Direkte Georeferenzierung von uLFZ-Luftbildern entlang linearer Infrastrukturobjekte

Abstract

Durch die technologische Weiterentwicklung, Minituarisierung und kostengünstigere Herstellung von Sensoren wie GNSS-Empfänger, inertiale Messeinheiten (Drehraten- und Beschleunigungssensoren), Magnetometer und Barometer werden unbemannte Luftfahrzeuge (uLFZ, engl. unmanned aerial vehicles - UAV) für die Nahbereichsluftbildphotogrammetrie immer häufiger verwendet. Eine Lücke zwischen herkömmlichen terrestrischen Messmethoden und aufwändigen bemannten Luftbild-Flugmissionen könnte so eventuell geschlossen werden. Unter der Verwendung eines uLFZ des Herstellers twins.nrn wurden Untersuchungen zur direkten Georeferenzierung von uLFZ-Luftbildern, d.h. der Bestimmung der Position und der Orientierung von Fotos im 3D-Raum (äußere Orientierung), vorgenommen. Das primäre Ziel der Arbeit war, die bisherige Arbeiten der Forschungsgruppe Photogrammetrie am Department für Geodäsie und Geoinformation an der Technischen Universität Wien weiterzuführen und die bisher erreichten Genauigkeiten der direkten Georeferenzierung zu steigern. Durch die Implementierung eines Zweifrequenz-GPS-Empfängers am uLFZ sollten die Aufnahmepositionen der Luftbilder zu den Aufnahmezeitpunkten im Bereich von wenigen Zentimetern bestimmten werden können. Der Vorteil der direkten Georeferenzierung liegt im Verzicht oder zumindest bei der Reduktion von Passpunkten am Boden, die vor allem im unwegsamen Gelände oder in bewaldeten Gebieten aufwendig zu bestimmen sind. Zur Vermeidung des Deformationsverhaltens größerer Bildblöcke unter Verwendung von wenigen Passpunkten, können die Parameter der äußeren Orientierung außerdem als zusätzliche Beobachtungen im Bündelblockausgleich eingeführt werden. Die Einsatzmöglichkeit eines uLFZ und die Verwendung der direkten Georeferenzierung bei linearen Infrastrukturobjekten stellte das zweite Ziel der Arbeit dar. Aus diesem Grund und der Kooperation mit der ÖBB-Infrastruktur AG, Stab Forschung und Entwicklung und Stab Vermessung und Datenmanagement, wurde diese Möglichkeit anhand eines Trassenabschnittes einer Eisenbahnstrecke in Herzogenburg (NÖ), in Flughöhen von 40m und 70m getestet. Für die Integration der synchronisierten Messdaten wurde ein erweitertes Kalman-Filter eingesetzt, das neben den Parametern der direkten Georeferenzierung auch die Biase der Sensoren der inertialen Messeinheit mitschätzt. Die Qualität der hier erprobten Methode konnte durch die Differenzbildung der Positionen und Orientierungen zwischen direkt und über Passpunkte indirekt georeferenzierten Luftbildern verifiziert werden. Die daraus resultierenden einfachen Standardabweichungen der Differenzen zwischen direkter und indirekter Georeferenzierung nehmen bei beiden Flügen für den Roll- und Nick-Winkel <1°, für den Yaw-Winkel <2° und für die Lage- und Höhenkoordinate <3cm an. Die Auswirkungen der erreichbaren Genauigkeit der direkten Georeferenzierung auf Objektpunkte am Boden wurde anschließend diskutiert. Hier wurde gezeigt, dass sich Unsicherheiten der inneren Orientierung des Kamerasystems zum Teil stark auf die Koordinaten der Objektpunkte auswirken und mit Differenzen von bis zu 12cm in der Lage und 45cm in der Höhe zu rechnen ist. Die Berücksichtigung von wenigen Passpunkten im Bündelblockausgleich brachte eine deutliche Reduktion der Differenzen und es konnten Standardabweichungen in Lage und Höhe von <2cm erreicht werden. Im Hinblick auf hohe Genauigkeitsanforderungen wurden die indirekt georeferenzierten Luftbilder für die photogrammetrische Auswertung von Objekten am Boden herangezogen und mit Daten einer terrestrischen Vermessung der Senftner Vermessung ZT GmbH verglichen. Dieser Vergleich zeigte, dass Auswertungen von Gleisen u.a. Objekten mit einer einfachen Standardabweichung von 1-2cm möglich sind. Als Nebenprodukt der photogrammetrischen Auswertung konnte ein hochauflösendes Orthophoto abgeleitet werden, das sich für Dokumentations- oder Planungszwecke eignen kann. Nach einer kurzen Einleitung werden im zweiten Kapitel Infrastrukturobjekte im Allgemeinen beschrieben, bevor aufgrund der Kooperation mit den ÖBB näher auf Eisenbahntrassen eingegangen wird. Kapitel zwei beinhaltet ebenfalls einen Überblick von uLFZ, deren rechtlichen Rahmenbedingungen in Österreich, sowie die Beschreibung des eingesetzten uLFZ in Form eines Hexakopters. Auf die direkte Georeferenzierung, integrierte Navigationssysteme und die Verwendung der Kalman-Filterung wird im dritten Kapitel eingegangen. Die Datensynchronisation, die Kamerakalibrierung und erste Testmessungen werden im Kapitel vier beschrieben. Nach der Beschreibung des Aufnahmegebiets und der Flugplanung folgt im fünften Kapitel die Durchführung der Befliegung des Testgebiets. Im Kapitel sechs erfolgt die Auswertung der Messdaten und eine Qualitätsuntersuchung der direkten Georeferenzierung. Das siebte und letzte Kapitel fasst die vorliegende der Arbeit zusammen.

