Vermessung
Inhaltsverzeichnis
Effizienzsteigerung in der Vermessung dank Drohnen
Die Vermessung mithilfe von Drohnen revolutioniert die Art und Weise, wie Vermessungsarbeiten durchgeführt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bieten Drohnen eine höhere Effizienz in Bezug auf Zeit und Kosten.
UAVs (unbemannte Luftfahrzeuge) wie Multicopter, Starrflügler oder VTOL-Systeme ermöglichen es, in kürzerer Zeit größere Gebiete zu erfassen und dabei zentimetergenaue Daten zu liefern. Dabei ist der Personalaufwand deutlich geringer, da Drohnen oft nur eine Person zur Bedienung benötigen. Zudem lassen sich in kürzerer Zeit mehr Messpunkte erfassen, was die Präzision und Dichte der Daten erheblich steigert.
Die präzisen Daten, die durch Technologien wie LiDAR oder Photogrammetrie erhoben werden, führen zu detaillierten 3D-Modellen von Landschaften, Gebäuden oder Infrastrukturen.
Herkömmliche Vermessungsmethoden
GNSS-Vermessung
Das Global Navigation Satellite System (GNSS) wird für hochpräzise Vermessungen verwendet. Diese Methode liefert über Satellitendaten exakte Positionen und ist für die Georeferenzierung bei vielen Vermessungsprojekten essenziell.
Zu den Vorteilen von GNSS zählen die hohe Genauigkeit, die bei klarer Sicht zu den Satelliten oft im Zentimeterbereich liegt, und die Möglichkeit, auch in großen und unzugänglichen Gebieten präzise Daten zu erfassen.
Nachteile hingegen können durch Signalabschattungen oder Mehrwegeffekte in städtischen Gebieten oder dicht bewaldeten Arealen entstehen, die zu Positionsabweichungen führen können. Außerdem ist eine stabile Satellitenverbindung erforderlich, was die Verfügbarkeit bei schlechtem Wetter oder in tiefen Tälern einschränken kann.
RTK (Real-time kinematic)
Bei der RTK-Datenverarbeitung wird die Position eines mobilen GNSS-Empfängers (zum Beispiel auf einer Drohne) in Echtzeit durch eine Verbindung zu einer Basisstation korrigiert. Der Ablauf umfasst:
- Datenübertragung: Die Basisstation sendet Korrekturdaten über eine Echtzeitverbindung an den mobilen Empfänger.
- Phasenvergleich: Durch den Vergleich der Satellitensignalphasen wird die exakte Position des mobilen Empfängers berechnet.
- Korrekturen in Echtzeit: Der Empfänger verarbeitet die Daten sofort, sodass Positionen in Echtzeit auf wenige Zentimeter genau sind.
RTK bietet sofortige Positionskorrekturen und ist praktisch für Echtzeitanwendungen, ist jedoch anfällig für Signalverluste oder Einschränkungen, wenn die Verbindung zur Basisstation unterbrochen wird.
PPK (Post-processed kinematic)
Beim PPK-Verfahren hingegen werden die Positionsdaten nach der Aufzeichnung im Nachhinein korrigiert. Die Schritte umfassen:
- Unabhängige Datenerfassung: Die Basisstation und der mobile Empfänger (z. B. auf einer Drohne) erfassen unabhängig voneinander Rohdaten.
- Synchronisierung der Daten: Nach Abschluss der Aufzeichnung werden die Daten der Basisstation und des mobilen Empfängers miteinander synchronisiert.
- Post-Processing-Software: Eine spezielle Software nutzt die Rohdaten der Basisstation, um die genaue Position des Empfängers zu berechnen und Korrekturen vorzunehmen.
- Präzisionsverbesserung: Die Korrekturen erreichen durch diese nachträgliche Verarbeitung eine hohe Genauigkeit, oft im Zentimeterbereich.
PPK erlaubt die Korrektur im Nachhinein und ist flexibler bei schwierigen Umgebungen, da keine Echtzeitverbindung erforderlich ist. PPK ist besonders nützlich in Gebieten mit eingeschränkter Sicht oder schwacher Verbindung und bietet oft eine höhere Zuverlässigkeit und Genauigkeit.
Anwendungsgebiete
2D-Lagepläne
GNSS-gestützte Vermessung liefert präzise 2D-Lagepläne, die für Bau- und Stadtplanungen essenziell sind. Sie ermöglicht exakte Messungen von Grundstücken, Gebäuden und Infrastrukturen.
