Mehrdimensionale Modelle mit Phantom 4 RTK

Die drohnenbasierte Nahbereichsphotogrammetrie erfreut sich im Schweizer Markt zunehmender Popularität. Es handelt sich dabei um die Möglichkeit, sehr genaue Messdatendaten zu erfassen und komplette 2D- sowie 3D-Modelle mithilfe von Drohnenbildern aus geringer Flughöhe zu erstellen. Durch die geringe Flughöhe ist dank modernen Kameras eine sehr hohe Auflösung möglich. Wird die Technik korrekt angewendet, kann neben der hohen Pixeldichte auch eine herausragende Genauigkeit im Zentimeterbereich oder – je nach Verwendungszweck – sogar darunter erzielt werden. Hier zeigen wir Ihnen, welche Verfahren heute zur Verfügung stehen, um ein genaues Abbild der Realität in einer digitalen Umgebung zu erschaffen. Ursprünglich waren dazu bekannte Massangaben auf den einzelnen Aufnahmen nötig. Heute gibt es neben dieser simplen Methode auch deutlich fortschrittlichere Optionen, um die effektive Grösse von Objekten in höherer Präzision zu erfassen.

Photogrammmetrie – von einer Vision zur Realität

Der Ursprung der Photogrammmetrie findet sich in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Parallel wurde in Frankreich und in Preussen mit dem Aufkommen der Photographie an Anwendungen in der Gebäudevermessung geforscht. 1851 finden sich erste Schriften zu einer solchen Anwendung, obschon diese damals nur theoretischer Natur waren. Auch wenn die geschichtliche Entwicklung sehr spannend ist, blenden wir diese im Beitrag aus und zeigen Ihnen gerne im Detail, was 170 Jahre später in der Praxis technisch machbar ist. Ein Bauherr plant die Erweiterung eines bestehenden Gebäudes. Um das Projekt zu präsentieren, soll ein 3D-Modell des Neubaus erstellt werden. Der Bauherr entscheidet sich, die notwendigen Basisdaten mittels Drohnen erfassen zu lassen.

Drohnenlösungen von DJI Enterprise

Mit zahlreichen technischen Innovationen hat DJI das Fliegen von Drohnen für alle lernbar und möglich gemacht. Die Steuerung ist einfach und die Bedienung intuitiv. Die Geräte verfügen über eine ausgereifte Kombination an optischen, mechanischen sowie satellitenbasierten Flugassistenzsystemen. Das bedeutet konkret; einmal in der Luft, hält die Drohne selbstständig ihre derzeitige Position, selbst bei starkem Wind. Zudem lassen sich komplexe Flugmissionen einfach per App planen und die Drohne erledigt die gewünschte Datenbeschaffung im autonomen Flug. Unerwarteten Hindernissen weicht die Drohne dank KI während der Mission selbst aus. Der Pilot überwacht einen solchen Einsatz aufgrund der geltenden gesetzlichen Bestimmungen aktiv und kann diesen bei Bedarf jederzeit pausieren – oder direkt in die Steuerung eingreifen, falls dies notwendig werden sollte. Die Drohnentechnologie von DJI und die vorhandenen Softwarelösungen bieten der Vermessungs- und Kartierungsbranche eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten: Optimiertes Projektmanagement, rationalisierte Arbeitsabläufe und minimierte vorhandene Risiken. Erfahren Sie, wie diese Werkzeuge Ihren Herausforderungen gerecht werden.

Drohnen in Architektur, Ingenieurwesen und Forschung

Bau- und Vermessungsdrohnen sind vielseitige Werkzeuge, die ihren Wert in jeder Phase von Architektur-, Ingenieur-, Bau- und Vermessungsprojekten unter Beweis stellen. Drohnendaten sind die Lösung vieler Herausforderungen, während sie gleichzeitig die Sicherheit und Produktivität auf der ganzen Linie verbessern. Von der Rationalisierung von Prozessen über die Vereinfachung des Baustellenmanagements bis hin zur Verkürzung der Gesamtprojektdauer etablieren sich Drohnen schnell als wesentliche Werkzeuge für Vermessungs- und Bauvorgänge.

