionsweise der LEDA K2 Drohne als Prinzipablaufskizze Dabei werden 3 Dateien angelegt Eine Datei mit den Positions und Orientierungsdaten eine weitere mit den gemessenen Distanzen und eine mit den Intensit ten zu jeder Distanzmessung Die Positions und Orientierungsdatei bekommt als Namen automatisch GPS_7x1xN raw Wobei 7x1xN f r die Dimension des aufgezeichneten dreidimensionalen Datensatzes steht N Anzahl der Messreihen F r N Messreihen werden jeweils Sieben 1 dimensionale Werte geschrieben Die Werte sind geografische L nge geografische Breite H he Roll Pitch Yaw Winkel und Zeit Nachfolgend ist ein Auszug aus einer Datei beispielhaft dargestellt Breite L nge H he Roll Pitch Yaw Zeit 35 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 3 659330e 005 4 721561e 004 2 010469e 002 1 776505e 000 1 776505e 000 6 107260e 001 204768 3 699330e 005 4 721561e 004 2 010469e 002 1 776505e 000 1 790493e 000 6 107260e 001 204845 Dabei bed rfen die L nge L Breite B und H he H noch einer Umrechnung ee 256 x 180 xk 100 000 000 7 256 x 180 L L x 1 100 000 000 7 H 1000 Aufgrund der seriellen Schnittstelle zwischen GPS IMU und dem PandaBoard ist die
12. Streckenabschnitte hinweg zu verfolgen Die eingegebenen Punkte werden dabei auch im Ergebnisprofil markiert Das Profil wird anschlie end in einer neuen Datei angezeigt Bei der Ausgabe der Profillinie kann der Nutzer zwischen einer gegl tteten und einer ungegl tteten Variante w hlen Ohne Gl ttung enth lt das Profil an den Stellen an denen der Verlauf das Gel nderaster schneidet gro e pl tzliche Spr nge w hrend bei der Gl ttung zwischen den Mittelpunkten einer Teilstrecke interpoliert wird Um eine gr ere Vergleichbarkeit unterschiedlicher Profile zu erhalten kann der Nutzer noch zwei Einstellungen zur berh hung und zur Schriftgr e vornehmen wobei das Programm hier schon Werte vorschl gt 75 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 E ADAM D profil_beispiele wpc 1 1063 D GIS Datei Zeichnen ndern Ansicht Einstellungen Information Datenbank Hierarchie UAV Fl chenfunktion Profil 1 ASNES Profil 2 Profil 3 7 N N al X Q Q 0 O D IS DBSHOMDU O Ausgangspunkt des Profils HAI Profil 4 Profil 5 Men punkt ausw hlen S dspitze von Sylt und berechnete Gel ndeprofile in EDA K Die im Rahmen des LEDA K2 Projektes entstandene Software EDA K ist zur speziellen Auswertung von UAV Bildern im K stenschutz bestimmt und hierf r von der CiS GmbH erstellt worden Dabei wurden Komponenten eines GlS Werkzeugkastens der CiS verwendet die mi
13. Weiterentwicklung von teilautomatisierten Softwarel sungen zu bearbeiten Neben dem klassischen Verfahren der Aerotriangulation zur Georeferenzierung von Bildverb nden sind in den letzten Jahren andere Verfahren entwickelt worden die entweder darauf setzen dass f r das beflogene Gebiet bereits Orthophotos existieren und ber einen mehr oder weniger automatisierten Vergleich eine Georeferenzierung m glich ist z B Modul Autosync ERDAS Imagine oder darauf dass bei einer entsprechenden berlappung der Bilder teilautomatisch eine relative Orientierung m glich ist Insbesondere bei Monitoringaufgaben ist eine automatisierte Referenzierung einer aktuellen Aufnahme auf eine bestehende Aufnahme eine interessante Alternative Allerdings besteht hier noch Forschungsbedarf um die Zuverl ssigkeit des Matchings bei Bildern die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen wurden zu erh hen Einsatzm glichkeiten teilautomatisierter Softwarel sungen nach Drohnenbefliegung mit Kleinstlasern im K stenschutz e Entwicklung von Algorithmen und Parametern zur luftgest tzten Bestimmung von Strand D nenprofilen und Bruchkanten e Nutzung von Bilddaten f r geometrische Messungen Erfassungen und berwachung von lokalem Gefahrenpotential im Rahmen eines effizienten K stenschutzes und K stenmonitorings e Erfassung von lokalen Umbildungen z B Bruchtrichter e gezieltere Oberfl chenkartierung im Bereich der Geologie e Durchf hrung von exakten A
14. entnehmen Es handelt sich um ein Set zum Bau der Drohne Der Zusammenbau und die Anbringung aller Komponenten erfolgte genau wie bei der LEDA K Drohne durch die CiS GmbH Rostock Technische Daten MikroKopter Basisset Hexa XL Gewicht ohne Akku g 1600 Maximale Nutzlast g 1500 Durchmesser mm 730 Flugzeit mit 14 8V 6600 mAh LiPo Akku Min 13 28 variiert je nach Nutzlast GPS Chipset UBX G5000 G0010 Die Chips tze UBX G5000 und GO010 der schweizerischen Firma U Blox sind ein Positionierungssystem und durch ihre geringe Gr e und geringes Gewicht geeignet f r Anwendungen wie die Positionierung von unbemannten Flugger ten in denen die Gr e und das Gewicht eine zentrale Rolle spielen Sie unterst tzen die L1 Frequenzen mit dem C A Code der GPS und auch die L1 Frequenzen der zuk nftigen Galileo Satelliten 30 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Technische Daten UBX G5000 G0010 Maximale Updaterate Hz lt 4 ROM 2 Flash Genauigkeit m 2 5 Maximale Geschwindigkeit m Sek 50 Maximale Einsatzh he m 50 Messbedingungen C 40 85 Abmessungen mm UBX G5000 9 x 9 x 0 91 UBX G0010 4 x 4 x 0 85 Durch die hohe Unempfindlichkeit gegen ber St rungen erfolgt eine Positionierung auch bei schwierigen Satelliten Sichtverh ltnissen wie bspw in H userschluchten und in Gebieten mit schwacher Signalabdeckung Autopilot Einheit Krooz inklusive IMU Sensor MPU 6000 6050 Bei dem Autopiloten Boar
15. gro e Datenmengen Zus tzlich werden durch sich berlappende Scans Bereiche am Messobjekt redundant aufgenommen Dies ist auch n tig wenn bspw die Scans nicht ber Zielmarken miteinander verkn pft werden Durch diese massenhafte Aufnahme von Messpunkten verringert sich der zeitliche Aufwand w hrend sich gleichzeitig der Aufwand in der Nachbearbeitung aufgrund der riesigen generierten Datenmengen erh ht Zudem werden zu jedem Messpunkt nicht nur seine 3D Koordinate gespeichert sondern auch der Intensit tswert mit dem der reflektierte Strahl auf den Empf nger trifft 16 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Ist auf dem Scanner eine Digitalkamera montiert kann zus tzlich jedem Messpunkt ein Grauwert zugewiesen werden Ferner ist es nicht zwingend notwendig dass der Laserscanner mit seiner z Achse parallel zur Zenitrichtung ausgerichtet ist Somit k nnen auch Kamera und Hybridscanner Oberfl chen in Zenitrichtung aufnehmen Ein weiterer entscheidender Vorteil von Laserscanning ist die Unabh ngigkeit vom Tageslicht Es ergibt sich keine Notwendigkeit am Tage zu messen da weder konkrete Punkte mit einer Optik angezielt werden m ssen noch der Laserstrahl auf Umgebungslicht angewiesen ist Das nicht Anzielen von konkreten Punkten ist aber zugleich auch der gr te Nachteil des Laserscanning So k nnen beispielsweise Ecken oder Kanten nicht direkt ermittelt werden Daf r erfolgt zun chst die Ableitung von Ebenen aus der Punktwolke hera
16. kann per SSH Client mittels Smartphone oder Tablet auf die Konsole des UNIX Betriebssystems des PandaBoards zugegriffen und das Board so ferngesteuert werden Damit ist es m glich per Fernsteuerung vom Boden aus eine Aufnahme zu beginnen oder zu stoppen Mit dem Einschalten der Stromversorgung aller Komponenten beginnen die GPS und IMU Einheit sowie der Laserscanner zu messen und Messungen werden st ndig in die Secure Shell Dient der sicheren Verbindung zu anderen Computern um diese fernzusteuern Gesendete oder empfangene Daten werden dabei verschl sselt 34 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 ger teinternen Speicher geschrieben Aufgezeichnet werden dabei die Daten jedoch noch nicht Erst wenn der Befehl ber die WLAN Verbindung an das PandaBoard kommt spricht das Board sowohl den Laserscanner als auch die GPS IMU Einheit an Dabei hat der Scanner mit 40 Hz eine niedrigere Messrate als die GPS IMU Einheit Daher erfolgt das Auslesen von Scanner und GPS IMU dann wenn der Scanner eine Messreihe einen Umlauf in seinen Speicher bergeben hat Die Daten von Scanner und GPS IMU werden ausgelesen und an das PandaBoard bertragen Im Board werden alle ankommenden Daten in den Ger tespeicher berf hrt Aufgrund dieser Umsetzung gibt es zu jeder Messreihe genau eine Position und Orientierung Erst wenn durch den Benutzer das Signal zum Stoppen der Aufzeichnung empfangen wird erfolgt das Schreiben der Daten auf die SD Karte
17. markante Punkte mit bekannten Koordinaten inkl H he markieren kann sowie die Auswertung von GPS Informationen in den EXIF Informationen der Bilder F r das gezeigte Beispiel von Sylt lagen nur die GPS Informationen vor so dass es Abweichungen zur tats chlichen Gel ndeh he geben kann Edi Tools BERN BRD X U el ERS 2 cc RD ER Workspace ex BER OOX 3D Model 499999 faces m r GA A 2 OXL CIN a I nr rmarnnnD OINA rmarnnna IDZ CTAZNNNE INA CTAZNNNE INT CTRAZNNNT INT CTRAZNNNO INT TRAnnna Inn rernarnnn INA Workspace Screenshot von PhotoScan mit einem berechneten 3D Modell der Befliegung der S dspitze von Sylt 70 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Funktions bersicht und Arbeitsabl ufe EDA K enth lt ein spezielles Men 3D Auswertung in dem alle Befehle zusammen gefasst wurden die f r die Auswertung der 3D Modelle n tzlich sein k nnen Die Auswertung der 3D Modelle in EDA K beginnt immer zuerst mit dem Import der PhotoScan Modelle Die entsprechende Funktion liest zun chst die Datei ein und berpr ft ihre allgemeine Struktur Im Anschluss hat der Nutzer die Wahl welche Objekte und auf welche Weise er die gew hlten Objekte importieren will Folgende Objekttypen stehen dabei zur Auswahl Viewpoints Hierbei handelt es sich um die Kamerapositionen die f r eine Georeferenzierung des Modells n tzlich sein k nnen Punkte Die Eckpunkte der einzelnen Mo
18. re die zur ckgelegte Strecke sog Pseudoranges berechnet Um eine Position auf der Erde absolut zu bestimmen sind Strecken zu mindestens vier Satelliten n tig von denen jeweils die absolute Position bekannt ist Es sind Messungen zu mindestens vier Satelliten n tig da neben den drei unbekannten Koordinaten des Empf ngers X Y Z auch der Empf ngeruhrfehler ermittelt werden muss Durch die Positionsbestimmung ausschlie lich aus Strecken erfolgt die Berechnung anhand eines r umlichen Bogenschnitts S S i Or SP IT Ss za Ma ba P Fi mi g i Fa 1 P l f i i ri ri P Fi j Positionsbestimmung mit GNSS 18 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Die weltweit stationierten Bodenstationen des GPS definieren das globale Referenzsystem World Geodetic System 1984 WGS84 Ausgesendet werden die Signale auf zwei Frequenzen L1 L2 welche einen hochgenauen Zeitstempel tragen der durch eine Atomuhr erzeugt wurde Auf die Frequenzen werden neben den Navigationsnachrichten auch Codes aufmoduliert mithilfe derer die Berechnung der Zeitunterschiede durchgef hrt wird Auf die Li1 Frequenz wird der sog G A Code Clear Access und P Code Precise und auf L2 ausschlie lich der P Code aufmoduliert Die Berechnung der Zeitdifferenzen erfolgt mithilfe der Codemessungen und oder der Phasenmessungen Dabei k nnen bei der Verwendung von Codemessungen Metergenauigkeiten und mit Phasenmessungen Zentimeter bis Millimeter
19. tswerten Zudem werden die Leverarm Vektoren von der GPS Antenne zur IMU Einheit und vom Scannermittelpunkt Ursprung der Streckenmessungen zur IMU Einheit bestimmt Die Werte sind in der folgenden Abbildung in Form einer Prinzip Skizze dargestellt Draufsicht Seitenansicht 07T 08 Bunyy2l1dn SST I I I I I I I I i I I I I Scanner Scanner f I I I I I Flugrichtung Ma angaben in mm Skizze nicht ma stabsgerecht D Anordnung und Abst nde zwischen GPS Antenne IMU Chip und Scannermittelpunkt Dabei zeigt die x Achse in Flugrichtung und die y Achse liegt dazu senkrecht in der Horizontalebene Die z Achse steht entsprechend senkrecht auf der Horizontebene und zeigt in Richtung Zenit Die Vektoren sind so ausgerichtet dass sowohl die Signale von der GPS Antenne als auch die Messungen des Laserscanners zum IMU Chip gerechnet werden k nnen Anhand dieser Daten k nnen nun 3D Punkte berechnet werden Eine GPS Position und IMU Orientierung in drei Dimensionen wurde dabei f r jeweils eine Messzeile 1 Messzeile 1081 Messungen des Laserscanners abgelegt Zur Berechnung von 3D Punkten wird die Position und Orientierung zu jeder Messung ben tigt Aufgrund dessen erfolgt eine Interpolation zwischen Positions und Orientierungsangaben Durch die erstmalige Anwendung einer Drohne mit Laserscanner bei der MILAN Geoservice GmbH stand bis zu diesem Zeitpunkt noch kein Programm zur Verf gung um
20. zur Solllinie Neben technischen Komponenten ist parallel zum Piloten auch ein sog Operator mit an Bord Dieser bedient die Ger te und berwacht das Flugmanagementsystem und gibt dem Piloten Anweisungen damit die geplanten Flugstreifen eingehalten werden Das gesamte Funktionsprinzip von ALS mit allen Bestandteilen wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht GPS u on U 1 Laser Scanner K HA on Funktionsprinzip des ALS Der an Bord des Flugger tes befindliche Laserscanner tastet ununterbrochen die Gel ndeoberfl che ab w hrend ber die GPS Einheit die Ermittlung der aktuellen Lage erfolgt Parallel zeichnet die IMU Einheit w hrend der Befliegung die Ausrichtung Orientierung des ALS Systems auf Eine GPS Referenzstation am Boden zeichnet Korrekturwerte auf damit die Position des Systems im Nachhinein genauer bestimmt werden kann Die Steuerungseinheit sorgt daf r dass alle Werte GPS IMU Lasermesswerte als Referenzzeit die GPS Zeit bekommen und dadurch synchrone Zeitstempel tragen Dies dient in der Nachbearbeitung post processing zur korrekten Verkn pfung von GPS IMU und Laserscandaten In den f r ALS verwendeten Laserscannern werden verschiedene Arten von Scanmechanismen genutzt Je nach verwendetem Ablenkspiegel und seiner Rotation ergeben sich unterschiedliche Scanmuster am Boden 15 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Oscillating Rotating Nutating mirror Fiber mirror polygon Pa
21. 0239 000 6000237 000 6000235 000 Northing m Soll Ist Vergleich LI Empf nger Rawdata Messungen Northist Norhistd North Soll Linear North Ist 70 000 68 000 66 000 64 000 62 000 60 000 58 000 56 000 54 000 52 000 Height m Soll Ist Vergleich LI Empf nger Rawdata LM m BE A I FF I VO Messungen Height Ist i i Linear Height Ist Die aufgezeichneten Rohdaten wurden mit SAPOS Korrekturdaten angepasst und zeigten folgende Ergebnisse Ist 316053 901 6000242 152 55 668 Soll 316053 956 6000242 085 59 871 Differenz 0055 0 067 0 184 66 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Easting m eTe t c Fer Sum O Z Height m Soll Ist Vergleich L1 Empf nger mit SAPOS Korrekturdaten 316054 05 316054 00 316053 95 316053 90 316053 85 316053 80 316053 75 Messungen fastit East Soll East Ist Linear East Ist Soll Ist Vergleich L1 Empf nger mit SAPOS Korrekturdaten 6000242 30 6000242 25 6000242 20 6000242 15 6000242 10 6000242 05 6000242 00 i D D M essungen North Ist North Soll North Ist Linear North Ist Soll Ist Vergleich L1 Empf nger mit SAPOS Korrekturdaten 55 750 55 700 55 650 55 600 55 550 55 500 55 450 Messungen Height Ist Height Soll Height Ist Linear Height Ist 67 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Die Ergebnisse zeigen dass durch die SAPOS Anpassu
