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Was ist ein unbemanntes Luftfahrzeug?
In den letzten Jahren wurden vermehrt Flugzeuge eingesetzt, die keinen bemannten Piloten an Bord haben. Diese unbemannten Luftfahrzeuge (UAV) werden auch als Drohnen, unbemannte Luftfahrtsysteme (UAS) oder ferngelenkte Luftfahrtsysteme (RPAS) bezeichnet. Für die Zwecke der folgenden Beschreibungen werden diese Begriffe synonym verwendet. Drohnen in allen Formen und Größen werden seit vielen Jahren im Militär eingesetzt. Die Vorteile, die sich durch immer effizientere und anpassungsfähigere Herstellungsverfahren (z. B. 3D-Druck) und die Miniaturisierung elektronischer Komponenten ergeben haben, haben den Einsatz von Drohnen in zivilen Kontexten deutlich erleichtert. Der Zugang zur Technologie ist nun so weit, dass es für den Normalverbraucher ein Leichtes ist, eine Drohne zu kaufen, das Fliegen zu üben und Kameras und andere Sensoren anzubringen, um Bilder von der Umgebung zu machen.
Herausforderungen der Luftbildkartierung
Seit Mitte der 1900er Jahre werden an Flugzeugen montierte Kameras für Überwachungs- und Kartierungszwecke eingesetzt. Wenn Bilder von Luftbildkameras für die Photogrammetrie verwendet werden, um die Topographie oder die Bodenbedeckung zu kartieren oder um Neigungswinkel oder die Volumetrie von Minen zu berechnen, ist es nicht nur notwendig, die Spezifikationen (internes Modell) der verwendeten Kamera oder des Sensors zu verstehen, sondern auch:
- Wie sich die äußere Ausrichtung des Bildsensors ändert (d. h. wie sich der Sensor relativ zum Boden bewegt).
- Die Auswirkung von Verzerrungen, die die dreidimensionale Bodengeometrie auf die Messungen und Entfernungen in der Kartierungsausgabe hat, wenn sie von oben aufgenommen wird.
Die Navigationssysteme des Flugzeugs liefern Informationen über die Flugroute und den Teil der Welt, den das Flugzeug überfliegt. Für die Erstellung und Aktualisierung von Karten mussten der Standort und die Grundfläche der Kamerafotos über bekannte Koordinaten von Landschaftsmerkmalen (Bodenkontrollpunkte - GCP), die auf den Fotos zu sehen sind, verankert werden. Unebenheiten in der Topografie des Bodens können durch die Anwendung von Aerotriangulationsgleichungen berücksichtigt werden, um sowohl die Fotos miteinander zu verbinden als auch die Merkmale im Bild mit den x,y,z-Koordinaten der GCPs zu verknüpfen. Dies ist jedoch ein manuelles und kostspieliges Verfahren, bei dem die Qualität des Ergebnisses von Faktoren wie der Anzahl der verwendeten GCPs und den Mustern abhängt, nach denen die GCPs angeordnet sind.
Diese Methode der Georeferenzierung auf die Koordinaten bekannter GCPs wurde hauptsächlich für die Vermessungskontrolle von UAV-Luftaufnahmen verwendet. Da UAV-Plattformen zunehmend auf immer breitere Märkte ausgerichtet sind, wurden die Berechnungssysteme und damit die Kosten gesenkt, um günstigere Preise für die Plattformen selbst zu ermöglichen. Methoden zur weiteren Verfeinerung der GPS-Messungen auf der UAV-Plattform, wie z. B. der Empfang von atmosphärischen und zeitlichen Korrekturen von einer lokalen Basisstation entweder über eine Echtzeit-Funkverbindung (kinematisches Echtzeit-GPS) oder über einen nachbearbeiteten differentiellen GPS-Workflow, sind heute gang und gäbe. Dennoch wird dadurch die Verwendung von GCPs nicht außer Acht gelassen, und es kann leicht passieren, dass man die Zeit übersieht, die für die Einrichtung der Vermessungskontrolle oder die Durchführung dieser erforderlichen Aerotriangulationsverfahren erforderlich ist.