Hier sind einige der Herausforderungen, die mit dem Einsatz von Drohnen optimiert werden:

• Verbesserte Zusammenarbeit und Projektkontrolle: Drohnen können komplexe Projekte regelmässig und gleichbleibend digitalisieren, beziehungsweise 3D-Modelle Ihrer Baustelle erstellen. Die Daten dienen sowohl der weiteren Planung als auch der lückenlosen Dokumentation erfolgter Arbeiten.
• Effizienzsteigerung: Erfassen Sie schnell Luftdaten von grossen Baustellen und ersetzen Sie langwierige oder zeitaufwändige manuelle Prozesse durch Drohnen.
• Leistungsstarke und vielseitige Daten: Die Drohnentechnologie entwickelt sich ständig weiter. Von navigierbaren 3D-Modellen und thermischen Inspektionen bis hin zu detaillierten orthomosaischen Karten bieten Drohnen Zugriff auf wertvolle und aktuelle Daten.
• Schneller Return of Investment: Drohnen und die von Ihnen erfassten Daten führen zu einer verbesserten Arbeitsplatzeffizienz, reduzierten Ausfallzeiten, weniger kostspieligen Fehlern und sorgen für Einsparungen über den gesamten Lebenszyklus eines Projekts.
• Erhöhte Sicherheit: Drohnen minimieren Risiken, da sie als fliegende Roboter heikle Missionen übernehmen und damit Inspektionsaufgaben automatisieren, die sonst Arbeiten in der Höhe oder in gefährlichen Umgebungen erfordern.

Praktische Anwendung von Drohnen

Am Beispiel der Phantom 4 RTK möchten wir den Prozess aufzeigen, wie mittels Drohnenaufnahmen ein präzises 2D- oder 3D-Modell erstellt werden kann. Die Firma Archventure GmbH bietet ihren Kunden an, reale 3D-Modelle mit virtuellen Inhalten zu kombinieren. Somit entsteht ein virtuelles Modell, das die Gegenwart mit einer möglichen Zukunft verschmelzen lässt. Der grosse Vorteil liegt auf der Hand: Ein Bauvorhaben lässt sich auch kritischen Personengruppen gegenüber visualisieren.

Die Firma Blickle Räder+Rollen GmbH hat ein solches Modell eines realen Bauvorhabens erstellen lassen und uns freundlicherweise die Erlaubnis erteilt, dieses hier zu präsentieren. Im Interview erfahren wir mehr darüber, welchen Mehrwert das Verfahren bietet.

Herr Peter Schär hat unsere Fragen beantwortet:

Vielen Dank für Ihre Zeit, Herr Schär. Wir würden uns freuen, etwas über Sie und Ihren Auftrag im Rahmen des aktuellen Projekts zu erfahren.

Peter Schär: Blickle Räder+Rollen GmbH produziert und vertreibt als eines der weltweit führenden Unternehmen Räder und Rollen. Als zusätzliches Standbein sind wir mit firmeneigenen Liegenschaften im Immobiliensektor tätig. An dieser Lage sind wir aktuell in der Planung eines Erweiterungsneubaus, der immer mehr Gestalt annimmt.

Sie nutzen Drohnenaufnahmen, um Ihre Projekte zu visualisieren. Was ist der Hintergrund und welchen Nutzen bringen Ihnen solche 3D-Modelle?

Peter Schär: Wir nutzen die Drohnenaufnahmen zur Erarbeitung und Visualisierung von virtuellen 3D-Modellen für unser Bauprojekt. Damit erleichtern wir den Betrachtungsblickwinkel für Personen, welchen das räumliche Vorstellungsvermögen nicht leichtfällt. Dies fördert das Verständnis des Bauvorhabens aller involvierten Personen.

Sind Sie zufrieden mit den erhaltenen 3D-Modellen und hat diese Methode Ihnen bei Ihrem Vorhaben geholfen?

Peter Schär: Nach einigen Detailarbeiten ist das virtuelle 3D-Modell unserem geplanten Gebäude sehr nahegekommen. Das 3D-Modell erleichtert die weitere Gebäude- und Umgebungsplanung für uns sehr und beeindruckt bei Projektpräsentationen.

Werden Sie diese Technik weiter nutzen und würden Sie das Verfahren weiterempfehlen?