Geländeaufmaße
Mit GNSS-Technologie lassen sich Geländeaufmaße schnell und genau erfassen, selbst in unwegsamem Gelände. Die Methode liefert wertvolle Höhenprofile und unterstützt Bau-, Umwelt- und Landwirtschaftsprojekte.
Korridorvermessung
Für die Vermessung langer Trassen wie Stromleitungen und Autobahnen bietet GNSS hohe Genauigkeit und Effizienz, was Bauplanung und Sicherheitsanalysen erleichtert.
Tachimeter & Total-Station
Ein Tachymeter und eine Total-Station dienen beide der präzisen Vermessung durch Messung von horizontalen und vertikalen Winkeln sowie Distanzen. Während das Tachymeter vor allem für kleinere Bauprojekte und Trassenplanungen eingesetzt wird, da es eine hohe Messgenauigkeit auf kleinem Raum bietet und auch bei eingeschränkter Satellitensicht verwendet werden kann, ist die Total-Station für komplexere Messaufgaben ausgelegt. Die Total-Station kombiniert Winkel- und Distanzmessungen und ermöglicht eine effiziente, digitale Datenerfassung, was besonders bei Geländeaufmaßen und im Bauwesen von Vorteil ist.
Ein wesentlicher Unterschied liegt in der Reichweite und Anwendungsflexibilität: Das Tachymeter ist in der Reichweite begrenzt und benötigt eine direkte Sichtverbindung zu den Messpunkten, was weiträumige Messungen erschwert. Die Total-Station bietet zwar ähnliche Einschränkungen in Bezug auf die Sichtlinie, vereinfacht jedoch die Verarbeitung durch die digitale Speicherung der Messdaten.
RTK- & GNSS-Antennen auf dem Markt
Neben etablierten Herstellern wie Trimble oder Leica Geosystems gibt es auf dem GNSS-Markt auch preisgünstigere Alternativen, darunter die Antennen von Emlid und DJI. Besonders Emlid überzeugt hier durch ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und eine hohe Benutzerfreundlichkeit.
Emlid bietet eine breite Produktpalette für verschiedene Anwendungen. Die Emlid Reach M2, ein RTK-GNSS-Modul, ist vielseitig und lässt sich in vielen Drohnen integrieren. Mit dem kostengünstigen RTK-Rover Emlid Reach RX können Punkte, Linien, Flächen und mehr schnell und unkompliziert eingemessen werden.
Für Anwender, die erweiterte Funktionen benötigen, bietet die Emlid Reach RS3 eine spannende Alternative. Dieser RTK-GNSS-Empfänger bringt moderne Features wie Tilt-Compensation und das TRIMTALK 450S-Protokoll mit – Funktionen, die sonst oft nur bei hochpreisigen Herstellern zu finden sind. Mehr über die Emlid Reach RS3 erfährst du in diesem Beitrag.
Drohnenvermessung
Drohnen haben die Vermessungs- und Kartierungsbranche revolutioniert, indem sie eine schnelle und präzise Erfassung großflächiger und komplexer Gebiete ermöglichen. Für die Drohnenvermessung kommen hierbei unterschiedliche Trägerplattformen zum Einsatz:
Trägerplattformen in der Drohnenvermessung
Flexibel einsetzbar, besonders für kleinere bis mittlere Flächen. Beispielsweise die Hexadrone TUNDRA 2 oder die Acecore NOA
Ideal für große Flächen und lange Flugdauer. Beispielsweise die Quantum Systems Trinity Pro
Methoden in der Drohnenvermessung
Zwei zentrale Technologien in der Drohnenvermessung sind LiDAR und Photogrammetrie. Beide Verfahren bieten einzigartige Vorteile und eignen sich für unterschiedliche Anwendungsfelder – von detaillierten Höhenmodellen und Vegetationsdurchdringung bis hin zu texturreichen Visualisierungen für Planungs- und Dokumentationszwecke. In den folgenden Abschnitten werden die Funktionsweisen, Vor- und Nachteile sowie die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten dieser Technologien im Bereich der Drohnenvermessung ausführlich erläutert.
LiDAR
LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine Technologie zur Entfernungsmessung, die auf der Verwendung von Laserimpulsen basiert, um präzise dreidimensionale Darstellungen der Erdoberfläche und anderer Objekte zu erstellen. Diese Methode hat sich besonders im Bereich der Vermessung und Kartierung etabliert und bietet gegenüber konventionellen Methoden wie der Photogrammetrie erhebliche Vorteile, insbesondere in Gebieten mit dichter Vegetation und für die Erstellung detaillierter Geländemodelle.