Direkte Georeferenzierung
Viele der bei Luftaufnahmen auftretenden Verzerrungen sind auf Veränderungen der äußeren Ausrichtung zurückzuführen, die dadurch verursacht werden, dass sich Plattformen in der Luft selten völlig stabil und eben bewegen. Die Plattform selbst neigt sich um Kurven, und die atmosphärischen Bedingungen führen dazu, dass sie sich neigt und giert. Selbst wenn die Kamera an einer selbstnivellierenden Kardanaufhängung befestigt ist, kann es unter extremen Umständen vorkommen, dass eine Kamera nicht immer senkrecht zur Bodenoberfläche ausgerichtet ist. Außerdem ist die Erde nicht eben. Unebenheiten des Bodens unterhalb des Flugzeugs (Hügel, Berge, Täler, Gebäude) sowie Höhenunterschiede der Luftplattform führen zu perspektivischen Veränderungen des aufgenommenen Bildes und infolgedessen zu Verzerrungen der gemessenen Entfernungen.
Um zuverlässige Kartierungsprodukte aus Luftbildern zu erstellen, werden Karten aus überlappenden Stereofotopaaren oder aus bearbeiteten Orthofotos digitalisiert. Das Ziel dieser beiden Techniken ist es, die Auswirkungen von Unebenheiten in der Landschaft im Wesentlichen zu normalisieren, um ein Kartierungsprodukt zu erstellen, bei dem die Entfernungen stimmen. Für eine moderne, automatisierte Kartierung müssen nicht nur die Koordinaten des Aufnahmeortes erfasst werden, sondern auch das Kameramodell sowie die Daten über die Gesamttrajektorie der Kamerabewegung und ihre Orientierungsparameter zum Zeitpunkt der Aufnahme des Fotos.
Die Orientierungsinformationen werden von einer IMU abgeleitet, genauer gesagt von einem Berechnungsmodul, das sowohl die Positionsdaten des GPS-Systems (an Bord und von der örtlichen Basisstation) als auch die Orientierungsinformationen der IMU statistisch verarbeitet, um eine bestmögliche Gesamtbewertung der Kamerabahn vorzunehmen. Dieses Berechnungsmodul ermöglicht die Erstellung zuverlässiger Kartierungsprodukte, während sich die Luftfahrzeugplattform bewegt, und diese Systeme werden als Inertialnavigationssysteme (INS) bezeichnet. Kartierungsfähige INS-Systeme werden seit Ende der 1990er Jahre in großem Umfang auf bemannten Flugplattformen eingesetzt. Bei vielen der auf bemannten Plattformen eingesetzten luftgestützten Kartierungssensoren ist die IMU-Komponente des INS inzwischen in den Sensor selbst integriert.
Die direkte Georeferenzierung ermöglicht nicht nur die effiziente Erfassung von Luftbildern, sondern gilt auch für alle anderen Arten von Kartierungssensoren wie Light Detection and Ranging (LiDAR)-Systeme und andere bildgebende Sensoren (z. B. solche, die in Hyperspektralbändern messen).
Luftbildaufnahmen und andere bildgebende Sensoren
UAVs werden in der Regel mit preiswerteren Kameras geflogen als bemannte Fotografen, und oft wurden diese Kameras ursprünglich nicht für den Einsatz in der Luft entwickelt. Dementsprechend ist es selten, dass diese Kameras bereits über hochentwickelte INS-Systeme für den Einsatz auf dem UAV verfügen. Dies bedeutet, dass es umso wichtiger ist, die Integration eines INS in eine UAV-Plattform in Betracht zu ziehen, um die Effizienz und Qualität eines Kartierungsprojekts zu verbessern. Idealerweise wird das INS so nah wie möglich am Kartierungssensor montiert, um die beste Schätzung seiner Position und Ausrichtung des Kartierungssensors während der gesamten Mission zu erhalten. Bei bemannten Flugplattformen kann das INS-System aufgrund der Größe des Flugzeugs noch in einiger Entfernung von der Kamerahalterung angebracht sein. In diesem Fall müssen ein relativer Abstand, ein Winkel und eine Ausrichtung zwischen dem INS-Gehäuse und dem Kamerarahmen berechnet werden, was den so genannten Hebelarmvektor ergibt.
Aufgrund der geringeren Gesamtgröße sind die Abstände zwischen dem INS-Gehäuse und der Mitte des Kamerarahmens bei einem UAV wahrscheinlich viel kleiner als bei einer bemannten Plattform. Oft wird der Kartierungssensor direkt auf oder unter dem INS montiert; dennoch wird die Berechnung des Hebelarmvektors die direkt georeferenzierten Ergebnisse weiter verbessern.