22. Bearbeitungsverfahren erm glicht werden Das Projekt LEDA K2 war dabei eine Kooperation des StALUMM der CiS GmbH sowie der MILAN Geoservice GmbH 28 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 ALS mit Drohne Das geplante ALS Drohnensystem sollte aus den gleichen Komponenten wie ein herk mmliches ALS System bestehen Dazu z hlen ein Miniaturlaserscanner Positionierungssystem GPS Antenne IMU Recheneinheit inklusive Datenaufzeichnung und der Drohne als Tr gerplattform selbst In dem Projekt sollte zun chst die Kopplung der einzelnen Baugruppen hergestellt sowie wenn m glich mehrere verschiedene Komponenten getestet werden Weiter galt es die Kommunikation der einzelnen Elemente untereinander zu erm glichen und eine geeignete Recheneinheit f r diese Aufgabe zu finden Diese sollte sowohl als Verbindungsstelle als auch zur Datenaufzeichnung dienen Auch die zeitliche Synchronisation der aufgezeichneten Messwerte Positionsdaten Orientierungs und Bewegungsdaten Distanzmessungen musste mithilfe der Recheneinheit gel st werden Weiterhin sollten die aus den einzelnen Flugrouten erhaltenen gescannten Spuren durch geeignete Anpassungsalgorithmen miteinander verkn pft werden Teilautomatisierte Auswerteverfahren Neben der Entwicklung eines neuen Aufnahmesystems sollte in LEDA K2 auch die computergest tzte Auswertung der Bilddaten weiter optimiert werden Dabei sollte ein m glichst gro er Teil des Auswerteablaufs automatisiert bzw tei
23. DG K ste LEDA K2 Um die Befliegung konomisch zu planen sollte der im Rahmen der Projektanforderung gr tm gliche Aufnahmewinkel gew hlt werden Nach der Festlegung der Streifenbreite werden die einzelnen Flugstreifen parallel nebeneinander mit einer berlappung angelegt damit das gesamte Projektgebiet abgedeckt ist Die berlappung dient dazu L cken im Aufnahmegebiet zu vermeiden die durch kleinere Kursabweichungen und Schwankungen des Flugger tes entstehen k nnen Kann die geforderte Punktdichte trotz aller Anpassungen nicht eingehalten werden wird die berlappung der Streifen soweit erh ht dass das gesamte Gebiet doppelt aufgenommen wird Unter Umst nden erfolgt eine Teilung der L ngsstreifen aufgrund der IMU Driftgrenzen Je nach individuellen Vorgaben des Auftraggebers werden zus tzlich am Anfang und am Ende der Flugstreifen ggf Querstreifen beflogen Dies dient dazu dass gesamte System zu stabilisieren und gleichzeitig eine Qualit tskontrolle durchzuf hren In die Flugplanung k nnen auch bereits vorhandene DTMs des Gebiets mit einbezogen werden um H henunterschiede im Gel nde bei der Planung zu ber cksichtigen Nach der Erstellung des Flugplanes wird dieser vor der Befliegung in das Flugmanagementsystem eingelesen Datenverarbeitung Nach der Befliegung liegen nun Navigationsdatens tze Distanzen und Korrekturwerte der Bodenreferenzstation vor In diesem Abschnitt wird behandelt welche Schritte notwendig sind
24. Einzelobjekte bis einige 100 ha sehr teuer und durch die gro e Wetterabh ngigkeit nicht flexibel genug Oft ist gerade eine hohe Zeitn he sehr wichtig z B zur Ermittlung von Momentanzust nden u a nach Sturmfluten Starkregenereignissen berschwemmungen und anderen Katastrophen sowie menschlichen T tigkeiten im Gebiet Eine preiswerte und flexible Alternative dazu sind autonome unbemannte Flugobjekte UAV die in niedrigen H hen und unter den Wolken operieren k nnen und damit weitgehend wetterunabh ngig sind Ein wesentlicher Schritt hin zu verwertbaren L sungen unbemannter Flugger te ist die Entwicklung von miniaturisierten autonomen Steuerungen die per GPS und inertialer Messtechnik Inertial Navigation System INS auch eine selbst ndige Flugf hrung erm glichen ber programmierbare Autopiloten k nnten so systematische und koordinatenbezogene Aufnahmen gemacht werden da bei nur vom Boden aus gesteuertem Modellflugzeug die Navigation und Ausl sesteuerung auch ber eine Videovorschau nie exakt systematisch sein kann StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Jedoch ist der spezielle Aufwand ein UAV f r fernerkundliche bzw photogrammetrische Zwecke einzusetzen recht gro da es an die jeweilige Fragestellung angepasster hardwareseitiger Tests und Entwicklungen bedarf bzw methodische Untersuchungen fehlen um geeignete L sungen zu finden Erst die Kombination von digitaler Photogrammetrie und dem Airborne Laserscanning in Ve
25. Ergebnisse bei der Bildverarbeitung von Luftbildern aus UAV UAS Befliegungen im K stenbereich lieferten Diese Spezialsoftware ist praxistauglich entwickelt worden und diesem Projektbericht auf CD beigef gt und kann von allen beh rdlichen und ffentlichen Institutionen nach einer einfachen Registrierung kostenfrei genutzt werden Diese Software bietet geeignete L sungen um die speziellen Anforderungen an Genauigkeit berlappung Flugh he und geschwindigkeit der UAV UAS sowie an die besondere Morphologie und Bodenbeschaffenheit im K stenbereich mit den entwickelten Tools praxisrelevant bearbeiten zu k nnen 13 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 6 Methodik und Ergebnisse Airborne Laserscanning mittels UAS ALS kam in den 1970er Jahren zum ersten Mal effektiv zum Einsatz Mittlerweile ist das luftgest tzte 3D Aufnahmeverfahren fester Bestandteil in der Vermessungspraxis Es kommt zur Anwendung um hochaufgel ste digitale Gel ndemodelle DGM engl DTM digital terrain model und oder digitale Oberfl chenmodelle DOM engl DSM digital surface model zu generieren DGMs bilden einzig und allein die Gel ndeoberfl che ohne jegliche Bebauung oder Vegetation ab Im Gegensatz dazu gibt ein DOM die Gel ndeoberfl che inklusive aller unbeweglichen Objekte wieder Im Folgenden werden die g ngigen englischen Abk rzungen DTM und DSM im Text verwendet Bestandteile und Funktionsprinzip Als Plattform f r ALS kommen entweder Kleinfl
26. Korrektion der Messungen werden Standardatmosph renparameter und modelle verwendet und sog Mapping Funktionen Das Anwenden von relativer Positionierung verringert diese Fehlereinfl sse nochmals 19 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Weitere Fehlereinfl sse sind die Mehrwegausbreitung und Beugung der Satellitensignale Beide Einfl sse k nnen ignoriert werden da die Flugh he der Drohnen mindestens 50 m betr gt und der Einsatz vorwiegend an K stenregionen ohne hohe Bebauung stattfinden soll nderungen in den Satellitenbahnen werden st ndig durch die Navigationsnachrichten der Satelliten bermittelt Damit sind die Schwankungen der Satellitenumlaufbahnen aufgrund des Einflusses der Sonne und des Mondes vernachl ssigbar Bleibt zuletzt noch die Satellitengeometrie als Indikator der Qualit t einer GPS Messung zu nennen Die Satelliten die f r eine Messung genutzt werden spannen mit dem Empf nger einen Volumenk rper auf Je gr er das Volumen dieses K rpers ist desto kleiner ist der sog DOP Wert Dilution of Precision der Messung Die Qualit t wird demnach durch Abschattungen und ung nstige Satellitenkonstellationen verringert Da sich die Drohnen bei der Aufnahme generell in der Luft befinden und der Einsatz in K stengebieten stattfindet ist mit keinen schlechten DOP Werten zu rechnen Inertialmesssystem Ein Inertialmesssystem inertial measuring unit IMU dient zur Ermittlung der dreidimensionalen Orientie
27. LU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Im Anschluss daran erfolgt eine manuelle Klassifizierung in der fehlerhafte Klassen zuordnungen manuell korrigiert werden Die folgende Abbildung zeigt den Ausschnitt aus einem klassifizierten Datensatz rot building braun ground gr n non ground low und high Klassifizierte Punktwolke in der Draufsicht links und einer Seitenansicht rechts Nachdem die Klassifizierung samt Qualit tskontrolle durchgef hrt wurde k nnen Endprodukte aus den 3D Punktdaten abgeleitet werden Neben DSMs und DTMs k nnen die Daten au erdem genutzt werden um Geb ude f r 3D Stadtmodelle zu vektorisieren W lder und K sten zu kartieren oder Hochspannungsleitungen aufzunehmen Die bergabe der Endprodukte erfolgt in mit dem Auftraggeber vorher festgelegten Ausgabeformaten Forschungsprojekt LEDA K2 Ziele Als Nachfolger von LEDA K setzen die Ziele von LEDA K2 an denen des Vorg nger projektes an Schwerpunkte dieses Projektes waren die Erforschung und Erprobung eines ALS mit Drohne sowie teilautomatisierte Auswerteverfahren Folgende Ziele waren f r das Projekt definiert Die Entwicklung inklusive Erprobung von Kleinlasern auf einer Drohnen plattform sowie die Weiterentwicklung der Drohnensteuerung um diese besser auf die K stenbefliegung abzustimmen Ferner sollten die gewonnenen Luftbilder mit alternativer Software bearbeitet und die zeitliche Minimierung der Nachbearbeitung sollte durch teilautomatisierte
28. Mecklenburg _ Vorpommern Staatliches Amt f r Landwirtschaft und Umwelt Mittleres Mecklenburg Staatliches Amt f r Landwirtschaft und Umwelt Mittleres Mecklenburg Dezernatsgruppe K ste Dezernat Allgemeine Angelegenheiten und K stenkunde Erich Schlesinger Str 35 18059 Rostock LEDA K2 Laserscanaufnahmen durch Einsatz von Drohnen UAV zur Aufnahme von K stengebieten und Entwicklung von teilautomatisierten Softwareverfahren bei der Luftbildauswertung aus UAV Befliegungen Schlussbericht Tiepolt Lars Kittel Oskar F rderkennzeichen 03KIS105 Laufzeit des Projektes und Berichtszeitraum 01 05 2013 31 01 2014 GEF RDERT VOM AR Bundesministerium f r Bildung und Forschung StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung und Hintergrund 3 2 Aufgabenstellung 4 3 Wissenschaftlich technischer Stand 7 4 Planung und Ablauf 12 5 Zusammenfassung der Ergebnisse 13 6 Methodik und Ergebnisse Airborne Laserscanning mittels UAS 14 7 Softwareentwicklung EDA K 68 8 Nutzen und Verwendbarkeit Zusammenarbeit mit anderen Stellen 78 9 Fortschritt 79 10 Ver ffentlichungen 79 11 Patente 79 12 Quellen 80 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 1 Einleitung und Hintergrund Bisher kamen im K stenschutz von Mecklenburg Vorpommern zur Aufnahme der Morphologie und zur Vermessung von K stenschutzanlagen neben den klassichen tachymetrischen Messverfahren haupts chlich Airborne Lasers
29. Untersuchungsgebiete f r die Differenzbildung Um die Abweichung der LEDA K2 Daten von denen des ALS zu erhalten wurden die ALS Raster von den LEDA K2 Rastern subtrahiert Dadurch entstand pro Teilgebiet ein neues Raster mit Differenzwerten Diese wurden mit dem Programm Surfer farbkodiert und f r alle Teilgebiete in den folgenden drei Abbildungen grafisch dargestellt 62 6024066 6024065 6024064 6024063 6024062 6024061 6024060 6024059 6024078 6024077 6024076 6024075 6024074 6024073 6024072 6024054 6024052 6024050 6024048 StALU MM Rostock DG K ste 33329394 33329393 33329392 0 5 0 45 0 4 0 35 0 3 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 0 05 0 1 u 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 33329396 33329398 33329400 33329402 Farbkodierte Differenzansicht der Dachfl che R 05 0 45 0 4 0 35 0 3 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 33329399 33329401 33329403 33329395 33329397 Farbkodierte Differenzansicht der Wiesenfl che 1 0 5 0 45 0 4 0 35 0 3 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 0 05 m 0 1 E 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 2 6 0 4 gt 0 45 0 5 33329394 33329396 33329398 33329400 33329402 Farbkodierte Differenzansicht der Wiesenfl che 2 63 LEDA K2 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Weiterhin wurden mithilfe der Software Surfer anhand der erzeugten Differenzra
30. aschigen digitalen Oberfl chenmodells des K stenstreifens e Planung Durchf hrung und Auswertung von stereoskopischen Bildfl gen e Kombinierte Befliegungen mit anderen Sensoren z B Infrarot Aufnahmen Bodentemperatur e Ableitung zeitlicher Ver nderung aus dem Modell Prognose der Weiterentwicklung e Ableitung von Ma nahmen zur Verhinderung ungew nschter Entwicklungen StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Folgende Fragestellungen waren in dem Forschungsprojekt zu beantworten e Verbesserungsm glichkeiten f r die Flugplattform o Einsatz von differential GPS zur Erh hung der Lagegenauigkeit o H henmessung ber Grund zur Einbeziehung in die Bildauswertung o Messung der Relativgeschwindigkeit gegen die umgebende Luft zur Flugstabilisierung o Verbesserung der Messgenauigkeit der Neigungswinkel durch neue Kalibrierungsverfahren andere Sensoren und Software e Softwareentwicklungsbedarf o Anpassung der Flugbahn an den K stenverlauf auch bei Wind realisierbar o Zus tzliche Einsatz von HD Videos oder mehreren Kameras f r die Verbesserung der Genauigkeit der Modellierung o Gestaltung der teilautomatisierten Stereobildauswertesoftware mit den Zielen hohe Genauigkeit hohe Zuverl ssigkeit leichte Plausibilit tskontrolle Kombination mit Modellierungssoftware o Modellauswertungssoftware 3 Wissenschaftlich technischer Stand Stand der Technik Flugzeuggetragene klassische und digitale Luftbildsysteme sind bei kleineren Gebieten
31. begibt sich das Flugger t auf die Startposition und beh lt die Position so lange bei bis die vorgegebene Flugroute beginnen soll W hrend des autonomen Fluges kann die Drohne jederzeit halbautomatisch gesteuert werden um bspw Gefahrensituationen auszuweichen Sollte die Akkuleistung nicht ausreichen fliegt die Drohne automatisch zum angegebenen Zielpunkt und ist bereit f r die Landung Der Befehl zum Starten der Sensoren ber den SSH Client ist im autonomen Flug nicht mit integriert und muss daher manuell durchgef hrt werden Die Drohne kann mit dem mitgef hrten Akku ca 12 bis 15 in in der Luft bleiben Nachdem die vorgegebene Flugroute durchflogen wurde fliegt die Drohne selbstst ndig zum definierten Zielpunkt Dort kann der Steuerer die Drohne bernehmen und die Landung manuell durchf hren Bei der Landung sollte darauf geachtet werden dass sich in der Landezone m glichst keine Kleinteile befinden die vom Wind aufgewirbelt werden k nnten und so Teile der Drohne besch digen Je nach Aufnahmegebiet erfolgt zu diesem Zeitpunkt eine weitere Befliegung Im Anschluss an die Befliegung werden die Daten von der SD Karte auf eine Festplatte gesichert 38 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Prozessieren der Rohdaten Bei einer Aufnahme mit der LEDA K2 Drohne werden insgesamt drei Dateien erzeugt pro Scanstreifen Dazu z hlen eine Positionsdatei eine Datei mit den gemessenen Strecken und eine Datei mit den zugeh rigen Intensit
32. ben die Vektoren zwischen den Komponenten die gesamte Zeit konstant Des Weiteren befinden sich alle Baugruppen in unterschiedlichen Koordinatensystemen Der Laserscanner ist mit seiner x Achse in Flugrichtung mit der y Achse horizontal senkrecht zur x Achse nach rechts ausgerichtet und die z Achse zeigt rechtwinklig zu den beiden Vorherigen nach unten Die Orientierung der IMU wird ber die drei Rotationswinkel Pitch Roll und Yaw beschrieben und befinden sich nahezu im Horizontkoordinatensystem Baubedingt weichen diese Achsen leicht vom Horizontsystem ab Die Bestimmung dieser Abweichungen vollzieht sich im darauffolgenden Schritt der Kalibrierung Mithilfe von Transformationsmatrizen werden die gemessenen Distanzen in das Horizontsystem der IMU Einheit berf hrt Im Anschluss daran erfolgt die berf hrung und Berechnung der 3D Punktkoordinate in das Koordinatensystem WGS84 in dem sich auch die GPS Positionen befinden Die Berechnung der 3D Punkte findet f r jeden gemessenen Flugstreifen separat statt Dieser umfangreiche Rechenvorgang ben tigt je nach Gr e des Projektes bis zu mehrere Tage Kalibrierung Durch die Kalibrierung der erzeugten Punktwolkenstreifen werden einige systematische Fehlereinfl sse iterativ minimiert Darunter z hlen unter anderem die Boresight Winkel dt Achsverschwenkung die die Differenz zwischen der IMU und Scannerausrichtung beschreiben Die Ann herung an diese systematischen Orientierungsfehler erfol