Funktionsweise von LiDAR
Die Funktionsweise von LiDAR basiert auf dem Senden und Empfangen von Laserimpulsen. Ein LiDAR-Sensor emittiert Tausende bis Millionen von Lichtimpulsen pro Sekunde, die auf die Oberfläche treffen und reflektiert werden.
Die Zeit, die der Laserimpuls benötigt, um vom Objekt zurück zum Sensor zu gelangen, wird gemessen und in eine Distanz umgerechnet. Mithilfe dieser Distanzmessungen wird eine sogenannte 3D-Punktwolke erstellt, die aus Millionen von Einzelpunkten besteht und ein hochpräzises Bild der Umgebung erzeugt.
Einige wichtige Aspekte der LiDAR-Funktionsweise umfassen:
Laserscan / Wellenlängen
LiDAR verwendet verschiedene Wellenlängen, die für spezifische Anwendungen optimiert sind. Zum Beispiel ist nah-infrarotes Licht ideal zur durchdringung von Vegetation, wie beim YellowScan Surveyor Ultra, während grünes Licht für Gewässervermessungen (Bathymetrie) verwendet wird, wie bei dem YellowScan Navigator.
IMU (inertial measurement unit)
Um exakte Positionen der Punktwolken zu gewährleisten, wird LiDAR oft mit GPS und Inertial Measurement Units (IMUs) kombiniert. Diese erfassen die exakte Position und Neigung des Sensors während der Datenerfassung und helfen bei der präzisen Georeferenzierung der Punktwolken.
Mehrfachechos
Bei der Erfassung von vegetationsreichen Gebieten kann der LiDAR-Sensor mehrere „Echos“ von verschiedenen Höhen in der Vegetation erhalten.
Vorteile von LiDAR gegenüber Photogrammetrie
- Hohe Geometriegenauigkeit: LiDAR liefert präzise 3D-Daten mit hoher geometrischer Genauigkeit, was besonders bei der Erstellung detaillierter Höhenmodelle und Geländekarten von Vorteil ist.
- Lichtunabhängigkeit: LiDAR benötigt keine externen Lichtquellen und kann daher bei allen Lichtverhältnissen, sogar in völliger Dunkelheit, eingesetzt werden. Das macht es besonders vielseitig und ermöglicht den Einsatz bei Nacht oder in schattigen Gebieten.
- Vegetationsdurchdringung: Im Gegensatz zur Photogrammetrie kann LiDAR Lichtimpulse durch dichte Vegetation senden, sodass auch unter Bäumen oder dichtem Bewuchs liegende Oberflächen erfasst werden. Dies ist ideal für Geländeanalysen in bewaldeten Gebieten oder zur Bestimmung des Bodenprofils.
- Schnelle Datenverarbeitung: Moderne LiDAR-Systeme können große Mengen an Messpunkten schnell verarbeiten, was eine effiziente Erfassung und Interpretation der Geländeformen ermöglicht, insbesondere bei Projekten, die eine zeitnahe Datenauswertung erfordern.
Nachteile von LiDAR gegenüber Photogrammetrie
- Kostenintensiv: Die Anschaffung und der Betrieb von LiDAR-Systemen sind teurer als herkömmliche Kamerasysteme, was es für kleinere Projekte weniger attraktiv macht. Die hohen Kosten erstrecken sich nicht nur auf die Sensoren, sondern auch auf die benötigte Software und die Verarbeitung.
- Höheres Rauschen: LiDAR-Daten können bei bestimmten Oberflächenstrukturen, z. B. Wasser oder reflektierenden Materialien, Rauschen aufweisen. Dies kann die Qualität der Daten beeinflussen und bedarf zusätzlicher Verarbeitung, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.
- Begrenzte Farbinformationen: LiDAR selber erfasst keine Farbdaten und liefert lediglich strukturelle Informationen. Dies kann für Anwendungen, die auf Farbdetails und Texturen angewiesen sind, einen Nachteil darstellen.
Es gibt mittlerweile jedoch viele LiDAR Systeme, die für eine nachträgliche Einfärbung der Punktwolke über eine integrierte RGB-Kamera verfügen. Beispielsweise der YellowScan Surveyor Ultra oder YellowScan Explorer.
Anwendungsgebiete von LiDAR
LiDAR wird in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, insbesondere dort, wo hohe Genauigkeit und detaillierte Geländeinformationen erforderlich sind:
Korridorvermessung (z.B. für Powerlines, Pipelines oder Autobahnen)
LiDAR eignet sich ideal zur Planung von Powerlines, Pipelines, Autobahnen oder Bahnschienen, da es detaillierte Informationen über das Gelände und Hindernisse liefert. So können Bauvorhaben auf Basis präziser Geländemodelle durchgeführt werden.
