Title: Direkte Georeferenzierung von Bildern eines unbemannten Luftfahrzeuges mit LowCost-Sensoren
Language: Deutsch
Authors: Glira, Philipp
Qualification level: Diploma
Keywords: UAV; Unbemannte Luftfahrzeuge; Direkte Georeferenzierung; MEMS-Sensoren; IMU; GNSS; Navigation; Kamerakalibrierung
Advisor: Briese, Christian
Assisting Advisor: Pfeifer, Norbert 
Issue Date: 2012
Number of Pages: 126
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Unbemannte Luftfahrzeuge (unmanned aerial vehicles - UAV) stellen für die Aufnahme von kleinräumigen Gebieten eine kostengünstige Alternative zur klassischen bemannten Luftbildphotogrammetrie dar. Sie werden bereits seit den 80er Jahren zu photogrammetrischen Zwecken eingesetzt. Vor allem die Miniaturisierung von Sensoren, die Entwicklung digitaler Kameras und der Aufbau von globalen Navigationssystemen führten in den letzten Jahren zu einem erneuten Aufschwung von UAVs in der Photogrammetrie.
Die Hauptziele dieser Arbeit waren (1.) die Erprobung eines zu photogrammetrischen Zwecken einsetzbaren UAVs und (2.) die direkte Georeferenzierung der damit aufgenommenen Fotos. Unter "direkter Georeferenzierung" versteht man die Bestimmung von Position und Orientierung der Fotos durch die ausschließliche Nutzung von Sensoren, die sich an Bord des UAV befinden.
Die entwickelte Aufnahmeplattform basiert auf einem kostengünstigen Quadrokopter des OpenSource-Projektes "MikroKopter". Diese Plattform ist mit einem GNSS-Empfänger, einer IMU, ein Magnetometer und einem Luftdrucksensor ausgestattet. Ein automatisierter Flugmodus ermöglicht die lückenlose Erfassung des Aufnahmegebietes. Um den photogrammetrischen Anforderungen gerecht zu werden, waren etliche software- und hardwareseitige Anpassungen erforderlich. Zur Bilderfassung wurde eine handelsübliche Kompaktkamera eingesetzt. Die Elemente der inneren Orientierung der Kamera wurden durch eine Testfeldkalibrierung bestimmt.
Die direkte Georeferenzierung der Fotos konnte durch die Integration aller zur Verfügung stehenden Sensoren realisiert werden. Für die Orientierungsbestimmung fand dabei eine für kostengünstige Sensoren angepasste Variante der Strapdown-Rechnung Anwendung. Essentielle Voraussetzung war die optimale Synchronisation aller Sensormessungen.
Aufgrund der vergleichsweise geringen Messgenauigkeit der Sensoren, war zudem eine ausführliche Fehlerbetrachtung notwendig.
Nach Durchführung mehrerer Indoor-Experimente wurde ein (aus 24 Punkten bestehendes) Passpunktfeld eingerichtet. Mehrere Anläufe waren notwendig um schließlich mit dem konstruierten UAV 125 Fotos dieses Passpunktfeldes aufzunehmen. Jene 84 Fotos, in denen eine ausreichende Anzahl von Passpunkten abgebildet ist, konnten durch die Berechnung einer Bündelblockausgleichung unabhängig indirekt georeferenziert werden. Die Differenzbildung zu den dadurch erhaltenen Positions- und Orientierungswerten ermöglichte eine quantitative Qualitätsbeurteilung der direkten Georeferenzierung. Die dabei ermittelten Standardabweichungen der Differenzen sind für Roll- und Nickwinkel <1°, für Gierwinkel ~2°, für die Lagekoordinaten ~0.5m und für die Höhenkoordinate <1m. Zur direkten Georeferenzierung, durch Integration aller aufgezeichneten Sensormesswerte, wurde das Programm "MK@IPF" entwickelt.
Der theoretische Teil der Arbeit enthält einen Überblick zum Einsatz von UAVs in der Photogrammetrie (Kap. 1), die Grundlagen der Trägheitsnavigation (Kap. 2), die Funktionsweise und Fehlerbetrachtung von MEMS-Sensoren (Kap. 3) und die Theorie zur Kamerakalibrierung (Kap.
4). Der Anwendungsteil enthält eine Beschreibung des eingesetzten UAVs (Kap. 5), die Datensynchronisation (Kap. 6), die durchgeführte Kamerakalibrierung (Kap. 7), die Ergebnisse der Indoor-Experimente (Kap.
8) und der Flugauswertungen (Kap. 9) sowie eine Beschreibung des Programmes "MK@IPF" (Kap. 10). Das letzte Kap. 11 beinhaltet eine Zusammenfassung der Arbeit und einen Ausblick.

Unmanned aerial vehicles (UAV) are a promising platform for close range photogrammetry. Compared to manned platforms, the acquisition of local remote sensing data by UAVs is a convenient and very flexible option. UAVs are used in photogrammetry since the 1980s.
Due to the miniaturization of sensors, the development of digital cameras and global navigation satellite systems (GNSS) in the more recent past, the usage of UAVs in photogrammetry is currently heavily increasing.
The main objectives of this thesis were (1.) the testing of an UAV for photogrammetrical purposes and (2.) the direct georeferencing of the captured images. The term direct georeferencing is used for the direct estimation of the position and the attitude of the images by the onboard sensors of the UAV.
The developed UAV is a low cost solution based on a quadrocopter of the project "MikroKopter". Several sensors are installed on board: a GNSS-receiver, an inertial measurement unit (IMU), a magnetic compass, and a pressure sensor. The "MikroKopter" is capable of an automatic flight mode, so that a certain area or object of interest can systematically be sensed. To satisfy photogrammetric requirements several software- and hardware-adoptions were necessary. For image acquisition a standard compact camera was used. The elements of the interior orientation of the camera were determined with the help of a test field.
For the aim of direct georeferencing the data of all sensors were combined. To estimate the attitude of the platform, an adapted version of the strapdown-calculation for MEMS was used. An essential task was the synchronization of all individual data streams of the different sensors. Due to the low measurement accuracy of MEMS, a study of the measurement values with a detailed error analysis was necessary.
Next to various indoor-tests, flight missions over an area with 24 control points were performed. After several attempts 125 images of the area were captured with the constructed UAV. In 84 of them sufficient control points for the estimation of the position and the attitude by a bundle block adjustment were available (indirect georeferencing). By an analysis of the direct and in-direct estimated values a study of the accuracy of the direct estimated values was possible. The obtained standard deviations are for roll and pitch <1°, for yaw ~2°, for the planar coordinates ~0.5m and for the height <1m. For direct georeferencing with the on-board devices the program "MK@IPF" was written.
The first part of this thesis provides an overview about the usage of UAVs in photogrammetry (chapter 1), an introduction in inertial navigation (chapter 2), the functionality and error analysis of MEMS (chapter 3), and the theory of camera calibration (chapter 4). The second part provides a description of the tested UAV (chapter 5), the synchronization of the individual data streams (chapter 6), the camera calibration (chapter 7), the results and analysis of the indoor-tests (chapter 8) and of the practical flight missions (chapter 9).
Subsequently, chapter 10 provides a description of the developed program "MK@IPF". The final chapter 11 provides a summary and an outlook of the thesis.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-54759
http://hdl.handle.net/20.500.12708/13310
Library ID: AC07812899
Organisation: E120 - Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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