33. bene Fl chen in den berlappungsbereichen eine B ndelblockausgleichung ber alle Spuren hinweg Anschlie end liegen als Ergebnis zusammenh ngende Punktwolkenstreifen vor ohne einen signifikanten H henversatz zueinander Feingeoreferenzierung anhand von Referenzobjekten Mit einem Vergleich von Lage und H he zu Referenzobjekten die ber das gesamte Projektgebiet verteilt sind erfolgt eine Anpassung des gesamten Streifenverbandes und somit des ganzen Projektes Als Lagereferenzen werden bspw Geb udeumrisse verwendet Anschlie end werden gemessene Punkte auf horizontalen Fl chen z B Parkpl tze genutzt um das Projekt in der H he anzupassen 26 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Die Referenzdaten stammen entweder vom Auftraggeber von m Vorg ngerprojekt en oder wurden eigenst ndig per GPS und oder Tachymetrie dreidimensional vor Ort bestimmt Zuerst werden Unterschiede in der Lage ermittelt Nach zuvor erfolgreicher Berechnung und Kalibrierung sollten sich bei den Referenzobjekten ber das gesamte Gebiet hnliche Offsets in x und y Richtung ergeben Es ist wichtig dass zuerst die Anpassung in der Lage erfolgt und anschlie end die Anpassung in der H he Denn allein aufgrund von Lageabweichungen ergeben sich H henunterschiede zu den Referenzen Nach der Lageanpassung aller 3D Punkte werden die H hendiskrepanzen zu den Referenzen festgestellt Im Gegensatz zur Lage m ssen die errechneten H hendifferenzen ber das Pr
34. bertragung gelegentlich nicht vollst ndig bevor die GPS IMU Einheit vom Board erneut angesprochen wird In diesem Fall werden siebenmal 1 in die betreffende Zeile der Positions und Orientierungsdatei geschrieben anstatt korrekter Werte Diese Datenl cken werden im sp teren Auswerteprozess durch Interpolation aufgef llt Die Distanz und Intensit tsdatei haben denselben strukturellen Aufbau und weisen die gleiche Dateigr e auf der Festplatte auf Der Dateiname f gt sich zusammen aus der Bezeichnung Distance oder Intensity Anzahl der Messungen pro Messreihe 1082 Erkl rung siehe weiter unten der Dimension 1 und einem variablen Wert M f r die Anzahl der aufgenommenen Messreihen Nach diesem Schema ergeben sich die Namen wie folgt Distance_1082x1xM raw bzw Intensity_1082x1xM raw Der Scanner inkrementiert 1080 mal in 0 25 Grad Schritten pro Umlauf wodurch 1081 Messungen ausgef hrt werden Zus tzlich dazu steht in jeder Zeile der Distance und Intensity Datei am Ende die Zeit Aufgrund dessen ergeben sich als Spaltendimension 1082 Werte Weiterhin ist M die Anzahl der Messreihen um eins gr er als der Wert N in der dazugeh rigen Positions und Orientierungsdatei da in der ersten Zeile zus tzlich die Winkelinkrementierung als ganze Zahlen ausgegeben wird Diese beginnt bei 540 und endet mit 540 wobei mit jeder fortlaufenden Zahl um 0 25 hochgez hlt wird 1 0 25 540 135 Nach der ersten Zeile fo
35. canning ALS und vereinzelt terrestrisches Laserscanning zum Einsatz Bei der tachymetrischer Vermessung wird der Vorteil der hochgenauen Aufnahme von Objekten inklusive der Attributierung durch die berwiegenden Nachteile von wenigen Punkten pro Fl che hoher Zeit und Kostenaufwand und der Notwendigkeit der Interpolation von Zwischenfl chen zunichte gemacht Andererseits wird bei der ALS Vermessung eine sehr gro e Fl che in kurzer Zeit aufgenommen hier fehlen aber dann die Attributierung der Punkte sowie die hohe Genauigkeit und es besteht das Problem der Verf gbarkeit von Flugzeugen Hubschraubern zum gew nschten Zeitpunkt Bei zu kleinen Fl chen liegen die Mob DeMobkosten bzw An und Abflugkosten oft ber den tats chlichen Befliegungskosten Das terrestrische Laserscanning als Mittelweg durch die Aufnahme einer hohen Punktdichte bei einer gr eren Fl che mit schnellerer Verf gbarkeit als beim ALS aber mit reduzierter Genauigkeit gegen ber tachymetrischen Verfahren und mittlerem Zeit und Kostenaufwand ist f r kleinfl chige Objekte eine gute Alternative f r gr ere und insbesondere langgestreckte Objekte wie D nen und Deiche auch keine befriedigende L sung Die Technikentwicklung der letzten Zeit hat nun 2 weitere m gliche Aufnahmeverfahren zur Marktreife gebracht deren Anwendung gerade f r die Aufgaben des K stenschutzes nicht nur in MV sondern in allen K stenl ndern theoretisch vielversprechende Ergebnisse erwa
36. chen Verarbeitung von einzelnen Bildern und Bildverb nden welche mit UAVs aufgenommen wurden sind e unsystematisch aufgenommene bzw verkippte Bilder welche z B bei windigen Verh ltnissen oder durch eine unzureichende Stabilisierung Orientierung der Sensorik hervorgerufen werden e Ver nderungen in der inneren Orientierung der Kamera zwischen und vor allem w hrend der Bildfl ge e Keine oder nur sehr ungenaue Startwerte des GPS ggf auch INS f r eine Aerotriangulation e Schwierigkeiten in der Passpunktbestimmung Anzahl Genauigkeit Verteilung StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Es ist die komplette Miniatursensorik f r den technischen Input des UAV zu entwickeln zu testen Hierzu z hlen u a das GPS das Inertialsystem INS Kleinlaserscanner digitale RGB Kameras sowie die Funkfernsteuerung Es sollten etwa 3 verschiedene Laserscanner verschiedener Bauart und Aufl sung mit Single bzw Multibeam auf ihre Eignung getestet werden Dazu wurden in zeitlichen Abst nden diverse Test und Kalibrierfl ge durchgef hrt Die jeweilig gewonnenen Ergebnisse und Daten sollten prozessiert und ausgewertet werden Dabei sollten die notwendigen Hardware Kalibrierungsverfahren zur Sicherung erforderlicher Genauigkeits anforderungen entwickelt werden Neben der reinen photogrammetrischen Softwareentwicklung im folgenden 2 Projektteil waren auch beim Einsatz von Kleinstlasern in Drohnen eine Reihe von Fragestellungen beim Einsatz und der
37. d Krooz handelt es sich um ein Board welches speziell f r die Steuerung von Flugger ten entworfen wurde Das Board kann mit verschiedensten Sensoren Modulen und Einheiten best ckt werden und ist durch seine geringe Gr e ideal f r UAV Systeme Unter anderem wurde das Krooz Board mit einem MPU 6000 6050 Modul ausgestattet welcher zur Gewinnung der Orientierungsdaten dient Das Modul enth lt eine 3 achsige kardanische Kreiselaufh ngung und einen 3 Achsen Beschleunigungssensor die auf ein und demselben Siliziumchip montiert sind Zus tzlich befindet sich noch ein digit Bewegungsprozessor an Bord Recheneinheit PandaBoard ES Das PandaBoard ES ist die Plattform f r die LEDA K2 Drohne in der alle Komponenten zusammenlaufen Das Board besitzt einen leistungsstarken Dual Core Prozessor mit 1 2 GHz pro Kern Als Arbeitsspeicher stehen 1 GB DDR 2 RAM zur Verf gung Des Weiteren besitzt das Board neben insgesamt 2 USB Schnittstellen auch einen SD MMC Card Leser der auch Karten mit hohen Geschwindigkeiten und hoher Speicherkapazit t lesen kann Eine SD Karte dient im LEDA K2 Projekt als Speichermedium f r die gewonnenen Daten und Messwerte sowie f r das Betriebssystem und die ben tigte Software Weiterhin besitzt das Board ein WLAN Modul 31 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Wahl des Laserscanners Aufgrund der m glichen geringen Zuladung des Hexakopters ergab sich nur eine kleine Anzahl infrage kommender Kompaktscanner Z
38. dazu ein Volumen absch tzen zu k nnen wenn man nur die St tzpunkte f r ein einziges Modell hat Man muss zun chst vor der Auswahl des Men punktes ein geschlossenes Polygon um den Bereich zeichnen f r den das Volumen abgesch tzt werden soll 74 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Die Funktion berechnet dann ein Gel ndemodell mit allen St tzpunkten und eines bei dem die St tzpunkte im ausgew hlten Bereich durch linear interpolierte St tzpunkte ersetzt wurden die den Bodenverlauf absch tzen sollen Anschlie end wird das Volumen der Differenz berechnet und am Bildschirm und als Objektvariable an der Gebietsumrandung ausgegeben Als n chstes gibt es noch die Funktion F llungsvolumen Damit l sst sich das Volumen berechnen mit dem man das Gel ndemodell bef llen m sste bis eine vom Nutzer festzulegende F llh he an einem ebenfalls nutzerbestimmten Punkt erreicht wird Dabei wird sowohl das Volumen als auch die insgesamt bef llte Fl che ausgegeben Diese Funktion ist z B sinnvoll um festzustellen wieviel Fl che berflutet wird wenn eine Gel ndehohlform bis zu einem bestimmten Stand mit Wasser volll uft Zuletzt besteht die M glichkeit aus einem bestehenden Gel ndemodell ein Gel ndeprofil zu berechnen Der Nutzer muss die Ebene mit dem Gel ndemodell und die zu verwendende Objektvariable ausw hlen und anschlie end den Verlauf des Profils als Linie eingeben Es ist dabei auch m glich ein Profil ber mehrere
39. delloberfl chen sind f r die Gel ndemodelle wichtig und stellen somit in den meisten F llen das Minimum an zu importierenden Daten dar Polygone Die Polygone sind die eigentlichen Fl chen aus denen das Modell zusammengesetzt ist Diese Daten sind in den meisten F llen zu vernachl ssigen bieten aber einen besseren optischen Eindruck als wenn nur die Eckpunkte importiert werden w rden Texturen Der Import der Texturdatei funktioniert nur bei Texturen die als Orthophoto erzeugt wurden Die Textur erm glicht eine bessere Orientierung innerhalb des dargestellten Gebietes Weiterhin kann der Nutzer auf verschiedene Arten die geographische Lage und Skalierung des Modells bestimmen nur n tig wenn die Standard Version von PhotoScan oder Photos ohne GPS Positionen und Marker verwendet wurden Es kann entweder der Mittelpunkt in der Karte gew hlt werden oder das Modell in einen rechteckigen Bereich eingepasst werden Direkte Eingaben der Mittelpunkt koordinaten und der Skalierungen sind ebenfalls m glich Es kann au erdem notwendig sein dass das Koordinatensystem gedreht werden muss oder dass die Textur gespiegelt werden muss weswegen es auch daf r Optionen gibt B VRML Optionen Einzulesende Objekte und usgabeebenen v Viewpoints V Punkte V Polygone V Texturen Ebene 247 Ebene 248 Ebene 245 Ebene 246 Platzierung und Skalierung x T Z Skalierung 10 10 10 Mittelpunkt 1207871 42509295 5268924
40. den K stenbereichen von Nord und Ostsee f r die jeweiligen Aufgabenstellungen sinnvoll und praxisrelevant zur Verf gung gestellt werden k nnen Durch die Einbindung des KfKI Kuratorium von Forschung im K steningenieurwesen ist eine direkte Zugriffsm glichkeit und bertragbarkeit der Ergebnisse auf alle beh rdlichen wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Akteure in den Bundesl ndern Mecklenburg Vorpommern Schleswig Holstein Niedersachsen sowie den Hansest dten Hamburg und Bremen gesichert 10 Ver ffentlichungen In der 9 monatigen Projektlaufzeit gab es keine Publikationen oder schriftliche Ver ffentlichungen Es wurde aber eine Reihe von Vortr gen gehalten Desweiteren haben die Verfahren Eingang in die Vortragsfolien der Dezernatsgruppe K ste gefunden und sind somit Teil aller K stenschutzvortr ge und exkursionen durch diese Mitarbeiter Die erstellte Software ist im Dienstgebrauch und wird in Verbindung mit UAS UAV Fl gen eingesetzt 11 Patente Es wurde keine Patente zur Anmeldung gebracht und es sind auch keine patentrechtlichen Schritte geplant 79 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 12 Quellen Alle Abbildungen und Fotos sind projektbezogen entstanden und von den beteiligten Firmen Institutionen erstelll jaufgenommen worden e Staatliches Amt f r Landwirtschaft und Umwelt Mittleres Mecklenburg e Milan Geoservice GmbH e CIS Gmbh Rostock 15 Dezember 2014 gez Tiepolt Dr Lars Tiepolt Dezernats
41. den folgenden vier Aufnahmen wurde die Drohne w hrend der Handf hrung nacheinander im Roll Spur 2 Pitch Spur 3 Yaw Winkel Spur 4 und in der H he Spur 5 ver ndert Die sechste Aufnahme war ein berflug in ca 9 m Flugh he und stellt den Normalfall einer Aufnahme dar F r die aufgenommenen sechs Scanstreifen wurden die Punktwolken mittels dem Programm SDC Prog berechnet Ergebnisse Die folgende AbbildungO zeigt die Draufsicht auf die h henfarbkodierten Punktwolken der ersten stabile Handf hrung und sechsten Spur berflug Draufsicht auf Punktwolken der ersten links und sechsten Spur rechts Anhand der visualisierten Punktwolken konnte eine Verdrehung im Yaw Winkel f r jeden der Scanstreifen festgestellt werden Dabei unterschied sich diese in jedem der Streifen Vor der erneuten Berechnung der Daten musste demnach die Verdrehung f r jede Spur separat ermittelt und angebracht werden Die erneut berechneten Punktwolken sind in den folgenden zwei Abbildungen dargestellt 52 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Draufsicht auf Punktwolke der ersten zweiten und dritten Spur v I n r Draufsicht auf Punktwolke der vierten f nften und sechsten Spur v I n r Die Punktwolke der sechsten Spur wies eine Punktdichte bis zu 1000 Punkte pro m auf Die Punktdichte variiert und nimmt von der Mitte der Spur nach au en hin ab Weiterhin wurden die Ma e der Kiste in jedem Scan abgegriffen Die abgeg
42. die IMU Einheit erst bei Erreichen ihrer Betriebstemperatur zuverl ssig arbeitet Des Weiteren wurde ein gleitendes Mittel ber 1001 Werte 500 davor sowie 500 danach auf alle Datenreihen angewendet schwarze Linien in allen drei Graphiken um Aussagen ber die Streuung der gemessenen Winkel treffen zu k nnen Daraus konnten Standardabweichungen f r jeden der drei Winkel in jeder der drei Messungen errechnet werden Die Erste beinhaltete 64184 aufgezeichnete Werte f r jeden der drei Orientierungswinkel Die Zweite beinhaltete 14175 und die Dritte 5705 Aus diesen Daten und den entsprechenden gleitenden Mitteln wurden folgende Standardabweichungen berechnet Standardabweichungen f r die einzelnen Orientierungswinkel in drei Messungen Messung 1 Messung 2 Messung 3 Durchschnitt Std abw Roll 1 0 0108 0 0092 0 0097 0 0099 Std abw Pitch 7 0 0099 0 0095 0 0085 0 0093 Std abw Yaw 7 0 0255 0 0237 0 0231 0 0241 44 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 W hrend sowohl der Roll als auch der Pitch Winkel eine Standardabweichung von knapp unter 0 01 aufweisen ist die Genauigkeit des Yaw Winkels mit 0 0241 nahezu um den Faktor 2 5 schlechter Da ber Winkelgenauigkeiten nicht direkt R ckschl sse ber Auswirkungen auf die Position eines 3D Punktes gezogen werden k nnen wird nun betrachtet wie stark sich die Orientierungswinkel bei einer Abweichung des Punktes von 10cm in der Lage ndern Daf r wird der Extremfall betrac
43. die speziellen Ausgabeformate in 3D Punkte umzurechnen 39 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Ziel war es daher ein Programm zu erstellen welches die Daten in ein bereits im ALS Auswerteablauf verwendeten Dateiformat ausgibt um die vorhandene Prozesskette zu nutzen Das vorhandene Programm der MILAN Geoservice GmbH SDC Prog ben tigt die Daten im SDC Format und die zugeh rige Positionsdatei pos einschlie lich der Orientierungswinkel Das SDC Format ist ein Aufzeichnungsformat der Firma Riegl und wird im ALS Auswerteablauf durch das Programm RIiANALYZE erzeugt Die SDC Datei wurde in der Version 5 4 erstellt und hat den vom RIANALYZE Benutzerhandbuch definierten Aufbau TIME DOUBLE seconds of the day or of the week depending on GPS string RANGE SINGLE measured range value m THETA SINGLE measured theta value deg Re Yy Z OINGLES 77 Xyp Yr 2 wval e fF pOint in Scanner s OWN coordinate system m AMPLITUDE WORD linearized amplitude WIDTH WORD width of target return full width half maximum 0 1 ns TARGETTYPE BYTE I 9 COG Le PAR 22 GPF 3 CO 5 GPE TARGET t BYTEJ index of target 1 NUMTARGET NUMTARGET BYTE total number of measurement RGINDEX WORD range gate index of measurement CHANNELDESC BYTE channel descriptor CLASSID 6 BYIE IJ elass Identir er RHO SINGLE tile mount angle deg REFLECTANCE SMALLINT reflectance 0 01 dB