Forstwirtschaft
In der Forstwirtschaft wird LiDAR für KI-gestützte Waldinspektionen mit Drohnen eingesetzt. Dabei werden wichtige Daten wie Position, Baumhöhe, -durchmesser und weitere Vegetationsmerkmale erfasst sowie anschließend ausgewertet.
Gemeinsam mit unserem Partner Clear Timber Analytics führen wir solche KI-gestützten Waldinspektionen mit Drohnen durch.
Gewässervermessung(Bathymetrie)
Mithilfe von speziellen, wasserdruchdringenden LiDAR-Sensoren, wie der YellowScan Navigator, lassen sich Gewässer und ihre Beschaffenheit detailliert vermessen. Diese sogenannte Bathymetrie ist wichtig für den Küstenschutz und die Gewässerplanung.
Geländemodell (DTM)
LiDAR-Daten werden oft zur Erstellung von Digital Terrain Models (DTM) und Digital Surface Models (DSM) genutzt. Dies ist von großem Nutzen bei der erfassung von Bodenerosion, der
Archäologie
LiDAR ist in der Archäologie hilfreich, um unter der Vegetation verborgene Strukturen zu entdecken. So wurden etwa versteckte Tempelanlagen in Regenwäldern oder Siedlungsstrukturen auf Feldern erkannt.
Fazit LiDAR
Zusammengefasst bietet LiDAR dank seiner Genauigkeit und der Fähigkeit, Vegetation zu durchdringen, eine unverzichtbare Technologie für Anwendungen in schwierigen oder dichten Gebieten, in denen präzise Daten für Planungen und Analysen benötigt werden.
Photogrammetrie
Photogrammetrie ist eine Technik, die mithilfe von Fotografien die Geometrie von Objekten und Landschaften erfasst und diese in präzise 3D-Modelle und Karten umwandelt. Sie wird häufig in der Kartierung und bei geodätischen Projekten eingesetzt und bietet eine kostengünstige Möglichkeit zur großflächigen Vermessung. Durch den Einsatz von Drohnen, Flugzeugen oder sogar Satelliten können weiträumige Gebiete schnell und effektiv abgebildet werden.
Funktionsweise der Photogrammetrie
Die Photogrammetrie basiert auf der Analyse von Fotografien aus unterschiedlichen Blickwinkeln, um geometrische Informationen zu extrahieren und 3D-Modelle zu erstellen. Der Prozess umfasst:
Bildaufnahme aus verschiedenen Positionen
Mehrere Bilder eines Objekts oder Geländes werden aus verschiedenen Winkeln aufgenommen, um das Gebiet vollständig zu erfassen. Diese Methode, als “Stereo-Paare” bekannt, ermöglicht die Berechnung von Höhenunterschieden.
Bildüberlagerung und Triangulation
Die aufgenommenen Bilder werden mithilfe von Software überlagert und miteinander verglichen, um markante Punkte zu identifizieren. Durch die Triangulation dieser Punkte werden Entfernungen und Höhen im Gelände berechnet.
Georeferenzierung
Zur genauen Positionierung wird die Photogrammetrie oft mit GPS- oder RTK-Systemen kombiniert, sodass die erzeugten 3D-Modelle und Karten an echte Koordinaten gebunden sind.
Oberflächentextur
Im Gegensatz zu LiDAR erzeugt die Photogrammetrie nicht nur Höheninformationen, sondern erfasst auch Farbinformationen und Oberflächentexturen, was detaillierte und realistische Visualisierungen ermöglicht.
Vorteile von Photogrammetrie gegenüber LiDAR
- Kosteneffizienz: Photogrammetrie ist in der Regel günstiger als LiDAR, da sowohl die Sensoren als auch die Software weniger kostenintensiv sind. Für viele Projekte, insbesondere im Bereich Visualisierung und Dokumentation, ist Photogrammetrie daher eine kostengünstige Alternative.
- Direkte Farbinformationen: Die Photogrammetrie erfasst detaillierte Farbinformationen und Texturen, was für anschauliche 3D-Modelle und Visualisierungen ideal ist. Diese Farbgebung ermöglicht realitätsnahe Darstellungen und wird häufig in Bereichen wie Kartografie und Bauplanung eingesetzt.