Peter Schär: Wir sind überzeugt, dass uns diese Visualisierungsmethode auch in Zukunft bei der Planung von Neu- und Umbauten unterstützen wird. Der Vorteil besteht dabei eben darin, dass wir nicht mehr nur mit den Grundrissplänen und Skizzen arbeiten werden, sondern mithilfe dieser 3D-Modelle die Pläne aus unterschiedlichen Blickrichtungen betrachten können. Wir werden diese Vorgehensweise insbesondere bei der Planung von Innenräumen einsetzen, bei denen beispielsweise auch der Lichteinfall besser dargestellt und geplant werden kann.

Wir bedanken uns bei Herrn Schär für seine Erklärungen. Die folgenden Modelle zeigen die virtuelle Umsetzung des Gebäudes:

Modellprozess für 3D-Mapping mit Drohnen

Der Prozess für 3D-Mapping mit Drohnen besteht aus vier Schritten: Vorbereitung, Planung der Mission, Datenerfassung mit der Drohne und Verarbeitung der Daten. Wir führen Sie chronologisch durch jeden Schritt und erklären die Einzelheiten:

Vorbereitung

Zu Beginn einer jeden Mission gibt es einige wesentliche Fragen zu klären, um das Gerät und dessen Möglichkeiten zielführend nutzen zu können. Die Drohne ist eine komplexe Maschine und der Hersteller bietet regelmässig Updates an, um vorhandene Voreinstellungen weiter zu optimieren oder die Sicherheit durch die Anpassung von bestehendem Kartenmaterial für Produktverwender und unbeteiligte Personen gleichermassen zu erhöhen. Tatsächlich gibt es auch Regionen in der Schweiz, die als Sperrzone gelten. Die Drohne verweigert einen Start in einem solchen Gebiet. Solche Informationen können Sie im Rahmen der Planung Ihrer Mission aber bequem von zu Hause aus prüfen. Sie finden alle wichtigen Informationen über geltende Gesetze auf der Plattform Safe Drone Flying. Solche Updates sind sinnvoll und sollten von Zeit zu Zeit ausgeführt werden.

Planung der Mission

Verschaffen Sie sich bereits bei der Planung einen Überblick über das Einsatzgebiet und dessen Besonderheiten. In DJI Terra können Sie Flugmissionen im Vorfeld planen und diese direkt ab Laptop oder durch den Austausch von KML Flugdaten auf die Fernsteuerung übertragen. Auch eine Planung auf der Fernsteuerung ist in vielen Fällen sinnvoll und sehr einfach zu bewerkstelligen.

Die zentrale Frage ist: Zu welchem Zweck sollen die Aufnahmen der Drohnen verwendet werden? Für ein 3D-Modell benötigen Sie mehr Aufnahmen, am besten aus verschiedenen Richtungen und mit verschiedenen Winkeln. Für ein Zweidimensionales Modell genügen Nadir-Aufnahmen; das sind Aufnahmen, die in einem Winkel von 90° aufgenommen worden sind. Vordefinierte Flug Modi helfen Ihnen dabei, das richtige Setting einzustellen.

Im Hinblick auf das gewünschte Resultat gibt es Faktoren zu berücksichtigen. Hier geht es meist darum, die Aufnahmen passend zum Workflow bereitzustellen, den man am Ende zum Erstellen eines Modells nutzen möchte. Welche Formate sind effektiv nötig, um das gewünschte Resultat herstellen zu können? Dies auch in Bezug auf die Genauigkeit, beziehungsweise die Log Files der einzelnen Aufnahmen für eine spätere Kompensation und Korrektur im Prozess. Ein wichtiger Faktor.

Zu guter Letzt bestimmen Faktoren wie die Flughöhe die Auflösung des Modells. Bei der Phantom 4 RTK ergibt eine Flughöhe von 36.5 m einen GSD von 1 cm. Die Schweiz nutz ein eigenes Koordinatensystem: LV95. Die Drohnenaufnahmen werden in WGS 84 gespeichert und müssen, wenn nötig, entsprechend «übersetzt» werden.

Auch entscheidend ist die gewünschte Genauigkeit in Bezug auf die horizontale und vertikale Achse. Dazu gibt es verschieden Möglichkeiten, die wir hier näher Beschreiben:

Ground Control Point

Je nach Fläche benötigen Sie eine vorgängige Einmessung von zusätzlichen Koordinaten oder nutzen bestehende und bekannte Messpunkte und machen diese auf den Bildern optisch sichtbar (GCP oder Checkpoints).