44. e kann sie eingesetzt werden e Welche M glichkeiten der beschleunigten Auswertung bzw der Automatisierung der Auswertung k nnen erschlossen werden e Wie kann Genauigkeit Zuverl ssigkeit und Plausibilit tskontrolle f r das System an unsere Problemstellungen orientiert weiter gesteigert werden e Wie kann der vorhandene Datenbestand angefangen von topographischen Karten und Orthofotos bis hin zum spezifischen 3D Modell sinnvoll f r Flugplanung und Flugauswertung genutzt werden Entwicklung Teilautomatisierter Auswerteverfahren Es existieren insbesondere an Universit ten und Hochschulen verschiedene Ans tze Luftbilder von Drohnen f r die photogrammetrische 3D Rekonstruktion von Objekten meistens Geb ude zu verwenden Einen gewissen berblick dazu liefert http www Ic 3d net Bisher wurden erste Erfolge erzielt aber keine praktikablen L sungen erarbeitet Mit entsprechendem FuE Aufwand kann unter Einbeziehung offener Forschungsergebnisse eine effiziente 3D L sung mit einem hohen Automatisierungsgrad erarbeitet werden Bei der CIS GmbH gibt es bereits einen relativ hohen Automatisierungsgrad f r die Drohnen nutzung zur Gewinnung von 2D RGB und NIR Bildern deren Genauigkeits und Zuverl ssigkeitsparameter f r unsere Fragestellungen verbesserungsbed rftig und verbesserungsf hig sind Einsatzm glichkeiten teilautomatisierter Softwarel sungen im K stenschutz e Erstellung und Pflege eines georeferenzierten feinm
45. ei weit entfernten Zielen zu Mischsignalen und damit zu ungenauen Streckenmessungen Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt dass der Kompaktlaserscanner f r den mobilen Einsatz geeignet ist Winkelgenauigkeit Auch auf die Winkelgenauigkeit hat der Durchmesser des auftreffenden Laserstrahls einen gro en Einfluss Bei einem besonders gro en Durchmesser k nnen Kanten nicht genau genug bestimmt werden da es zu Mischsignalen kommt Daher wurde der Scanner nach jeder Messepoche um 2 mm verschoben 50 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Wenn eine signifikante nderung bei einer der Lasermessungen auftrat wurde ein Winkelschritt detektiert Die Detektion von Kanten durch Augenma zur Ermittlung der Winkelschrittweite ist somit fehlerbehaftet und musste subjektiv gesch tzt werden Trotz der genannten Nachteile traten nur geringf gige Abweichungen vom Sollwert von 0 25 1080 Messungen in einem Sichtfeld von 270 auf Die durch die Untersuchungen festgestellte Winkelgenauigkeit von 0 001 w rde auf die maximal garantierte Zielweite 30 m einen Lagefehler von 0 5 mm bewirken Fazit Die Distanzmessgenauigkeit des Kompaktlaserscanner Hokuyo UTM 30LX wurde durch die Untersuchungen berpr ft und f r besser befunden als vom Hersteller angegeben Auch die festgestellte Winkelgenauigkeit von 0 001 wirkt sich nur minimal auf eine Punktkoordinate bei maximaler Messentfernung aus Untersuchung des Zusammenspiels der LEDA
46. eichen die H henwerte mit ca m erheblich von der Referenzh he ab Aufgrund der geringeren Lageabweichung gegen ber dem gro en H henversatz ist anzunehmen dass der Fehler einem internen Rechen oder Umrechnungsfehler geschuldet ist Da die Ursache bisher noch nicht identifiziert werden konnte muss ggf eine H henanpassung an Referenzdaten erfolgen Im Folgenden kann daher f r die gemessene Position keine absolute Positionsgenauigkeit 3D angegeben werden sondern lediglich eine Lagegenauigkeit 2D Zus tzlich zur absoluten Lagegenauigkeit wurde die relative Lage und Positionsgenauigkeit berechnet Absolute Lagegenauigkeit 1 616 m Relative Lagegenauigkeit 1 215 m Relative Positionsgenauigkeit 1 347 m Trotz der fehlenden H hengenauigkeit weist die absolute Lagegenauigkeit einen realistischen Wert von rund 1 6m auf Wird die GNSS Referenzmessung nicht mit einbezogen so erhalten wir eine relative Positionsgenauigkeit unter 1 5m Jedoch schwanken die gemessenen Positionen innerhalb des Zeitraumes von 13 Minuten mitunter stark Hochwert und H he bis zu 2m Rechtswert bis 3 5m Wird durch die LEDA K2 Drohne eine l ngere Spur geflogen kann sich dies stark auf den Verlauf eines Scanstreifens auswirken 49 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Fazit Durch die Untersuchung konnte festgestellt werden dass bei der Positionsbestimmung ein H henfehler von ca 6 bis m vorliegt dessen Ursache noch nicht identifiziert werden konn
47. eidimensionalen Georeferenzierung Als letzte Funktion gibt es noch die Funktion 3D Transformation bei der eine dreidimensionale Helmert Transformation durchgef hrt wird Dabei werden bei der Berechnung der Transformationsmatrix ebenfalls H henwerte ben tigt so dass das Modell durch diese Funktion frei im Raum gedreht verschoben und skaliert werden kann Sofern das Flugprotokoll geladen wurde und die Viewpoints aus PhotoScan importiert wurden l sst sich hier auch automatisch eine Zuordnung der notwendigen Passpunktpaare erzeugen die bei Bedarf auch bis zu einem einzustellenden Schwellenwert ausged nnt werden kann Im weiteren Verlauf k nnen aus den so importierten und ggf georeferenzierten Punkten Gel ndemodelle berechnet werden auf die weitere Auswertungsfunktionen angewendet werden k nnen Gel ndemodelle Viele der speziellen Auswertefunktionen f r den K stenschutz basieren auf Gel ndemodellen die aus den 3D Modellen abgeleitet werden k nnen In diesem Abschnitt soll zun chst ein berblick ber die Datenstruktur f r Gel ndemodelle gegeben werden und im Anschluss eine bersicht ber den Funktionsumfang gegeben werden Dabei wird ein Schwerpunkt auf die Anwendungen im K stenschutz gesetzt 72 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Beschreibung der Gel ndemodelle Die in EDA K verwendeten Gel ndemodelle bestehen aus einem gleichm igen Raster aus quadratischen Objekten geschlossene Polygone Jede
48. eit des Scanners bermittelt Die Recheneinheit ermittelt aus der Distanz und den Richtungen der Drehspiegel die sie ber die Steuerungseinheit mitgeteilt bekommt die xyz Koordinaten des Zielpunktes Die Koordinate und der Intensit tswert werden im Massenspeicher abgelegt 17 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 GPS GNSS Positionsbestimmung Alle satellitengest tzten Positionierungssysteme werden bergeordnet als Global Navigation Satellite System GNSS bezeichnet Ein GNSS besteht im Wesentlichen aus einem Weltraumsegment Satelliten einem Kontrollsegment Bodenkontrollstationen und einem Nutzersegment GNSS Empf nger Die beiden einzigen im operativen Einsatz befindlichen Systeme sind das amerikanische Global Positioning System GPS und das russische Globalnaya Navigationsnaya Sputnikovaya Sistema GLONASS Die Satelliten kreisen in mehreren festen Bahnen um die Erde und werden dabei ber die Bodenstationen berwacht und gesteuert Bei GPS bewegen sich die Satelliten in 6 Bahnen und bei GLONASS in 3 Bahnen um die Erde Beide Systeme haben jeweils nominell 24 Satelliten im aktiven Dienst meist sind es jedoch mehr Funktionsprinzip Alle Satellitensysteme arbeiten nach demselben Grundprinzip Jeder aktive Satellit sendet st ndig codierte Signale mit Navigationsnachrichten in Richtung Erde aus ber die Zeit die das Signal vom Satelliten zum Empf nger braucht wird mithilfe der Ausbreitungs geschwindigkeit in der Atmosph
49. gen dass die IMU und die GPS Einheit die Schwachstelle der Drohnenkonstruktion darstellen Schnelle und starke Ver nderungen in den Orientierungswinkeln und oder der dreidimensionalen Lage werden nicht mit der n tigen Aktualisierungsrate durch die Sensoren erfasst und Oberfl chen werden dadurch ca 2 bis 6 mal schlechter abgebildet Jedoch stellen die k nstlich hervorgerufenen Ver nderungen extreme Verh ltnisse dar Ein berflug bei normalen Bedingungen hat gezeigt dass die Konstruktion durchaus dazu in der Lage ist ein Abbild der Erdoberfl che als Punktwolke geometrisch korrekt mit einer relativen Genauigkeit innerhalb des Streifens besser als 3cm aufzunehmen Bisweilen m ssen mehrere zusammengeh rende Spuren im Nachhinein noch automatisch bzw manuell zueinander in der Lage und Orientierung angepasst werden Vergleich der Punktwolken mit ALS Messungen Das Untersuchungsgebiet ist ein K stenabschnitt von Wustrow Ortsteil Dierhagen Ost auf der Ostseehalbinsel Fischland Dar Zingst im Norden von Mecklenburg Vorpommern Hier befindet sich ein Leuchtturm der als Vergleichsobjekt dienen sollte Die Aufnahme des Leuchtturms und der umliegenden Gr nfl chen erfolgte durch zwei Flugstreifen entlang der K ste und vier in Querrichtung durch halbautomatische Steuerung der LEDA K2 Drohne Aufnahmegeometrie der LEDA K2 Messung 57 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Die erhaltenen RAW Dateien wurden in sdc Dateien umgewandelt An
50. genauigkeiten erreicht werden Fehlereinfl sse Die Messungen mit GPS Empf ngern unterliegen verschiedenen Fehlereinfl ssen von denen an dieser Stelle nur diejenigen kurz beschrieben werden die bei den vorherrschenden Messbedingungen im Rahmen des Projektes eine Rolle spielen Einen gro en Einfluss auf die Qualit t und damit der Genauigkeit des GPS Signals ist der zur ckgelegte Weg durch die Erdatmosph re Die Erdatmosph re teilt sich grob mit steigender H he auf in Erdoberfl che Troposph re ca in 10 km H he Stratosph re bis 50 km Mesosph re bis 80 km Thermosph re bis 500 km und die Exosph re ber 500 km bis ca 1000 km Der gr te Einfluss auf die Signale hat die Troposph re gefolgt von der lonosph re In der lonosph re kommt es zu einer Refraktion der Satellitensignale ionosph rische Refraktion Dabei spielen zwei Faktoren eine entscheidende Rolle Zum einen weicht die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ab und zum anderen ist der Brechungsindex entlang des Signalweges verschieden wodurch das Signal gebeugt wird Letzteres kann aufgrund seiner geringen Auswirkung vernachl ssigt werden Der Einfluss aufgrund des Unterschieds zur Lichtgeschwindigkeit kann entweder ber die Verwendung von Zweifrequenz Messungen oder ber relative Positionierung DGPS verringert werden Auch in der Troposph re kommt es aufgrund von Refraktion der Satellitensignale zu Fehlereinfl ssen Zur
51. gruppe K ste Dezernat Allgemeine Angelegenheiten und K stenkunde Erich Schlesinger Str 35 18059 Rostock Tel 0381 331 67 604 Fax 0381 331 67 799 E Mail lars tiepolt stalumm mv regierung de Anlage Hilfe der Software EDA K 80
52. gt durch eine Ausgleichung nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate f r jeden Streifen ber ausgew hlte ebene Fl chen Diese m ssen sich dabei im berlappungsbereich mit einem anderen Streifen befinden um eine Ausgleichung zu erm glichen Stra en oder H user d cher stellen f r diese Berechnung geeignete Fl chen dar Sie weisen einen hohen Kontrast gegen ber ihrer Umgebung auf und k nnen dadurch eindeutiger aus den Laserdaten herausgefiltert werden 25 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Prinzip der Streifenblockausgleichung Nach der Ausgleichung erfolgt das erneute Rechnen der Daten zu 3D Koordinaten mit den verbesserten Orientierungswinkeln Aus den daraus entstehenden neuen Streifen werden ber die ebenen Fl chen erneut die Orientierungsfehler ausgeglichen Das ganze wiederholt sich so oft bis die Ausgleichung keine signifikanten nderungen hervorbringt Spuranpassung Durch den vorherigen Schritt sind die einzelnen Streifen zwar schon sehr gut zueinander ausgerichtet dennoch besteht Anpassungsbedarf um eine m glichst hohe Genauigkeit zu erreichen W hrend in der Kalibrierung systematische Fehler ausgeglichen wurden erfolgt bei der Spuranpassung das Ausrichten aller Streifen relativ zueinander Diese Unterschiede bspw in der H he und oder im Rollwinkel resultieren aus zuf lligen Messabweichungen Der Anpassungsvorgang hnelt allerdings sehr dem des Kalibrierens Auch hier erfolgt durch geeignete e
53. gvorbereitung findet vor Ort an der Stelle statt an der der Start vorgesehen ist Der Start und Landeplatz sollte so gew hlt werden dass nicht zu viel Staub Dreck oder kleine Steinchen durch den Start aufgewirbelt werden die den Scanner oder die Drohne selbst eventuell besch digen Ist ein Startpunkt gefunden k nnen Antenne und Laptop aufgebaut und miteinander verbunden werden Nun wird die Drohne aus der Transportkiste genommen und anschlie end kann einer der Akkus an der Drohne befestigt werden Je nachdem ob ein autonomer oder manueller Flug der Drohne geplant ist kann das Programm UAV Mobil f r die Flugplanung gestartet werden Start und Landepunkt werden manuell vorgegeben und anhand der festgelegten Startrichtung und dem Umring erfolgt die automatische Erstellung der Flugstreifen Dabei ist eine ausreichende berlappung der Scanstreifen einzustellen damit m glichst keine L cken in dem Aufnahmegebiet entstehen Nach der Flugroutenplanung wird die Fernbedienung eingeschaltet und im Anschluss daran wird der Flug Akku mit dem UAV verbunden Am Laptop erfolgt die bertragung der Flugroutenpunkte an die Steuerungseinheit der Drohne per Funk Damit die aktuelle Position genau genug bestimmt ist muss noch eine fixed L sung f r die GPS Positionierung von der Navigationssoftware gerechnet werden Danach kann entweder der automatische oder halbautomatische Start der Drohne beginnen Autonomer Flug und Landung Nach dem Start
54. h manueller Spuranpassung Da die Georeferenzierung durch die GPS Einheit nur eine absolute Genauigkeit von wenigen Metern aufweist musste die LEDA K2 Punktwolke daher noch an die Daten der ALS Messung angepasst werden Die Punktwolke wurde in x y und z um die folgenden Werte verschoben Translation in X 0 830 m Translation in Y 0 730 m Translation in Z 7 700 m Nach der Anpassung der LEDA K2 an die ALS Daten konnten diese miteinander verglichen werden Die folgenden beiden Abbildungen zeigen den Vergleich zwischen ALS Daten blaue Punkte und Daten aus der Drohnenbefliegung rote Punkte stark ausged nnt 2 A en Tan L ngsschnitt durch ALS blau und LEDA K2 Daten rot 61 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Querschnitt durch ALS blau und LEDA K2 Daten rot Um die Unterschiede zwischen den ALS und Drohnenpunkten sowohl optisch als auch nummerisch darstellen zu k nnen wurden mithilfe der Software Surfer Differenzbilder und Differenzkenngr en berechnet Dazu mussten alle Punkte die zu variablen Objekten wie Str ucher oder B ume zu z hlen sind extrahiert werden Anschlie end wurden die Daten jeweils in einem regelm igen Raster von 0 1 m f r die Berechnung ausgegeben Durch das berstehen des Daches ber dem Boden ergaben sich an diesen Stellen Mischwerte worauf eine Differenzbildung nicht ber das gesamte Aufnahmegebiet erfolgte sondern in drei kleinen Teilgebieten gr ne Rahmen
55. handenen und auch extra f r das Forschungsprojekt zus tzlich eingesetzten Softwarepakete u a Photomod keine befriedigenden L sungen hervorgebracht hat so dass im Endeffekt die guten Ausgangsdaten durch unzureichende ungenaue und zeitaufwendige Algorithmen bei der Verarbeitung einen starken Qualit tsverlust erfahren haben Gegenw rtig verwendete Softwarepakete arbeiten relativ stabil wenn sie mit hochwertigen Bildern und genauen Messwerten beschickt werden Sie sind aber oft nicht in der Lage ungenaue oder fehlerhafte Messwerte oder unscharfe Bilder zu erkennen und auszusondern Sie reagieren oft erst nach l ngeren Berechnungen mit einem fehlerhaften Ergebnis Hier bestand ein weiterer Forschungsansatz durch e Entwicklung von M glichkeiten zur Teilautomatisierung der 3D Modellierung e Genauigkeitssteigerung durch hochgenaue Positionierung und Kalibrierung der Messsysteme an den vorhandenen Modelldaten e Kombination von Hardware und Software mit einem hohen Automatisierungsgrad zugeschnitten auf spezielle Fragestellungen des K stenmonitorings StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Weiter zu bearbeitende bzw neue Fragestellungen waren u a e Erh hung des Automatisierungsprozesses bei Flugplanung und Befliegung e Neiterentwicklung der Datenauswertungsverfahren e Erh hung der Programmunterst tzung und Beschleunigung der Datenauswertungs und Modellierungsprozesse e Welche zus tzliche Sensorik verspricht Erkenntnisgewinn und wi