Fest montiert oder kardanisch?
Wenn die Kamera fest montiert ist, wird die vom INS gemessene Bewegung des UAV-Körpers direkt in eine Bewegung der räumlichen Position der Kamera umgesetzt. Wenn die Kamera nicht in einem konventionellen Nadir (d. h. direkt unter der Drohne), sondern in einem schrägen Winkel montiert ist, berücksichtigt die korrekte Berechnung des Hebelarmvektors für das INS den Winkel, in dem die Kamera montiert ist, und ermöglicht eine direkte Georeferenzierung des Bildes.
Häufig werden kardanische Halterungen an UAVs verwendet, um den Befestigungswinkel der Kamera zum Boden unabhängig von der Bewegung der UAV-Plattform zu stabilisieren. Theoretisch bedeutet dies, dass die Kamera waagerecht zum Boden bleibt, während sich die Drohne drehen, neigen oder gieren kann. Der Gimbal berücksichtigt jedoch keine dynamischen Höhenänderungen oder dieselben Bewegungen der UAV-Plattform, die sich ebenfalls auf die Position der Kamera im Raum auswirken. Ein Gimbal macht auch nicht das Erfordernis eines INS zur Berechnung einer bestmöglichen Gesamtschätzung der Position während der gesamten Vermessung zunichte. Selbst wenn die Kamera kardanisch aufgehängt ist, liefert die Verwendung eines INS also immer noch das beste direkt georeferenzierte Ergebnis für das Kartierungsprojekt.
Lidar-Sensoren
Lidar-Systeme bieten viele Vorteile für bestimmte Arten von Kartierungsprojekten, z. B. in der Forstwirtschaft und im Bergbau. Im Gegensatz zu Kamerasensoren, die Daten in der Regel passiv über Bildrahmen erfassen, sind Lidarsysteme aktive Systeme. Ein Lidar sammelt Daten, indem es einzelne Lichtimpulse aussendet und die Zeit berechnet, die dieser Lichtimpuls benötigt, um zum Lidar-Sensor zurückzukehren. Viele tausend Lichtimpulse pro Sekunde werden über einen Streifen, die so genannte Scanlinie, ausgesendet. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, kann die Entfernung jedes Impulses zu seinem Ziel (z.B. dem Boden) berechnet werden. Die Berechnung der x-, y- und z-Koordinaten des Ziels setzt voraus, dass die genaue Position und Ausrichtung des Flugzeugs bekannt ist und jedem dieser Impulse dynamisch zugeordnet werden kann. Daher ist eine direkte Georeferenzierung des UAV-gestützten Lidars unter Verwendung eines hochwertigen INS-Systems unerlässlich. Wie bei anderen Kartierungssensoren, z. B. Luftbildkameras, werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn das INS- und das Lidarsystem zusammen auf dem UAV montiert sind und wenn Hebelarme berechnet werden, die den Montagewinkel des Lidars berücksichtigen.
Warum Trägheitsnavigationssysteme für UAV-gestützte Kartierungsarbeiten unerlässlich sind
Sie sind zwar kleiner, können mit geringeren Anfangskosten implementiert werden und werden in der Regel über kleineren Gebieten betrieben als bemannte Systeme, aber UAV-basierte Kartierungen müssen dennoch effizient arbeiten, um die Vorteile einer kostengünstigeren Plattform besser nutzen zu können. In der Regel wird ein UAV-basiertes Kartierungsprojekt zu einem niedrigeren Preis als ein bemanntes Projekt durchgeführt. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen UAV-Betreiber die Kosten für die Zeit, die sie für die Vermessungsarbeiten vor Ort aufwenden, im Auge behalten. Herkömmliche Georeferenzierungsaufgaben unter Verwendung von GCPs sind bekanntermaßen sehr arbeitsintensiv. Unabhängig vom verwendeten Sensor bietet die direkte Georeferenzierung unter Verwendung eines INS, ähnlich wie bei der bemannten Vermessung, eine Möglichkeit zur genauen Erfassung von Kartierungsdaten von einem UAV aus und ist für den Einsatz fortschrittlicher Sensoren wie LiDAR unerlässlich.