Eine weitere Option ist die Nutzung von Network RTK oder einer D-RTK Mobile Station:

• In der Schweiz gibt es in Sachen Network RTK zwei Provider, die Ihnen die nötigen Korrekturdaten virtuell anbieten. Sie können sich über die Fernsteuerung der Drohne mit einem solchen Dienst verbinden. Bei dieser Variante handelt es sich um einen besonders einfachen Weg. Diese Methode generiert zwar Zusatzkosten, doch ist trotzdem sehr wirtschaftlich, da es auch Angebote im Pay per Minute Verfahren gibt. Es bleibt einem erspart, andere Referenzpunkte einzumessen.
• Bei der Nutzung einer D-RTK Mobile Station hingegen bleiben solche Kosten aus. Allerdings muss die Station zwingend auf einem bekannten Messpunkt betrieben werden – oder Sie messen die entsprechende Stelle später ein.

Neben dem wirtschaftlichen Aspekt sind die genannten Verfahren vor allem für die Genauigkeit des gewünschten Modells zentral. Sind die Anforderungen an die Genauigkeit nicht besonders hoch, kann auch nur mit Checkpoints gearbeitet werden. Diese dienen dazu, die Aufnahmen in ein bekanntes Verhältnis (real ausgemessen) zu skalieren.

Datenerfassung mit der Drohne

Die eigentliche Datenerfassung mit der Drohne ist sehr simpel. Man öffnet den Flugplan und prüft die korrekte Verbindung zum RTK-Signal.

Behalten Sie die Umgebung und den Fortschritt der Mission stets im Auge. Ist ein Akkuwechsel erforderlich, wird die Drohne selbstständig zum Startpunkt zurückfliegen und landen. Der Startplatz sollte deswegen immer freibleiben. Nachdem Sie den Akku ausgetauscht haben, prüfen Sie zunächst erneut die Funktion von RTK, ehe Sie die Mission automatisiert fortsetzen. Prüfen Sie auch stets, ob genug Speicherplatz auf der SD-Karte zur Verfügung steht. Die Drohne nimmt auch Bilder auf, wenn diese nicht mehr gespeichert werden. Ein vermeidbarer Fehler.

Verarbeitung der Daten

Die Verarbeitung der Daten zeigen wir Ihnen am Bespiel DJI Terra auf. Es gibt jedoch auch zahlreiche andere Applikationen und je nach Ihrem Zweck ist die Nutzung anderer Software erforderlich, um Ihr Ziel zu erreichen.

• Die Drohne schreibt alle Missionsdaten inklusive der Bilder in einen Ordner. Fliegen Sie mehrere Missionen an unterschiedlichen Orten, macht es Sinn, die Daten zwischendurch von der SD-Karte auf ein anderes Speichermedium zu übertragen, um neuen Platz zu generieren und projektbezogene Daten einfacher unterscheiden zu können.
• Zur Verarbeitung genügt es meist, in der Software der betreffenden Ordner anzuwählen. Der Workflow übernimmt daraufhin die notwendigen Files. Sie definieren erneut das Ziel der Verarbeitung und haben die Möglichkeit, weitere Angaben wie beispielsweise das gewünschte Koordinatensystem auszuwählen.
• Zusätzliche erfassen Sie die Lage von virtuellen GCP oder die Abstände zwischen visuellen Markierungen, die Sie für Ihr Modell genutzt haben. In DJI Terra können Sie vor der Berechnung Ihres Modells die exakte Position der Marker auf den betroffenen Aufnahmen auswählen. Diese Informationen fliessen in die Korrektur des Modells ein und verbessern die Genauigkeit insgesamt.
• Ist das Modell erstellt, können Sie weitere Messungen vornehmen und diese Daten für Ihre Projekte nutzen. Die Möglichkeiten unterscheiden sich je nach Anbieter der Software.

Die Phantom 4 RTK ist eine preiswerte Lösung für den Einstieg in diese Verfahrenstechnik. Mit der Matrice 300 in Verbindung mit Zenmuse P1 oder L1 werden auch höhere Auflösungen oder deutlich kürzere Prozessierungszeiten möglich.

Gerne beraten wir Sie rund um die Möglichkeiten von Drohnen in diesem zentralen Anwendungsbereich. Schreiben Sie eine Mail an unser RC-Team und wir beantworten Ihre Fragen: teamrc@abrack.ch