56. ht worden sind e Ein weiterer Forschungsansatz war die Entwicklung der Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten IMU Laserscanner Datenaufzeichnungseinheit sowie die Verbindung mit dem GPS Signal der Tr gerplattform 4 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Daf r sollte eine miniaturisierte Recheneinheit gesucht oder entwickelt werden welche sowohl als Verbindungsstelle der einzelnen Sensorsysteme dient als auch die Datenaufzeichnung bewerkstelligt Diese Recheneinheit m sste den aus der Flugplanung bekannten Flugstreifen automatisch ansteuern und die reibungslose kontinuierliche Datenaufzeichnung gew hrleisten Ebenso war eine berwachung der Sensordaten und ggf ein Eingreifen in die Systeme vom Boden aus zu realisieren Hierzu musste eine drahtlose Kommunikation zu einer Bodenstation eingerichtet werden Software Bei den Softwarepaketen ist international ein Trend von UAV Unmanned Aircraft Vehicles zu UAS Unmanned Aircraft Systems zu verzeichnen Das bedeutet dass die Software an Bedeutung gewinnt eine Software die sich mit Flugplanung Flugdurchf hrung und Flugauswertung besch ftigt Komfortable Software stellt sich auf die Anwenderproblem stellung ein und bindet sich in Verfahren der Nutzer ohne Medienbr che ein Genau diese Problematik bei der Software mit den derzeit f r die K stenanwendungen spezifischen Fragestellungen hat im 1 Projekt LEDA K erhebliche Probleme bei der Datenauswertung gemacht da die vor
57. htet d h die Winkelabweichungen bei Messungen am Rand eines Scanstreifens Die Winkelabweichungen im Pitch und Yaw Winkel k nnen beide ber die Winkelfunktionen im rechtwinkligen Dreieck siehe Gruber Joeckel 2007 S 25 berechnet werden und sind mit 0 19 gleich Die Abweichung im Yaw Winkel f llt mit 0 17 dabei etwas geringer aus und wurde ber die Winkelfunktionen im allgemeinen Dreieck ermittelt siehe Gruber Joeckel 2007 S 27 Die festgestellten Standardabweichungen in den Orientierungswinkeln fallen jedoch mit maximal 0 0241 im Yaw Winkel bei weitem geringer aus Aufgrund der Ann herung der Orientierungswinkel beim Einschalten der Drohne wurden durch die CiS GmbH Winkelkorrekturwerte in Abh ngigkeit von der Temperatur in das Drohnensystem integriert Bei einem erneuten Test der IMU Einheit nunmehr mit laufenden Rotoren wurde eine Messung mit einer Dauer von ca 40 Minuten durchgef hrt Genau wie bei dem vorherigen Untersuchungsprozess wurden die Daten mit MATLAB f r jeden Orientierungswinkel separat grafisch dargestellt siehe 0 bis 0 Roll 0 4 Winkel in Grad 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Zeit in Sekunden Verlauf des Roll Winkels in Ruhe bei laufenden Motoren 45 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Pitch Winkel in Grad 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Zeit in Sekunden Verlauf des Pitch W
58. hungs und Entwicklungsbedarf bestand bei der Kopplung der IMU GPS Daten mit den Laserdaten da die Orientierungswinkelbestimmung mit einer Mini IMU wie sie auf Drohnen aufgrund des geringen Gewichtes zur Anwendung kommen qualitativ kaum ausreichend sind So werden u a die Orientierungswinkel bei den derzeit in LEDA K eingesetzten Drohnen mit einer Nachkommastelle ausgegeben bei konventionellen ALS Befliegungen aber mindestens mit vier Nachkommastellen Hier musste ein Verfahren zur Optimierung und Ann herung der Genauigkeiten entwickelt werden e Nach der Verschneidung der IMU und Laserdaten liegen die gescannten Spuren verdreht zueinander was aber durch geeignete Spuranpassungs Algorithmen im Nachhinein angepasst werden kann und Stand der Wissenschaft Technik ist Beim Einsatz der kleinen ALS Laser ist aber zu erwarten dass innerhalb der Spuren extreme Schwankungen auftreten werden wodurch diese verdreht gestaucht und verzehrt werden Dieser Missstand ist im Nachhinein derzeit nicht mehr zufriedenstellend zu beheben und war deshalb ein Untersuchungsschwerpunkt in LEDA K2 wobei derzeit eine komplette Probleml sung nicht zu erwarten war es aber eine Reihe von Ans tzen aus Modellbefliegungen der Firma Milan Geoservice GmbH mit speziellen gr eren Koptern 25 kg gibt F r die Umsetzung auf UAVs sind bereits L sungen konzipiert worden u a Orientierung mit Hilfe einer Kamera durch die Aufnahme von Passpunkten die aber noch nicht erforsc
59. ine Gesamtpunktwolke zu erhalten Die Spur 1 wurde keiner Anpassung unterzogen da geometrische Formen innerhalb der Punktwolke zu gro e Unstetigkeiten aufwiesen was der unzureichend genauen GPS und IMU Einheit geschuldet ist Die folgende Tabelle listet sowohl die Translationen als auch Winkelkorrekturen der angepassten Spuren zur Referenzspur auf Anpassung der Spur 3 bis Spur 6 an Spur 2 er en er ae er ae Yaw Roll 9 Pitch in X m in Y m in Z m a o o o oa oa BE owe sw om om ooo o0 o0 Ca en ow om f omo oa oon Cors om am om f oo omo oom Css oo ow om o oso ae en sm am om om oma om 59 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Die folgenden Abbildungen zeigen alle Spuren in einer Ansicht nach der manuellen Anpassung Punktwolke aller angepassten Spuren Querschnitt durch die Punktwolken aller angepassten Spuren Nach der Anpassung wies die Gesamtpunktwolke eine Punktdichte von bis zu 2000 Punkten pro m auf Des Weiteren treten gr ere Abweichungen bis zu 0 5 m zwischen den Spuren nur noch an Randbereichen einzelner Spuren auf Dies ist zum einen zur ckzuf hren auf beispielsweise ung nstige Auftreffwinkel der Laserstrahlen Schr ge Dachfl chen mit dunkler Oberfl che beg nstigen diesen Fall noch weiter Zum anderen existieren zudem noch Reste der GPS und IMU Ungenauigkeiten 60 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Maximale Abweichungen nac
60. inheit wurde zusammen mit der GPS Antenne PandaBoard und Laserscanner auf einem Holzbrett befestigt Diese Konstruktion sollte den Aufbau der Drohne nachstellen Zur berpr fung der zuf lligen Fehler der IMU Einheit wurden mehrere Messungen durchgef hrt bei denen die Konstruktion weder bewegt keine Translation noch gedreht keine Rotation wurde Real ver ndern sich die IMU Werte damit also nicht und d rften zumindest theoretisch gleich bleiben Dabei wurde zun chst eine l ngere Messung durchgef hrt ca 40 Minuten und anschlie end noch zwei k rzere Messungen ca 9 Minuten und ca 3 5 Minuten Zwischen den Messungen wurde die Aufzeichnung der Sensoren gestoppt Die zwei Folgemessungen sind nur wenige Minuten lang da man den angezeigten Werten entnehmen konnte dass keine signifikante nderung wie bei der ersten Messung zu erkennen war Zu einem sp teren Zeitpunkt wurde mit der fertigen Drohnenkonstruktion erneut der gleiche Testlauf durchgef hrt Dabei jedoch mit laufenden Motoren im Stand Dies diente dazu den Einfluss der Vibrationen der Motoren auf das Verhalten der IMU Einheit festzustellen Die Ergebnisse zu diesem Testlauf finden sich im Anschluss an die erste Untersuchung der IMU Einheit 42 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Ergebnisse Zun chst wurden die gewonnenen Daten der ersten Untersuchung mithilfe von MATLAB ausgewertet und f r jeden Winkel Roll Pitch Yaw separat grafisch dargestellt Winke
61. inkels in Ruhe bei laufenden Motoren Yaw 80 N oo Winkel in Grad J I N 6 gt 75t 2 500 1000 1500 2000 2500 3000 Zeit in Sekunden Verlauf des Yaw Winkels in Ruhe bei laufenden Motoren Bei dieser Messung sind sinusf rmige Schwankungen aller drei Winkel zu beobachten Diese scheinen von den Vibrationen der laufenden Motoren auszugehen Mit einer Spannweite von ca 3 5 im Yaw Winkel sind die Schwankungen als schwerwiegend einzuordnen W hrend die in der vorherigen Untersuchung festgestellte Ann herung der IMU Winkel im Roll Winkel nur noch in geringem Ma e festzustellen ist f llt sie im Pitch und im Yaw Winkel allerdings gr er aus Dies ist zum einen auf die weiterhin vorhandene Ann herung der Orientierungswinkel zur ckzuf hren zum anderen auch auf den sinusf rmigen Verlauf aufgrund der Motorvibrationen 46 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Fazit Aus dieser Untersuchung ergab sich die Erkenntnis dass sich die drei Orientierungswinkel der IMU Einheit innerhalb von etwa 30 Minuten jeweils einem Wert ann hern Erst nach dieser Zeit k nnen die einzelnen Messreihen relativ zueinander passen Nach dem Anbringen von Korrekturwerten in Abh ngigkeit von der Temperatur konnte dieses Verhalten jedoch nicht vollst ndig ausgeglichen werden Die festgestellten Schwankungen bei laufenden Motoren im Stand ben einen gro en Einfluss auf die Orientierungswinkel aus Jedoch konnte nich
62. ionen der Fotodateien um die r umliche Lage GPS Positionen zu erweitern Dies kann dazu genutzt werden bei der Erstellung der 3D Modelle bessere Ergebnisse zu erzielen und von vornherein eine genauere Platzierung der Modelle zu erreichen _ EDA K WAFleger 2012_11_Hoernum RGBlost 2011_11_HOERNUM_121106111057 WPC 1 4128 Datei Zeichnen ndern Ansicht Einstellungen Information Objektvar ablen UAV 3D Auswertung Eb 103 E33069006 34 N 6087481 61 Oberfl che von EDA K mit geladenem Flugprotokoll und Bildmosaik einer Befliegung der S dspitze von Sylt 69 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 3D Auswertung Erzeugung der 3D Modelle Die Erzeugung der 3D Modelle wird nicht innerhalb von EDA K durchgef hrt Stattdessen ist hierf r ein externes Programm notwendig dessen Ausgabe wieder in EDA K eingelesen wird Ein Beispiel f r so ein Programm ist PhotoScan von Agisoft PhotoScan importiert dabei die aufgenommenen Luftbilder und durchl uft anschlie end eine Photogrammetrische Auswertung an deren Ende ein 3D Modell entsteht Dieses 3D Modell kann dann als VRML Datei exportiert und in EDA K importiert werden Sofern eine Textur als Ortophoto erzeugt wurde kann diese dabei ebenfalls exportiert und in EDA K als Orientierungshilfe verwendet werden PhotoScan erlaubt in der der Professional Edition zur Steigerung der Genauigkeit die Eingabe von so genannten Markern ber die man in einzelnen Fotos
63. l auf den UTM 30LX von Hokuyo Die Parameter Gewicht und Abmessungen erlauben den Einsatz auf einem Multikopter mit einem MTOW von 5 kg Die Scannrate und Genauigkeit sind ausreichend um Punktwolken entsprechend den Daten aus ALS Befliegungen zu erzeugen Lediglich die Reichweite von 30 m muss als einschr nkender Faktor bewertet werden Somit sind nur Flugh hen von ca 25 m realistisch Fl chenhafte Erfassungen ben tigen somit erh hten Aufwand F r das gestellte Anwendungsfeld des LEDA K2 Projektes Profile entlang der K ste zu erfassen ist dies jedoch ausreichend 32 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Kompaktlaserscanner Hokuyo UTM 30LX Hokuyo 2009 Die hinsichtlich des Projekts wichtigsten Daten des Laserscanners von Hokuyo sind in der folgenden Tabelle aufgelistet Technische Spezifikationen Hokuyo UTM 30LX arantiert 0 1 30 PACAS In a Genauigkeit mm Bei 3000 Ix auf wei em Papier 30 g Bei 100000 Ix auf wei em Papier 50 1mm Bei 3000 Ix o 10 wei es Papier bis zu 10 m Bei 100000 Ix 30 wei es Papier bis zu 10 m Abtastungen pro Zeile 1080 Aufl sung und Wiederholgenauigkeit mm 0 25 27071080 Abtastungen 210 Inklusive Kabel 370 o 10 50 Messbedingungen C weniger als 85 relative Luftfeuchte Erhaltungstemperatur C 25 475 Aufbau der Komponenten Das Anbringen aller Komponenten an dem Hexakopter erfolgte durch die CiS GmbH in Rostock Die folgende Abbildu
64. l in Grad Roll 1 Messung 2 Messung 3 Messung gleitendes Mittel 25 500 1000 1500 2000 2500 Zeit in Sekunden Verlauf des Roll Winkels in Ruhe Pitch 0 2 HT 1 w iil i Q AF 7 a 1 Ja 000000000 W 5 up Pi 5 05L E E EAE ES i 1 AIRA EEN EEIE E EE Messung g m 2 Messung g pii 3 Messung 0 6 a 1 gleitendes Mittel M I ni 0 8 adl i O 500 1000 1500 2000 2500 Zeit in Sekunden Verlauf des Pitch Winkels in Ruhe 43 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Yaw 48 2 48H 47 8 nl 5 47 6714 1 Messung e Wi 2 Messung E III TE 3 Messung E 47a Ir op ses gleitendes Mittel 47 2 l Maii 11 diiin 47 lt H NLLN fl S9 500 1000 1500 2000 2500 Zeit in Sekunden Verlauf des Yaw Winkels in Ruhe Es ist deutlich zu erkennen dass jeder der drei Orientierungswinkel bei der ersten Messung jeweils rote Datenreihe sich ber die Zeit einem Wert immer weiter ann hert Nach 30 bis 40 Minuten ist nur noch eine geringf gige Ver nderung festzustellen Die beiden Folgemessungen jeweils gr ne und blaue Datenreihe zeigen dass eine erneute Ann herung nicht stattfindet Auch nicht nach Beendigung einer Messung und anschlie endem Neustart Nach einer Einlaufzeit bleiben die aufgezeichneten Daten um einen Mittelwert relativ stabil Grund daf r k nnte sein dass
65. lautomatisiert ablaufen Eine Realisierung dieses Ziels ergibt neue Einsatzm glichkeiten f r den K stenschutz Dabei k nnte bspw ein DOM des K stenstreifens erstellt und weiterhin auch gepflegt werden Dieses Vorgehen erm glicht zeitliche Ver nderungen abzuleiten und Prognosen zu erstellen aus denen wiederum Ma nahmen dagegen hervorgehen k nnen Ziel sollte demnach sein Hardware und Software speziell f r das K stenmonitoring zu kombinieren und dabei einen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen Die bisherigen verwendeten Programme erzielten nicht die erhofften Ergebnisse Dazu m ssten die Datenauswertungsverfahren weiterentwickelt und die Auswerte und Modellierungsprozesse beschleunigt werden Durch die Verwendung neuer Software sollten die errechneten Daten genauer zuverl ssiger und plausibler werden Zus tzlich dazu sollte berpr ft werden inwiefern schon vorhandene Gel ndedaten mit in der Flugplanung Beachtung finden k nnen um zuk nftige Befliegungen zu optimieren 29 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Bestandteile der LEDA K2 Drohne Das folgende Kapitel erl utert die Komponenten der LEDA K2 Drohne Flugplattform MikroKopter Basisset Hexa XL Als Flugplattform kommt das Hexakopter Modell Hexa XL der Firma MikroKopter zur Anwendung MikroKopter Basisset Hexa XL Wie der Name schon impliziert erfolgt der Auftrieb der Drohne ber sechs Rotoren weitere Spezifikationen kann man der folgenden Tabelle
66. lgt in jeder darauffolgenden Zeile eine Messreihe mit den gemessenen Distanzen bzw Intensit ten zu jedem Winkelinkrement Dabei werden die Distanzen in ganzen Millimetern angegeben Zur Veranschaulichung wird im Folgenden ein Ausschnitt aus einer Distanz und einer Intensit tsdatei dargestellt Distanzdatei 540 539 538 537 536 535 534 533 532 PPR 532 533 534 535 536 537 538 539 540 0 104 114 118 120 118 115 115 114 114 IRISO 99 99 94 83 83 82 82 82 79 535404 121 121 126 128 128 119 119118118 a 87 87 82 80 68 68 80 80 67 535430 104 108 130 130 130 130 113113107 aa 86 84 78 77 77 77 78 78 78 535455 Intensit tsdatei 36 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 540 539 538 537 536 535 534 533 533 534 535 536 537 538 539 540 0 757 775 740 632 570 617 482 445 E 929 1096 1362 1567 1791 1976 1935 1906 535404 770 775 657 652 648 552 532 440 ken 904 1090 1293 1538 1787 1917 1971 1929 535430 790 755 738 647 568 556 528 475 ar 949 1114 1332 1516 1843 1952 1922 1905 535455 In dem Fall dass zum Scanner kein Signal zur ckkehrt wird in die Distanzdatei an die betreffende Stelle eine 1 und in die Intensit tsdatei eine 0 geschrieben Aufnahmeablauf Ein Vorteil einer Hexakopterdrohne aber auch aller anderen Kopterdrohnen ist die einfache Steuerung So ist fast keinerlei Modellflugerfahrung notwendig um die Drohne halbautomatisch zu steuern Sie bleibt eigenst ndig auf ihrer aktuellen Position und kann mit der