- Geringes Rauschen: Im Vergleich zu LiDAR-Daten weist die Photogrammetrie in der Regel weniger Rauschen auf, was zu klareren Bildern und Modellen führt. Besonders bei großflächigen Geländen und Gebäuden ist die Bildqualität durch die geringe Rauschintensität von Vorteil.
- Erstellung von Orthofotos: Mit der Photogrammetrie können Orthofotos erstellt werden, die maßstabsgerecht und geometrisch korrigiert sind. Dies ist nützlich für kartografische Darstellungen und erleichtert die visuelle Analyse von Flächenstrukturen.
Nachteile von Photogrammetrie gegenüber LiDAR
- Lichtabhängigkeit: Die Photogrammetrie erfordert ausreichend Licht und kann bei schlechten Lichtverhältnissen wie bei Dämmerung oder Bewölkung eingeschränkt sein. Dies erschwert den Einsatz in bestimmten Umgebungen und kann eine zusätzliche Beleuchtung erforderlich machen.
- Durchdringt keine Vegetation: Photogrammetrie kann unter dichter Vegetation liegende Geländeformen nicht erfassen, da keine Lichtstrahlen hindurchdringen können. Dies ist ein erheblicher Nachteil bei der Erfassung bewaldeter oder stark bewachsener Flächen.
- Aufwendigere Datenverarbeitung: Die Verarbeitung photogrammetrischer Daten erfordert eine hohe Bildüberlappung und aufwendige Nachbearbeitung. Dies kann zeitintensiv sein und setzt spezifisches Fachwissen voraus, um genaue Modelle und Darstellungen zu erzeugen.
Anwendungsgebiete von Photogrammetrie
Die Photogrammetrie findet in zahlreichen Bereichen Anwendung, insbesondere dort, wo Kosten und visuelle Darstellung eine Rolle spielen:
Kartierung
Die Photogrammetrie eignet sich hervorragend zur Erstellung von Landkarten und 3D-Modellen, besonders für großflächige, offene Gebiete wie landwirtschaftliche Flächen, Städte und Infrastrukturprojekte.
Archäologie
Die Photogrammetrie wird oft zur Dokumentation und Vermessung historischer Stätten verwendet, da sie detaillierte Modelle und Texturen liefert, die für die Erhaltung und Visualisierung von kulturellen Erbestätten wichtig sind.
Stadtplanung & Infrastruktur
Die Photogrammetrie spielt eine Schlüsselrolle bei der Stadt- und Verkehrsplanung, indem sie detaillierte Modelle für Analysen und Simulationen liefert, z. B. zur Planung von Straßen, Brücken oder Stadtentwicklungsprojekten.
Bau- & Ingeniuerwesen
Bauprojekte profitieren von Photogrammetrie bei der Bauüberwachung und Fortschrittsdokumentation. Sie ermöglicht das einfache Erfassen des Baufortschritts und die Kontrolle von Strukturen aus der Luft.
Landwirtschaft
In der Landwirtschaft kann die Photogrammetrie zur Analyse von Feldern genutzt werden. Spezielle Multispektralkameras bieten detaillierte Informationen zur Pflanzengesundheit und ermöglichen präzises Monitoring und Management.
Fazit Photogrammetrie
Insgesamt ist die Photogrammetrie eine effiziente und vielseitige Methode zur Kartierung und Visualisierung, die besonders bei großflächigen, offenen Gebieten mit Sicht auf die Erdoberfläche ihre Vorteile zeigt. Sie ergänzt sich ideal mit LiDAR in Projekten, bei denen eine Kombination aus detaillierten Höheninformationen und visuell ansprechenden Texturen erforderlich ist.
Fazit
Drohnenvermessung bietet in der modernen Vermessungstechnik bedeutende Vorteile, die traditionelle Methoden effizient ergänzen und in vielen Bereichen übertreffen. Drohnen ermöglichen die Erfassung großer Gebiete in kurzer Zeit und liefern präzise, zentimetergenaue Daten, die herkömmliche Bodenvermessungssysteme oft nur mit erheblich mehr Zeit- und Personalaufwand erreichen könnten.
Dank der Flexibilität verschiedener Drohnentypen – vom Multicopter über VTOL-Systeme bis hin zu Starrflüglern – kann die Drohnenvermessung sowohl in kleinen als auch in großflächigen und schwer zugänglichen Gebieten durchgeführt werden. Dadurch lassen sich Projekte schneller und wirtschaftlicher umsetzen, was besonders in der Bauüberwachung, im Ingenieurwesen und in der Umweltforschung von großem Vorteil ist.