Driven by technological developments, miniaturisation and the cost-efficient construction of sensors such as GNSS-receivers, inertial measurement units, magnetometers and barometers, so called unmanned aerial vehicles (UAVs) are increasingly utilised in the field of close range airborne photogrammetry. Those UAVs might have the potential to close the gap between conventional terrestrial measurement methods and complex manned missions in aerial photogrammetry. In the context of this thesis, extensive investigations on the direct geo-referencing of aerial images, i.e. the determination of the current position and orientation of images in 3D-space, were carried out using a particular UAV manufactured by the company twins.nrn. The main goals of this thesis were the continuation of previous work carried out at the research group photogrammetry of the Department of Geodesy and Geoinformation at the Vienna university of Technology on the one hand, and to improve the accuracy of direct geo-referencing on the other hand. By implementing a dual-frequency GNSS receiver on the UAV, the current position at the exposure time of the images should be determined at an accuracy level of several centimetres. The main advantage of direct geo-referencing resides in the possibility to reduce the number of required control points on the ground, which are difficult to measure especially in impassable or forested areas, or even to omit them completely. The elements of the exterior orientation can serve as additional observation within the bundle block adjustment in the case of insufficient numbers of control points and to avoid the deformation of image bundles. The application for UAVs in the field of direct geo-referencing for the mapping of linear infrastructure facilities (such as rails) describes a second goal of the thesis. Therefore, the possibility to survey a railroad line in Herzogenburg (Lower Austria) was tested at flight altitudes of 40 and 70 metres in cooperation with the ÖBB-Infrastruktur AG, Department of Research and Development and Department of Surveying and Data Management. For the integration of the synchronized measurement data an extended Kalman filter was applied. Hereby, not only the parameters of the direct geo-referencing, but also the biases of the inertial measurement unit were estimated. The quality of the method could be verified by analyzing the differences between the positions and orientations that were calculated directly on the one hand, and indirectly derived with the useage control-points on the other hand. The resulting standard deviations for both flights are in the range of <1° for the roll and pitch angles, <2° for the yaw angle and <3cm for the 3D position. In a further step, the impact of the accuracy for direct geo-referencing on ground-based object points was evaluated and discussed. It could be shown, that uncertainties within the interior camera orientation strongly affect the coordinates of the object points in the range of up to 12 centimetres for the position components, and up to 45 centimetres for the height component. The consideration of some control-points within the bundle-block adjustment cause an obvious reduction of the differences, and standard deviations in position and height of <2cm could be achieved. With regard to the high demands on the accuracy, the indirect geo-referenced aerial images were used for a photogrammetric evaluation of ground objects and compared to a conventional terrestrial survey that was carried out by the company Senftner Vermessung ZT GmbH. The comparison revealed that the evaluation of railway lines is possible with standard deviations of 1-2cm. As a by-product of the photogrammetric evaluation, a high resolution orthophoto suited for documentation or planning purposes could be derived. After a short introduction, infrastructure objects are described in general terms before focussing on railway lines in more details due to the cooperation with the company ÖBB (Austrian Federal Railways). Chapter two gives an overview on UAVs in general, the associated regulatory framework and deals with the description of the applied UAV in form of a hexacopter. In the third chapter, the focus is laid on direct geo-referencing, integrated navigation systems and the employment of Kalman filtering in this context. Data synchronization, camera calibration and first test-scenarios are depicted in chapter four, followed by a description of the surveyarea, flight planning and the flight mission in chapter five. In chapter six, the evaluation of the measurement data and the quality assessment of direct geo-referencing are presented. A complete summary of the thesis can be found in chapter seven.