67. lmer scan switch L e eb NE same for receiving optics Z shaped Parallel Elliptical Parallel sinusodial lines lines oe o E E z RENT e ecco e eo ar a E3 a e 3 e o o o a s gt eo sss ar 2 223 3 sess o EJ b Ld te eooo e LJ a 2 e eoe oo 9 osaa G G e e were 2 e o o OET ATY cece Scanmechanismen und daraus resultierende Scanmuster Bei einem oszillierenden Spiegel bspw ergeben die Bodenpunkte ein sinusf rmiges Muster Der bei MILAN Geoservice GmbH verwendete Airborne Laserscanner Riegl Q680i verwendet zur Ablenkung des Laserstrahls einen rotierenden Polygonspiegel Dadurch weisen die Punkte am Boden eine gleichm ige Verteilung auf und die Scanzeilen sind parallel angeordnet Infolge der Verwendung eines sechskantigen Spiegels Hexagon ergibt sich ein maximaler Aufnahmewinkel von 60 Laserscanner Im folgenden Abschnitt werden die Charakteristik und das Messprinzip von Laserscannern im Allgemeinen betrachtet Charakteristik Laserscanner unterscheiden sich trotz einigen Gemeinsamkeiten betr chtlich von anderen geod tischen 3D Aufnahmeverfahren wie bspw der Tachymetrie oder der Photo grammetrie Das Laserscanning ist ein ber hrungsloses Aufnahmeverfahren bei dem mehrere tausend Punkte innerhalb einer Sekunde gemessen werden Die Messrate reicht heutzutage von 1000 bis ber eine Million Punkte pro Sekunde Aufgrund dessen entstehen bei einer Aufnahme
68. m Rasterelement sind dabei mehrere Objektvariablen zugeordnet Die Gel ndeh he steht dabei blicherweise im Attribut GMHOEHE Gel ndemodelle werden innerhalb des Programms aus so genannten St tzpunkten berechnet Dabei handelt es sich im Punktobjekte in denen zus tzlich eine H he gespeichert ist Gel ndemodelle k nnen auf verschiedene Arten angezeigt werden Neben der Anzeige der H he ist beispielsweise noch eine Anzeige der Neigung oder des Einzugsgebietes m glich Das Programm h lt f r eine schnellere Umschaltung zwischen diesen Darstellungsmethoden einige Werte im Speicher die nicht in den von EDA K normalerweise verwendeten WPC Dateien abgespeichert werden Es besteht jedoch die M glichkeit diese Daten in eine HNM Datei zu speichern und wieder zu laden Diese Art von Daten kann auch nur f r ein einziges aktives Gel ndemodell vorgehalten werden F r die Arbeit mit den unten beschriebenen Funktionen sind diese Informationen jedoch nicht notwendig Funktions bersicht und Arbeitsabl ufe Auch die Funktionen f r die Arbeit mit Gel ndemodellen wurden im Men 3D Auswertung eingef gt Die Funktionen befinden sich bis auf das Erzeugen und das Speichern in einem Untermen namens Gel ndemodell Manche Der Funktionen ben tigen von vornherein ein oder sogar zwei vorberechnete Gel ndemodelle andere berechnen die ben tigten Modelle als Zwischenschritt automatisch In beiden F llen muss der Nutzer jedoch dieselben
69. n eine Richtung und damit nur entlang einer Achse Jeder der drei Kreisel ist ber einen Ausgang mit einem Servomotor verbunden der die kardanische Aufh ngung in ihrer urspr nglichen Ausrichtung h lt Neben einem Servomotor hat jede kardanische Aufh ngung am gegen berliegenden Ende eine elektromagnetische Winkelmesseinrichtung Jede Winkelmesseinrichtung ist f r einen anderen der drei Orientierungswinkel zust ndig Die innerste Kardanaufh ngung misst Azimut Winkel der in der Navigation auch als Heading oder Yaw Winkel dt Gierwinkel bezeichnet wird Auf der mittleren Aufh ngung wird der Pitch Winkel dt Nickwinkel gemessen Auf der u ersten Kardanaufh ngung erfolgt die Ermittlung des Roll Winkels In der Vergangenheit bestanden IMUs mehr aus mechanischen Bauteilen die aufwendiger und teurer waren Seit dem Zeitpunkt ab dem leistungsf higere Rechner zur Verf gung standen werden fast ausschlie lich nur noch sog Strapdown Systeme verwendet Bei diesen Systemen sind die Beschleunigungs und Winkelsensoren fest auf einer Platte montiert die wiederum fest mit dem Tr gersystem gekoppelt ist Der Verzicht von mechanischen Elementen f hrte zu einer weiten Verbreitung von IMUs Diese werden heutzutage in vielen Bereichen mit einem GNSS System gekoppelt durch das st ndig genaue Positionsinformationen an die IMU gesendet werden 21 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Abstimmung der Komponenten Zun chst einmal m ssen die
70. n sollen Dazu reicht die Angabe der Nummer zusammen mit der Anzahl der Messzeilen aus Nach der Auswahl der Textdatei werden die vollst ndigen Namen der drei Dateien mit der Nummer und Anzahl der Messzeilen gebildet da die Dateien immer mit demselben Aufbau abgelegt werden Im Anschluss daran liest das Programm f r jeden Scanstreifen die drei RAW Dateien ein Weiterhin wurden die Positionsangaben vom PandaBoard der Drohne in abgewandelter Form abgelegt Diese Umrechnung war aufgrund der geringen Bandbreite zwischen den Systemkomponenten der LEDA K2 Drohne notwendig Die Positionen werden durch das Programm wieder in ellipsoidische Koordinaten im Gradma als Dezimalzahl umgerechnet Danach erfolgt die Interpolation zwischen zwei GPS und IMU Eintr gen f r die dazwischenliegenden Lasermesswerte Dabei wird gepr ft ob ung ltige Positionen vorliegen Eintr ge mit 1 Im Anschluss daran erfolgt die lineare Interpolationen zwischen den Werten Die Verwendung einer an die Flugbahn besser angepassten Interpolationsmethode polynomial kubisch etc versprach keine signifikante Genauigkeitssteigerung in der Positions und Orientierungsbestimmung Nach dem Zusammenf hren aller Werte Zeit Position Orientierung Distanz Intensit t Aufnahmewinkel des Scanners in eine Rohdatenmatrix wurden die Positions und Orientierungsangaben f r jede Messung aufgef llt Anschlie end wurde diese Matrix von Zeileneintr gen befreit in der noch ung ltige P
71. nalysen und genaue Beobachtung von Oberfl chen StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Stand der Entwicklung von ALS Drohnen Bisher kommen ALS Drohnen gr tenteils in der Forschung vor Es gibt Systeme die schon einige gute Ergebnisse liefern Diese haben miniaturisierte Komponenten welche zusammen immer noch ein hohes Gewicht haben Bsp eines Miniatur Laserscannersystems Scanner Riegl Q160 gt 4 6 kg IMU gt 1 2 kg Rechnereinheit gt 2 3 kg Stromversorgung Kabel gt 2 3 kg Hierf r wird eine entsprechende Drohne ben tigt welche eine Nutzlast von mindestens 15 kg tragen muss Diese meist Helikopterdrohnen haben Gr en von 3 m L nge und Rotordurchmesser sowie eine maximales Abfluggewicht maximum takeoff weight MTOW von bis zu 100 kg Bespiele hierf r w ren Tab 3 1 berblick einer Auswahl von L Class UAVs Parameter Aerrosecout Geocopter SURVEY Copter Swiss UAV Scout Bl 100 2 GC 201 Copterd Neo 5 300 L nge 3 3m 2 9m 2m 2 75 m Rotordurchmesser 3 2 m 3 3 m 2 2 m 3m H chstabfluggewicht 75kg 90kg 30kg 100kg Nutzlast 30kg 30kg l kg 35kg Flugdauer g min g0 min min g0 min Da man bei einem MTOW von ber 25 kg eine Ausnahmegenehmigung der zust ndigen Luftfahrtbeh rde ben tigt ist der reibungslose Betrieb eines solchen Systems nicht immer gegeben Daher ist es sinnvoll noch kleinere und damit leichtere Komponenten zu verwenden um unter 25 kg zu kommen Das Problem hierbei ist dass die Performa
72. nce bei noch kleineren Scannern als z B der Q160 sehr stark abnimmt Besonders die Reichweite ist bei extrem kleinen und leichten Scannern u erst gering Tab 3 3 berblick Laserscanner Parameter Hokuyo S ck Riegl Riegl UTM 30LX LD MR5 LMS Ql60 LMS Q240 Reichweite in m 6 250 200 650 Genauigkeit in mm 50 100 20 20 Effektive Messrate in Hz 40 50 10000 10000 ffnungswinkel in 270 55 80 St Abmessungen in mm 6bOxbOxXE5 Y4xl Sx 6170x350 B150x374 Gewichtin n g 370 1000 4600 7000 F r den noch fiktiven Laserscanner LMS Q070B k nnen die Werte des LMS Q160 etwas abgeschw cht werden Also 100 m Reichweite 50 mm Genauigkeit 200 Hz eff Messrate Abmessung 150x200x100 mm und 1 2 kg 10 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Das gleiche Problem besteht bei der IMU Einheit Mit sinkender Gr e und Gewicht sinkt auch die Leistung Genauigkeit der Orientierungswinkelbestimmung Drift Tab 3 5 berblick von low cost IMUs Applanix 201 1 Crossbow 20 11 Honeywell 2011 Parameter Applan x Crossbow Honeywell POS AV 410 IMUS00CA 200 HG1700 Genauigkeit Roll Nickwinkel in aii N 05 Genauigkeit u Kurswinkel in um 0 5 12 Drift in 0 5 3 l Beschl rauschen n mg nv l l Aufzeichnungsrate in Hz 200 125 100 600 Abmessungen in mm 128x128x104 127x127x72 04x74 Gewicht in g 2100 1600 726 Zu dieser Problematik gibt es diverse internationale Arbeiten die im Literaturverzeichnis bzw in der Anlage beigef
73. nd einer Demo am 10 Oktober 2014 vorgestellt Der Fachbereich Landschaftsgestaltung und Landschaftsarchitektur der Hochschule Neubrandenburg wo das Projekt LEDA K w hrend Vortr gen und im Rahmen einer Lehrveranstaltung vorgestellt wurde hat sich mittlerweile eine UAV bei der Firma CIS GmbH in Rostock mit den aus dem Projekt hervorgegangenen neuen Konfigurationen beschafft um diese in der Lehre bei Praktika und Auftragsbearbeitungen anzuwenden Die Deponie Rosenow hat erste Testfl ge mit einem UAS plus Kamerasystem zur Festellung der gelagerten Volumina erfolgreich getestet wobei auch schon die neu entwickelte Software EDA K zum Einsatz gekommen ist 78 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 9 Fortschritt Alle vorgesehenen Arbeiten konnten termingem fertig gestellt werden Eine Reihe von Ergebnissen f hren aber zu dem Schluss dass nicht alle theoretischen Ansatzpunkte aus dem Projektantrag tats chlich praxisrelevant einsetzbar sind so wurde im Endeffekt durch eine effiziente Vorauswahl nur ein Kleinstscanner zum tats chlichen Praxiseinsatz entwickelt und die rasante Entwicklung der Photogrammetrie f hrte zu einer zus tzlichen Entwicklung eines Kopters mit Kamera f r die Gel ndemodellierung parallel und kostenneutral zum Projektantrag bzw laufzeit Siehe Ergebnisse Die enge Verzahnung von beh rdlichen und mittelst ndischen Ans tzen und Herangehensweisen garantierte dass alle L sungen letztendlich auch allen Nutzern in
74. ne Photogrammetriesoftware sind gesondert erh ltlich Nach einer Testphase von einigen Tagen ist zum Starten der GIS Anwendung die Eingabe eines Lizensschl ssels erforderlich Beim Start von EDA K wird sich daher ein Fenster mit Hinweisen zur Registrierung ffnen Erinnerung registrieren lassen wenn Sie es weiterhin verwenden m chten Um Ihr Programm auf Ihrem Rechner registrieren zu lassen loggen Sie sich bitte als Administrator unter Windows ein und kontaktieren die CiS GmbH Rostock unter Angabe Ihres Hardware Fingerabdrucks Email smohr cis rostock de mbothe c s rostock de oder der Telefonnummer 0381 6302700 Schl ssel eingeben Der Schl ssel eingeben Button ffnet das Dialogfenster zur Eingabe der Registrierungs nummer Schl ssel eingeben Geben Sie den Registrierungsnamen und den Lizenzschl ssel unten ein exakt so wie Sie diesen erhalten haben Hardwarefingerabdruck B384 382C Name Schl ssel u OK Abbrechen Bitte bermitteln Sie den hier angegebenen Hardwarefingerabdruck Ihres Computers der CiS GmbH per Email unter Angabe des zu registriereenden Programms an mbothe cis rostock de oder smohr cis rostock de um den Registrierungs Schl ssel zu erhalten Nachdem Sie den Schl ssel erhalten haben m ssen Sie die Daten in die entsprechenden Eingabefelder eingeben und auf OK klicken In Abh ngigkeit von Ihrer Windows Version brauchen Sie m glicher
75. ng absolute Genauigkeiten erreicht werden k nnen die im Bereich der gesetzten Ziele liegen Ausblick Die Aufzeichnung der Rohdaten auf dem Pandaboard ist der n chste Schritt beim Aufbau des ALS Flugroboters Hier geh rt ebenso die bermittlung und Speicherung des GPS Zeitstempels um die Daten im post processing miteinander zu verbinden Zudem ist angedacht ein leistungsf higere IMU direkt an den Laserscanner zu befestigen Somit sollen nicht nur Vibrationen entgegengewirkt sondern auch die Einfl ssen von Leverarm und Boresightwinkel Fehlern verringert werden Auch hier m ssen Synchronisationsarbeiten vorgenommen werden 7 Die Software EDA K Programm bersicht und Allgemeine Funktionalit t Das Programm EDA K Einsatz von Drohnen zur Aufnahme von K stengebieten ist ein von der CiS GmbH entwickeltes Geographisches Informationssystem GIS Es enth lt spezielle Funktionen zur Arbeit mit Luftbildern die z B bei einer Befliegung mit unbemannten Flugsystemen Unmanned Aerial Vehicles UAV entstehen sowie Funktionen zur Auswertung von 3D Modellen die aus diesen Luftaufnahmen abgeleitet werden k nnen Neben diesen Spezialfunktionen enth lt das Programm GIS Funktionen zum Im und Export von geographischen Datens tzen zur Koordinatentransformation sowie zum Erzeugen von Geometrischen Objekten und die Verkn pfung mit bzw Abfrage und Bearbeitung von Sachdaten Weiterhin besteht die M glichkeit Daten von WebMapServices WMS
76. ng zeigt die Drohne mit allen verbauten Komponenten Der Laserscanner wurde horizontal an der Unterseite der Drohne befestigt Die Nullrichtung des Scanners ist dabei in Lotrichtung ausgerichtet Das Krooz Board samt IMU Sensor befindet sich unter der Abdeckung der Drohne auf H he der Rotorstreben Unter 33 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 dem Krooz Board sind der Akku und darunter das PandaBoard platziert Eine der sechs Rotorstreben ist rot und zeigt die Vorw rtsflugrichtung der Drohne an Die GPS Antenne befindet sich auf einem vertikal angebrachten Rohr welches am Anfang der roten Rotorstrebe befestigt ist Um eine H here Nutzlast realisieren zu k nnen wurden anstelle der Verwendung eines Oktokopters leistungsst rkere Motoren anstatt der Standardmotoren durch die CiS GmbH verbaut Zus tzlich zur Stabilisierung der gesamten Flugeinheit wurde Angelschnur von Rotorstrebe zu Rotorstrebe angebracht LEDA K2 Hexakopterdrohne mit allen montierten Komponenten Durchf hrung der Messung und Funktionsweise der Drohne Das PandaBoard SE ist die Zentraleinheit des Systems es steuert alle Ger te und dient mit eingesetzter SD Karte als Speicher f r die Daten Auf dem Board ist ein UNIX Betriebssystem installiert W hrend das PandaBoard ber eine USB Schnittstelle mit dem Laserscanner Hokuyo UTM 30LX verbunden ist erfolgt die Kommunikation der GPS IMU Einheit ber eine serielle Schnittstelle Durch einen WLAN Hotspot
77. nter idealen Spur 1 und normalen blichen Bedingungen Spur 6 erfassen kann wird f r einen kleinen ebenen Bereich ca 3 26 x 3 41 m f r jede Spur die ausgleichende Ebene berechnet Anhand der Abst nde jedes 3D Punktes von der berechneten Ebene konnten Standardabweichungen als Indikator f r die Punktstreuung ermittelt werden Die Ergebnisse k nnen der folgenden Tabelle entnommen werden Standardabweichungen der Punktwolken von der ausgleichenden Ebene Std abw der Punkte von Anzahl der Punkte der Ebene m Wie zu erwarten weist die Messung unter idealen Bedingungen Spur 1 mit 12mm die geringste Standardabweichung auf Am schlechtesten beschreibt die Spur 5 bei der das Flugger t w hrend der Aufnahme in der H he ver ndert wurde eine ebene Fl che Dabei ist die Genauigkeit mehr als sechsmal schlechter im Vergleich zur Spur 1 Die Aufnahme aus 9m H he dagegen ist nur zwei bis dreimal ungenauer bei der Erfassung einer ebenen Fl che Ver nderungen im Yaw und Roll Winkel wirkten sich ebenfalls nur geringf gig aus Lediglich Ver nderungen in der Pitch Achse verschlechterten die Genauigkeit der aufgenommen Fl che um das drei bis vierfache 56 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Fazit Beim Zusammenspiel der einzelnen Komponenten konnte zun chst festgestellt werden dass eine individuelle Anpassung des Yaw Winkel f r jeden Streifen im Laufe der Punktberechnung notwendig ist Insgesamt l sst sich jedoch sa
78. ohne so modifiziert dass von den Motoren ausgehende Vibrationen m glichst gering gehalten werden Einerseits wurden neue Typen verwendet die bedeutend ruhiger laufen Andererseits kamen Materialien an den Armen und 64 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Verbindungselementen zum Einsatz die vibrationsd mpfende Eigenschaften aufweisen Dies soll den negativen Einfl ssen der Vibrationen auf die IMU Werte entgegenwirken Bei der GPS Einheit wurde ein Modell eingebaut welches eine Rohdatenaufzeichnung erlaubt Dies erm glicht eine Korrektur der Positionen mit SAPOS Korrekturdaten im post processing Um die Genauigkeit der Einheit abzusch tzen wurden zun chst statische Tests vorgenommen Dabei wurde ein Punkt tachymetrisch bestimmt Auf diesem wurde die Antenne positioniert und ca 40 min Rohdaten aufgezeichnet Die Positionsdaten ohne Korrektur sind in den folgenden drei Grafiken dargestellt Ist 316053 753 6000244 252 58 738 Std abw 0 868 1287 3 108 Soll 316053 956 6000242 085 59 871 Differenz 028 2167 1 133 Soll Ist Vergleich LI Empf nger Rawdata 316062 000 316060 000 316058 000 316056 000 316054 000 316052 000 Easting m 316050 000 316048 000 316046 000 316044 000 N N o0 LN M essungen fFastit East Ist East Soll Linear East Ist 65 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 6000253 000 6000251 000 6000249 000 6000247 000 6000245 000 6000243 000 6000241 000 600
79. ojektgebiet nicht einheitlich sein Bei einer Verkippung bspw kann es auf einer Seite zu einem positiven Offset und auf der anderen Seite zu einem Negativen kommen Ergeben sich in etwa gleich gro e Differenzen so wird ein einheitlicher Offset angebracht Bei ungleichen Differenzen sollte eine Systematik z B Verkippung zu erkennen sein In dem Fall wird kein einheitlicher H hen Offset angebracht sondern ein Offset in Abh ngigkeit von der Lage Nach der Georeferenzierung weisen die ALS Daten eine absolute Lagegenauigkeit von besser gleich 20cm und absolute H hengenauigkeit von besser gleich 10cm auf Die erreichte Genauigkeit h ngt von den Gegebenheiten des Aufnahmegebietes und der verwendeten Hardware ab Weiterverarbeitung Nach dem vorherigen Schritt liegt nun ein georeferenziertes Projekt vor in dem die 3D Punkte im weiteren Verlauf weiterverarbeitet werden Eine erste Bearbeitung besteht meistens darin die Punkte verschiedenen Klassen zuzuordnen Die Unterteilung erfolgt dabei in grobe Klassen die im Allgemeinen wie folgt aufgebaut sind e Unclassified e Ground e Non ground low e Non ground high e Building e Low Points e Intermediate Vegetation e Error Die Einteilung kann je nach Auftraggeber variieren und beinhaltet dann mehr bzw zum Teil andere Klassen Die Klassifizierung findet zun chst automatisch mithilfe von Klassifizierungsfunktionen statt die auf den jeweiligen Gel ndetyp angepasst sind 27 StIA
80. ositions und Orientierungswerte 1 oder ung ltige Distanz 1 und Intensit tswerte 0 vorkamen Nach diesem Schritt werden die Daten als SDC und Positionsdatei pos abgespeichert werden SDC und Positionsdatei sowie die Leverarm Vektoren gehen in das Programm SDC Prog der Firma MILAN Geoservice GmbH ein Neben der Kalibrierung der Boresight Winkel wird hierbei auch die Berechnung der 3D Punkte durchgef hrt Die Ann herung an diese findet dabei iterativ statt Nach jeder Iteration erfolgt die Berechnung erneut Ergibt sich keine signifikante nderung der Winkel mehr weniger als 0 001 nderung stoppt die Iteration und die Boresight Winkel sind damit ausreichend genau bestimmt Weiterhin kann das Programm die ermittelten Koordinaten in ein Benutzerkoordinatensystem GK UTM etc transformieren 41 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Bei gr eren Gebieten k nnen die Punkte zudem in gleichm ige Kacheln z B 1000x1000 Meter unterteilt werden um die anschlie ende Weiterverarbeitung bersichtlicher zu gestalten und zu vereinfachen Ausgegeben werden k nnen die Punkte bspw als einfache ASCII Koordinatendateien oder als LAS Dateien Genauigkeitsbetrachtungen Genauigkeit und Verl sslichkeit der IMU Einheit Ziel dieser Untersuchung war Erkenntnisse ber die Genauigkeit samt Aufl sungs verm gen sowie ber die allgemeine Verl sslichkeit der IMU Einheit zu erlangen Untersuchungsablauf Die IMU E
81. rbindung mit unbemannten Flugk rpern UAVs bringt die notwendige Genauigkeit Schnelligkeit und Informationsvielfalt f r ein technologisch motiviertes Vermessen in diversen Bereichen wie z B dem Umweltmonitoring dem K sten und Katastrophenschutz sowie dar ber hinaus f r viele weitere Anwendungen in Industrie und Wirtschaft Einsatzm glichkeiten ALS mit Drohnen im K stenschutz und ggf dar ber hinaus sind e Bauwerks Kontroll und Deformationsmessungen e Vermessung f r Arch ologie und Baudenkmalpflege e Erfassung von Hafen und Industrieanlagen e Erfassung und Kontrolle von Ufer Strand und K stenprofilen im Rahmen eines effizienten K stenschutzes e Katastrophenschutz und schneller Einsatz bei Unf llen bzw nach Unwettern e Erstellung von Orthophotokarten e Erstellung digitaler Gel ndemodelle e Bestandseinmessungen Folgende weitere Fragestellungen waren in diesem Forschungsprojekt zu beantworten In den letzten Jahren sind UAVs nur sehr sporadisch in das Blickfeld zivil genutzter Photogrammetrie gelangt Ans tze und Ergebnisse unterschieden sich stark in Abh ngigkeit des verwendeten UAV und der jeweils an Bord befindlichen Sensorik z B digitale Kamera und GPS INS Je nach Genauigkeit des GPS und des inertialen Messsystems INS k nnen die Daten im Rahmen einer Aerotriangulation unterschiedlich intensiv zur Automation und zur Genauigkeitssteigerung genutzt werden Die gr ten Schwierigkeiten in der photogrammetris
82. riffenen Ma e f r die einzelnen Spuren und die Abweichungen von den Sollma en k nnen der nachfolgenden Tabelle entnommen werden 53 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Abweichungen der Spuren von den Kistenma en Die Abweichungen der Kistenma e in den Scanstreifen fallen mit maximal 4 1cm in der Breite Spur6 4 7cm in der L nge Spur3 und 2 1cm in der H he Spur 4 vergleichsweise gering aus Die Geometrie der Kiste wird in den Scansteifen bei denen die Drohne in Roll Pitch Yaw Winkel oder der H he ver ndert wurde mitunter stark verzerrt und damit schlecht wiedergegeben Die Seiten der Kiste verlaufen dabei zumeist weder gerade noch rechtwinklig zueinander Beispielhaft daf r ist in der folgenden Abbildung die in der zweiten Spur dargestellte Kiste zu sehen bei der die Drohne stark im Roll Winkel ver ndert wurde Geometrie der Transportkiste in der zweiten Spur Im Folgenden werden die Abweichungen der aufgenommenen Transporitkiste von den absoluten Positionen der Eckpunkte ermittelt Dabei reichen drei Eckpunkte aus um die Lageabweichung und Verschwenkung der Kiste festzustellen Die Verschwenkungen der Kiste werden f r zwei ann hernd zueinander rechtwinklige Seiten berechnet 54 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 RTK Aufnahme Positionsaobweichungen zum Referenzobjekt Y a Offset m m Richtungswinkel der Seiten Nord Seite 93 881 O st Seite 183 389 Nord Seite 93 044 O s
83. rten l sst zum einen ist dies das Mobile Laserscanning MLS und der Einsatz ferngesteuerter Drohnen Im Projekt LEDA K wurden diese erfolgversprechenden Verfahren exemplarisch an ausgew hlten K stenschutzstandorten getestet um entweder ihre praxisrelevante Nutzbarkeit zu best tigen und damit eine Grundlage f r detaillierte Forschungen und Anwendungen zu schaffen oder eben diese Verfahren f r Belange des K stenschutzes in der jetzt vorliegenden Technologie auszuschlie en StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 2 Aufgabenstellung Die Dezernatsgruppe K ste des Staatlichen Amts f r Landwirtschaft und Umwelt Mittleres Mecklenburg hatte neben der Koordination der externen Projektpartner Milan Geoservice GmbH Spremberg und CIS GmbH Rostock alle Arbeiten im Projekt zu begleiten zu bewerten notwendige nderungen an den Flugger ten durchzuf hren sowie die angewendeten Hard und Softwareprodukte zu testen Es war darauf zu achten dass in dem sehr kurzen Projektzeitraum von nur 9 Monaten alle beantragten Arbeiten und Forschungen durchgef hrt werden konnten Folgende Fragestellungen Aufgaben waren zu bearbeiten e Mit allen Laserscannern war zun chst die Performance mit dem IMU GPS System der Tr gerplattfiorm festzustellen In einem weiteren Schritt galt es den Qualit tszuwachs durch Integration einer leistungsst rkeren IMU Einheit zu bestimmen hierzu sollte das Modell HG1700 der Firma Honeywell verwendet werden e Der gr te Forsc
84. rung eines Systems In Kopplung mit GPS finden sie neben dem flugzeuggest tzten Laserscanning auch in anderen Bereichen der Vermessung Anwendung IMUs funktionieren unabh ngig von externen Daten und operieren daher v llig autonom Sie bestehen im Wesentlichen aus drei Beschleunigungssensoren und drei kardanisch aufgeh ngten Kreiseln Sowohl jeder der drei Beschleunigungssensoren als auch der drei Kreisel sind an eine der drei orthogonalen Achsen eines 3D Koordinatensystems angeordnet Eine Achse ist in Nord S d die Zweite in Ost West Richtung ausgerichtet und die Dritte vertikal zu den beiden anderen Damit ist die Ausrichtung der IMU definiert Die drei Beschleunigungssensoren messen die Beschleunigungen entlang der jeweiligen drei orthogonalen Achsen Integriert man diese Beschleunigungen so erh lt man die Geschwindigkeiten entlang der Achsen Integriert man ein weiteres Mal erh lt man Positionsdifferenzen Ist der Ursprung der Bewegung bekannt k nnen daraus absolute Koordinaten der neuen Position aus der bekannten Startposition errechnet werden 20 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Pitch motor Mounting frame kardanisch aufgeh ngtes Inertialsystem Damit die Beschleunigungssensoren ihre absolute Ausrichtung bei einer Bewegung des Systems aufrechterhalten sind sie an einem Satz von drei kardanischen Aufh ngungen befestigt Diese werden ber jeweils einen Kreisel in ihrer Richtung stabilisiert Kreisel funktionieren nur i
85. s Echtzeit GNSS Positionierungsverfahren das Korrekturwerte von einer genau bestimmten Referenzstation erh lt Mit RTK k nnen Positionen absolut genauer als 2 cm bestimmt werden 47 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Ergebnisse Nach der Messung wurden die aufgezeichneten Positionsdaten in MATLAB eingelesen und der vertikale Abstand des Referenzpunktes zur GPS Drohnenantenne von den gemessenen H hen abgezogen Im Anschluss wurden der Verlauf der drei Dimensionen blaue Linien sowie die per GNSS bestimmte Koordinate rote Linie f r jede Dimension in den folgenden Abbildungen grafisch dargestellt Hochwert 5711243 5711242 5711241 m Em s ONAA bi R 5711240 nf e Hochwert in m 5711239 5711238 57112370 4100 200 300 _ 400 500 600 700 800 900 Zeit in Sekunden Verlauf des Hochwertes Rechtswert 5453859 5 T 5453859 0 5453858 5 5453858 0 5453857 5 Y Rechtswert inm 5453857 0 4 A 5453856 5 ml 5453856 0 y 5459855 400 200 300 _ 400 500 600 700 800 900 Zeit in Sekunden Verlauf des Rechtswertes 48 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 H he 119 0 l 118 07 F 117 07 F 116 0 115 07 H he in m P O 113 0 112 0 111 0 hr A 110 0 Fi 200 300 1 i l N 100 400 500 600 700 800 900 Zeit in Sekunden Verlauf der H he W hrend die gemessenen Hoch und Rechtswerte jeweils um die Referenzwerte in zu erwartendem Ma e streuen w
86. s auf der aufzunehmenden Oberfl che an Die Angabe des Durchmessers eines Footprint wird je nach Dimension in Zenti Dezi oder Metern angef hrt und ist neben dem verwendeten Scannersystem auch abh ngig von der Flugh he Der Footprint eines Scanners wird meist als Durchmesser auf eine bestimmte Entfernung beziffert und nimmt mit zunehmender Entfernung bzw Flugh he zu Je gr er ein Footprint ist desto mehr Oberfl che hat Einfluss auf das reflektierte Signal und damit auf die gemessene Distanz Es kommt zu Mischsignalen Damit einher geht die Genauigkeit einer 3D Punktmessung Die Messwiederholungsrate ist ebenfalls von Scanner zu Scanner verschieden und wird in Anzahl der Messungen pro Sekunde Hertz beschrieben Durch eine hohe Messrate kann mit zunehmender Flugh he ein gr eres Gebiet pro Flugstreifen aufgenommen werden ohne das die Punktdichte am Boden reduziert wird Anders betrachtet kann in gleichbleibender H he schneller geflogen werden ohne dass die Punktdichte abnimmt wodurch wiederum Flugstunden eingespart werden Flugplanung Zur Erstellung einer Flugplanung wird meist vom Hersteller des Laserscanners eine entsprechende Flugplanungssoftware mitgeliefert Ausgangspunkt zur Erstellung der Flugroute ist die vom Auftraggeber vorgegebene Punktdichte in Punkte pro Quadratmeter Zusammen mit dem Aufnahmewinkel des verwendeten Scanners h ngen davon die operative Fluggeschwindigkeit sowie Flugh he ab 23 StALU MM Rostock
87. schlie end wurden mithilfe des Programms SDC Prog 3D Punkte als UTM Koordinaten errechnet und als Punktdateien f r jeden Streifen ausgegeben Zur besseren bersicht wurden die Streifen entsprechend ihrer Aufnahmereihenfolge in Spur 1 bis Spur 6 umbenannt Als Ergebnis einer einzelnen Spur ist in der folgenden Abbildung exemplarisch die Spur 2 dargestellt Punktwolke der Spur 2 Eine Spuranpassung durch die Auswertealgorithmen der MILAN Geoservice GmbH war nicht erfolgreich Grund daf r k nnte das Vorhandensein von zu wenigen geneigten Ebenen sein die f r eine Anpassung der Spuren relativ zueinander ben tigt werden Des Weiteren sind alle Parameter in dem SDC Prog f r das herk mmliche ALS optimiert Wie schon in Kap 4 4 2 gezeigt wiesen auch hierbei alle Messungen Verdrehungen im Roll Pitch und Yaw Winkel auf Die folgenden Abbildungen zeigen alle Spuren unangepasst Punktwolke aller Spuren 58 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Querschnitt durch die Punktwolke aller Spuren Die geometrischen Abweichungen der Scanstreifen untereinander betrug bis zu 1 5 m Anstelle einer automatischen Spuranpassung erfolgten daher an dieser Stelle zun chst f r jede Spur eine manuelle Anpassung der Orientierungswinkel vor erneuter Berechnung und anschlie end eine Verschiebung Dabei wurde die Spur 2 als fest angenommen und lediglich im Kurswinkel korrigiert Die brigen Spuren wurden an diese angepasst um e
88. ster Volumen und statistische Gr en errechnet Die Werte f r die drei Teilgebiete k nnen der folgenden Tabelle entnommen werden Volumen und statistische Werte der drei Teilgebiete Teilgebiet Dach Teilgebiet Wiese 1 Teilgebiet Wiese 2 Positives Volumen m Negatives Volumen m Nettovolumen m Standardabweichung m 0 043 0 056 0 058 Mittelwert m Minimum m Maximum m Der Tabelle ist zu entnehmen dass bei dem Dach und dem Wiesengebiet 1 ein erheblich gro es Differenzvolumen auftritt Das liegt zum einen daran dass jedes Testgebiet aus Punkten verschiedener Spuren besteht und zum anderen liefert die manuelle Anpassung bei weitem keine so genaue Angleichung der Spuren wie eine automatische rechnergest tzte Anpassung Doch die Ergebnisse zeigen auch dass bei Mittelwerten von 35 mm oder weniger sowie zugeh rigen Standardabweichungen von 58 mm oder weniger eine gute bereinstimmung mit den ALS Daten vorliegt Fazit Um die durch die Drohnensysteme erhaltenen Daten vergleichen zu k nnen m ssen diese zueinander manuell angepasst werden Zudem muss eine absolute Anpassung an Referenzmessungen erfolgen Ein automatisches Auswerten der Daten ist demnach noch nicht m glich Jedoch k nnten verschiedene Aufnahmen eines Drohnensystems relativ zueinander oder als erg nzende Aufnahmen zu ALS Messungen bereits zu diesem Zeitpunkt Anwendung finden Anpassungen Im Laufe des Projektzeitraumes wurde die Dr
89. t Seite 179 537 Nord Seite 99 174 Ost Seite 170 813 Nord Seite 84 958 Ost Seite 186 391 Nord Seite 96 187 O st Seite 180 819 Nord Seite 91 116 O st Seite 186 774 Nord Seite 92 583 O st Seite 183 953 Alle Spuren weisen gleicherma en eine absolute Lageabweichung von 1 bis 2m auf Dies spiegelt die in Kap 4 2 nachgewiesene Genauigkeit der GPS Einheit wieder Der Unterschied von 6 bis m in der H he trat auch in dieser Untersuchung auf Jedoch unterscheiden sich die drei Punkte innerhalb der Scanstreifen in Spur 1 am geringsten Bei den Spuren 2 bis 5 dagegen hatten die k nstlich herbeigef hrten Einwirkungen in sichtbarem Ma e Einfluss auf die Ergebnisse Auch bei der Spur 6 die den Normalfall wiederspiegelt fallen die Differenzen zwischen den Eckpunkten h her aus Dies wird aber dadurch verst rkt dass die Aufnahme der LEDA K2 Drohne aus gr erer H he stattfand und demnach die Kiste durch weniger Abtastungen erfasst wurde Die Genauigkeit mit der eine Ecke identifiziert werden kann nimmt damit ab Des Weiteren weisen die Punkte der Spuren 1 und 6 die geringsten Abweichungen in der Ausrichtung der Kiste auf 99 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Da sich alle Spuren in ihrer absoluten Position unterscheiden ist eine manuelle oder automatische Spuranpassung zur Vereinigung der Scans notwendig Um weiter festzustellen wie genau die Drohne eine ebene Fl che unter den genannten Einwirkungen Spur2 bis 5 sowie u
90. t gekl rt werden ob der Einfluss so gro bleibt wenn sich die Drohne mit laufenden Rotoren in der Luft befindet und nicht am Boden Des Weiteren laufen die Rotoren im Stand nur auf einem Bruchteil ihrer Leistung In weiteren Untersuchungen w re demnach zu kl ren wie gro der tats chliche Einfluss auf die Orientierungswinkel bei einem Flug mit entsprechender Gebrauchsleistung tats chlich ist Genauigkeit und Verl sslichkeit des GPS Chipset UBX G5000 G0010 In dieser Untersuchung sollen Erkenntnisse ber die absolute Positionierungsgenauigkeit der Drohne mit dem verwendeten GPS Chipset UBX G5000 G0010 gewonnen werden Seitens des Herstellers wurde eine absolute Positionierungsgenauigkeit von etwa 2 5 m angegeben Untersuchungsablauf Zur Untersuchung der Positioniergenauigkeit wurde die Drohne auf einem Stativ mit der GPS Antenne ber einem per GNSS RTK Messung Real Time Kinematic bestimmten Punkt aufgestellt Durch die Verwendung eines Statives sollten Multipath Effekte durch den glatten Betonboden weitestgehend eliminiert werden Die gemessene GNSS Position wurde in GK Koordinaten umgerechnet Da die GPS Antenne bereits fest auf der Drohne verbaut ist war eine exakte Zentrierung ber dem bekannten Punkt nicht m glich Mithilfe eines einfachen Lotes wurde die Zentrierung ber dem Messpunkt auf wenige Zentimeter genau vorgenommen Die Aufzeichnung der Positionsdaten erfolgte f r knapp 13 Minuten RTK ist ein differentielle
91. t genutzt werden k nnen Die Nutzung der Software ist zun chst f r ffentliche Institutionen des K stenschutzes frei und kann ber die Projektleitung bezogen werden Staatliches Amt f r Landwirtschaft und Umwelt Mittleres Mecklenburg Dezernatsgruppe K ste Herr Dr Lars Tiepolt Erich Schlesinger Str 35 18059 Rostock Die Kostenfreiheit gilt derzeit nicht f r Firmen und andere kommerzielle Anwendungsgebiete CIS gew hrleistet f r ein Jahr die Beseitigung nachweislicher Fehler f r die speziell f r den K stenschutz entwickelten Komponenten Jegliche Haftung f r Folgesch den die sich aus der Softwarenutzung ergeben ist ausgeschlossen 76 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Zur Nutzung des vollen Funktionsumfanges ben tigt man ein externes Photo grammetrieprogramm das nicht im Lieferumfang enthalten ist Die CiS GmbH empfiehlt das Programm PhotoScan der Firma Agisoft oder Photomod der Firma Racurs Die Nutzungsrechte f r beide Programme und Schulungen k nnen k uflich ber CIS erworben werden Schulungen werden auch zu EDA K und zur Flugplanungs und Flugdurchf hrungssoftware angeboten In Verbindung mit dem Erwerb von UAV Technik von der CiS GmbH sind diese Schulungen Kostenfrei Um EDA K auf Ihrem Windows Rechner zu installieren f hren Sie bitte das Setup Setup_EDA K exe aus Die GIS Anwendung wurde unter Windows Versionen ab Windows XP bis Windows 7 getestet Installationshinweise f r die exter
92. te Gemessene Scanstreifen m ssen daher in der H he entsprechend an Referenzdaten angepasst werden Die erhaltene absolute Lagegenauigkeit liegt mit 1 6 m in einem Bereich entsprechend der Herstellerangaben F r eine genauere Georeferenzierung muss die Ursache f r den H henfehler identifiziert werden Untersuchung zur Genauigkeit des Laserscanners Hokuyo UTM 30LX Der verwendete Kompaktlaserscanner Hokuyo UTM 30LX wurde bereits in der Bachelorarbeit von Marlen Schreiter im Jahr 2012 an der Technischen Universit t Dresden am Institut f r Photogrammetrie und Fernerkundung eingehend untersucht Neben der Feststellung der Distanzmessgenauigkeit war auch die tats chliche Winkelgenauigkeit Ziel der Untersuchungen Distanzmessgenauigkeit Die Analyse von Distanzmessungen aus verschiedenen Entfernungen 5m 10m 15m 20m 23m vom Laserscanner zu einer Zieltafel zeigte dass die Standardabweichung als Kenngr e f r die Messgenauigkeit linear mit der Entfernung ansteigt So erh ht sich die Standardabweichung um 0 6mm pro Meter angefangen mit 0 6 mm bei 1m bis 18mm bei 30m Mit einer mittleren Abweichung der gemessenen Distanzen von 7 9mm von den Solldistanzen erwies sich die Genauigkeit besser als vom Hersteller angegeben Der gr te St rfaktor bei den Distanzmessungen des Kompaktlaserscanners ist der Durchmesser des auftreffenden Laserstrahls auf dem Messobjekt Durch den gr er werdenden Messstrahl bei zunehmender Entfernung kommt es b
93. udem sollte der Scanner eine entsprechend hohe Scannrate und Einzelpunktmessgenauigkeit bieten In der n heren Auswahl wurden folgende Scanner betrachtet Parameter Hokuyo Sick Riegl UTM 30LX LD MRS VUX 1 nn Genauigkeit mm 100 Das Ger t der Firma Riegl verspricht die beste Scanleistung sodass hier die besten Ergebnisse zu erwarten waren Ein UAV welches eine Masse von 3 6 kg tragen kann hat jedoch ein Gesamtabfluggewicht welches deutlich ber 5 kg liegt Da in Deutschland bei Ger ten von unter 5 kg nur eine allgemeine Aufstiegsgenehmigung f r den Betrieb ben tigt wird wurde entschieden dass nur solche Systeme f r das Projekt in Frage kommen Somit wurde die Verwendung des Riegl VUX 1 beim LEDA K2 Projekt ausgeschlossen Das Gewicht von ca 1 kg des LD MRS von Sick ist im Bereich der Nutzlast von auf dem Markt verf gbaren Drohnen welche eine Maximum Takeoffweight MTOW von unter 5kg haben Hier jedoch wurden die Scannleistungen f r nicht ausreichend befunden Zum einen k nnen mit 50 Hz nur mit hohem zeitlichem Aufwand Produkte erstellt werden die wie im herk mmlichen ALS Punktdichten von 10 20 Punkten m liefern Zum anderen liegt die Genauigkeit mit 100 mm au erhalb der gew nschten Parameter Das Gesamtsystem soll eine absolute Punktgenauigkeit von 10 20 cm aufweisen Bei einer Genauigkeit von 10 cm des Laserscanners bleibt demnach zu wenig Spielraum f r die Komponenten GPS und IMU Somit viel letztendlich die Wah
94. ugzeuge oder Hubschrauber zum Einsatz Grunds tzlich besteht ein ALS System aus zwei Hauptkomponenten Zum einen aus einer Laserscaneinheit die die eigentliche Distanzmessung zum Boden durchf hrt und zum anderen aus einer GPS IMU Einheit Letzteres dient dazu die genaue Position GPS und Ausrichtung IMU des Systems zu ermitteln Die GPS Antenne ist dabei extern auf dem Oberteil des Flugger tes angebracht um die maximale Sicht auf Satelliten zu gew hrleisten und um Multipath Effekte zu eliminieren Ferner gibt es noch eine Steuerungseinheit z B einen Laptop und eine separate Datenaufzeichnungseinheit Die Steuerungseinheit steuert nicht nur das gesamte System sondern ist auch zust ndig f r die Zeitsynchronisation aller Komponenten RIACQUIRE System Control Antenna Syr chronizalon scan data IMLNGPS raw data E On board Komponenten eines ALS Systems PPS NMEA 5 a Airborne A Scanner S cd Rigid mounting m structure ak du Raw Position amp Attitude H i lt 14 StIALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Zus tzlich ist zumeist noch ein Flugmanagementsystem installiert Dieses gibt Auskunft ber den aktuellen Flugstreifen und das gesamte Projekt Dazu z hlen u a die Entfernung und Zeit bis zum Ende bzw Anfang eines Streifens eine Aufz hlung der Streifen die bereits beflogen wurden und welche noch fehlen sowie Genauigkeitsangaben f r Winkel und die Entfernung
95. um letztendlich eine angepasste 3D Punktwolke des gesamten Aufnahmegebietes zu erhalten Ermittlung der Trajektorie und 3D Koordinatenberechnung Die Berechnung der genauen Flug Trajektorie erfolgt im Nachgang post processing an die Befliegung Da die Positions Orientierungs Distanzdaten und die Korrekturwerte der Referenzstation den hochgenauen GPS Zeitstempel tragen ist eine Zuordnung der korrekten Daten m glich Dabei werden zuerst die GPS Positionen anhand der Korrekturwerte der Referenzstation verbessert Anschlie end liegen genaue Positionswerte f r die geflogene Route vor Anhand der genauen GPS Positionen werden die IMU Werte aufgrund der Drift korrigiert Danach erfolgt die Interpolation zwischen den Positionen mit Hilfe der h her frequentierten IMU Werte Durch die Kombination beider Messverfahren erh lt man die genaue Flugroute die sowohl in ihrer Lage als auch ihrer H he verbessert wurde Des Weiteren werden systematische Fehler in der Orientierung z B Drift verringert und kurzzeitige Effekte in den GPS Signalen abgeschw cht Damit steht eine Trajektorie bereit deren Verlauf hochgenau und hochfrequent beschrieben wird 24 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 F r die Berechnung der 3D Punkte ben tigt man nun die beiden vorher bestimmten 3D Vektoren zwischen GPS Antennenzentrum IMU Einheit Ursprung der Scanner baugruppe Durch die feste Anbringung der IMU Einheit und der Scannerbaugruppe am Flugger t blei
96. us und anschlie end werden diese miteinander verschnitten Messprinzip Jeder Laserscanner verf gt ber eine Sendeeinheit die meist zugleich auch als Empfangseinheit fungiert Die Sendeeinheit strahlt je nach Messprinzip einen Laserimpuls oder eine Tr gerwelle aus Als n chstes trifft dieses Signal auf 1 oder 2 Rotationsspiegel die es in eine bestimmte Richtung lenken Die Drehachsen der Spiegel sind meist identisch mit einer der drei Koordinatenachsen des Scanners So kann bspw ein Spiegel den Strahl in x Richtung ver ndern und der Zweite in z Richtung Allerdings k nnen die Achsen schief im Raum liegen da der Scanner nicht zwangsl ufig horizontal aufgestellt sein muss Bei einem Panoramascanner kommt kein Spiegel zum Einsatz Bei ihm wird der Strahl in Richtung eines schwenkbaren Fernrohrs ausgesandt welches auf einem Oberteil angebracht ist Das Oberteil ist zumeist in der xy Ebene des Scanners schwenkbar Die Ausrichtung der Spiegel bzw des Fernrohrs und des Oberteils wird ber die Steuereinheit des Scanners geregelt Wenn der ausgesendete Strahl auf eine Oberfl che trifft wird er mit unterschiedlicher Intensit t zum Scanner zur ckgestrahlt Die Spiegel lenken den eintreffenden Strahl wieder zur ck zur Sendeeinheit die jetzt als Empfangseinheit dient Dort wird ber die Laufzeit bzw die Phasenverschiebung die zur ckgelegte Distanz errechnet Die ermittelte Distanz und der Intensit tswert der Messung werden an die Recheneinh
97. weise Administrator Rechte um diese Software ordnungsgem zu registrieren Bitte wenden Sie sich vor der Installation an Ihren Systemadministrator 1 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 8 Nutzen und Verwendbarkeit Zusammenarbeit mit anderen Stellen Die erarbeiteten Ergebnisse haben Eingang in zuk nftige Aufnahmeverfahren der Dezernatsgruppe K ste gefunden gleichzeitig besteht Interesse von Seiten des Landesamtes f r Umwelt Naturschutz und Geologie Mecklenburg Vorpommern in G strow zur bernahme der Technik f r Flussbereiche und von den Staatlichen mtern f r Landwirtschaft und Umwelt in Stralsund und Schwerin f r Fragestellungen im K stenbereich in Zusammenarbeit mit der Dezernatsgruppe K ste Der Landesbetrieb f r K stenschutz Nationalpark und Meeresschutz Schleswig Holstein LKN war ber den Ablauf und die Ergebnisse informiert Der Nieders chsische Landesbetrieb f r Wasserwirtschaft K sten und Naturschutz NLWKN wurde ebenfalls ber die Projektergebnisse informiert und es wurden im Herbst 2013 Testmessungen mit beiden Systemen aus LEDA K und LEDA K2 auf der Insel Juist durchgef hrt und die entwickelten Techniken und Verfahren vorgestellt Die Katastrophenleitstelle der norddeutschen Bundesl nder in Cuxhaven hat Interesse an den Systemen angemeldet und die UAV UAS Ergebnisse wurde auf einem dreit gigen Workshop der Beauftragten der Bundesl nder f r den Katastrophenschutz in Hamburg w hrend eines Vortages u
98. xyz Vektoren zwischen den Hauptkomponenten sog leverarm dt Hebelarm bestimmt werden blicherweise erfolgt dies in der folgenden Anordnung Vom GPS Antennenzentrum zum Ursprung der IMU Einheit gr n Vom Ursprung der Laserscanbaugruppe zur IMU Einheit schwarz Z GPS Y GPS X GPS Projection center of the Sensor Z Leverarms bei einem ALS System Die Bestimmung der Vektoren erfolgt entweder durch Tachymetrie oder einfach per Lot Wasserwaage und Gliederma stab Nachdem die Vektoren bestimmt sind kann das Koordinatensystem des Messsystems als Ursprung f r alle folgenden Messungen verwendet werden Vor jeder Messkampagne werden zudem Kalibrierfl ge durchgef hrt um Winkelfehler zwischen der IMU Einheit und der Scannerbaugruppe aufzudecken F r die genaue R ckverfolgung der Flugbahn Trajektorie sind exakte Positions sowie Winkelangaben Roll Pitch und Yaw der IMU Einheit n tig Typischerweise leiden IMU Einheiten unter systematischem Driften in allen drei Winkeln die bei l ngerer Zeit zu Genauigkeitsverlusten f hren Die Drift in der Position kann mittels genauer Positionsangaben anhand der zuverl ssigeren GPS Messung korrigiert werden Die Flugrouten werden linear geplant um L cken in der Datenaufnahme zu vermeiden Dabei treten nur minimale Bewegungen in den drei Rotationswinkeln auf Die Bewegungen wirken die Gefahr dass aufgrund der IMU Drift falsche Orientierungswinkel bestimmt werden
99. zu beziehen um sich so eine Hintergrundkarte anzeigen zu lassen z B amtliche Luftbilder topographische Karten etc UAV Funktionalit t Unter dem Men punkt UAV sind alle wichtigen Funktionen zur Arbeit mit den UAV Daten zusammengefasst Zun chst sollte man im entsprechenden Untermen die Voreinstellungen pr fen und insbesondere die f r den aktuellen Flug verwendete Kamera samt Kalibrierung einstellen oder ausw hlen Danach kann ein Flugprotokoll eingelesen werden Dieses Protokoll enth lt eine Aufzeichnung des vom Flugger t zur ckgelegten Weges sowie die Punktpositionen an denen die Kamera eine Aufnahme erstellt hat 68 StALU MM Rostock DG K ste LEDA K2 Diesen Fotopunkten werden beim Einlesen mehrere Objektvariablen zugeordnet in denen unter anderem die Dateinamen der Fotodatei und die aufgezeichneten Flugwinkel gespeichert sind Diese Werte k nnen dazu verwendet werden die Bilder perspektivisch und in Flugrichtung gedreht anzuzeigen Weiterhin kann aus den Einzelnen Aufnahmen ein Bildmosaik erstellt werden so dass man eine fl chendeckende Gesamtaufnahme des beflogenen Gebietes erh lt Zu diesem Zweck m ssen noch die zu verwendenden Flugpunkte ausgew hlt werden entweder manuell oder automatisch ber die Flugh he und Flugwinkel um ein m glichst gutes Gesamtergebnis zu erhalten Eine weitere Funktion die hier im Hinblick auf die 3D Auswertung erw hnt werden muss ist die M glichkeit die EXIF Informat

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