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Die Flugdynamik verstehen
Bei jeder Art von Flug ist es wichtig, die Ausrichtung der Luftfahrzeugplattform, die Art ihrer Bewegung und die Richtung, in die sie sich bewegt, zu verstehen. Bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) kann der Pilot diese Merkmale des Fluges verstehen, indem er einfach die Bewegung der UAV-Plattform beobachtet, wenn er in Sichtweite fliegt. Um menschliche Fehler beim Fliegen mit manueller Bedienung zu reduzieren, können eine Reihe von Sensoren auf der UAV-Plattform Rückmeldungen an den Flugregler des Piloten liefern. Bei anderen Flugmethoden werden Informationen über die Flugbewegung zusammen mit Standortinformationen von globalen Navigationssystemen wie dem globalen Satellitennavigationssystem (GNSS oder GPS) während des automatischen Autopilotbetriebs erforderlich.
Für die Messung dieser Bewegung wird in der Regel eine Inertialmesseinheit (IMU) verwendet. Die Informationen der IMU, die in der Regel aus Gyroskopen und Beschleunigungsmessern bestehen, charakterisieren die Dynamik der Bewegung einer Plattform in Form eines kontinuierlichen Datenstroms, der sich auf die lineare Beschleunigung des Fahrzeugs auf drei Hauptachsen sowie auf Rotationsparameter entlang dreier Hauptachsen (Neigung, Rolle und Richtung) bezieht. Viele UAV-Flugsteuerungssysteme enthalten eine Art IMU, um die notwendige Rückmeldung sowohl an ein Autopilotsystem als auch an die Flugsteuerungssoftware des Piloten am Boden zu liefern. Wenn ein UAV zur Datenerfassung für Vermessungszwecke eingesetzt wird, liefert der Datenstrom der IMU jedoch nur einen Teil der Informationen.
Flugdynamik und Erfassung von Luftbilddaten
Bei der Vermessung ist es wichtig, die Beziehung zwischen der UAV-Plattform, der äußeren Geometrie des darauf montierten Bildsensors und dem Boden darunter zu verstehen. Die Welt ist nicht flach", auch wenn das Ergebnis einer Vermessung ein zweidimensionaler Plan sein mag; Landschaften und ihre Vermessung sind von Natur aus dreidimensional. Auf der einfachsten Ebene muss bekannt sein, ob die im Boden sichtbaren Wellen eine Funktion der Landschaft oder der Flugbahn des UAV sind. Um Daten zu sammeln, die als Teil einer Vermessung verwendet werden sollen, wird ein UAV mit einem Bildsensor ausgestattet, bei dem es sich um eine Kamera oder ein Laserscanning-System (LiDAR) handeln kann.
Bei Luftaufnahmen muss die Auswirkung der Bodenhöhe berechnet werden, um das, was auf dem Boden zu sehen ist, bestmöglich auf ein im Wesentlichen "flaches Foto" zu projizieren (Orthophotographie).
Wenn Genauigkeitstoleranzen häufig in einigen Metern oder (häufiger) Zentimetern gemessen werden, kann es wichtig sein, auch die kleinste Winkelabweichung in der Bewegung und Richtung des auf der Drohne montierten Bildsensors zu berechnen. Beim Laserscanning werden die Daten von einem pulsierenden Lasersensor erfasst, der misst, wie lange es dauert, bis er eine Rückmeldung erhält, nachdem der Puls auf eine Oberfläche am Boden aufgetroffen ist. Bei dieser Oberfläche kann es sich entweder um die Spitze einer Oberflächenstruktur oder um den Boden selbst handeln, der in Richtung des Sensors zurückkehrt. Die Erfassung von Laserimpulsen über einen bestimmten Bereich erfolgt aufgrund der Tatsache, dass sich der Lasersensor häufig dreht (und im Wesentlichen Laserimpulse entlang einer Ebene "versprüht") und die UAV-Plattform, auf der der Sensor montiert ist, sich ebenfalls bewegt.
In einer früheren technischen Notiz "Warum ist ein Trägheitsnavigationssystem (INS) für die Vermessung und Kartierung von unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) wichtig?" wurden die Unterschiede zwischen passiven (nur über Bodenkontrollpunkte (GCPs)) und direkten Georeferenzierungstechniken beschrieben. Bei der direkten Georeferenzierung wird ein Trägheitsnavigationssystem (INS) verwendet, um einen effizienteren und konsistenteren Arbeitsablauf für die Zuordnung von Raumkoordinaten zu den vom UAV gesammelten Daten zu ermöglichen. Aufgrund von Kostenerwägungen und des aktuellen Stands der Technik bei leichten Kameras ist die passive Georeferenzierung in der UAV-Photogrammetrie immer noch üblich, auch wenn sie bei der bemannten Luftvermessung vor 10-20 Jahren auslief. Wenn jedoch ähnlich wie bei der heutigen Luftbildvermessung mit bemannten Flugzeugen eine direkte Georeferenzierung eingesetzt wird, könnten photogrammetrische Vermessungen mit UAVs mit weniger GCPs durchgeführt werden. Im Falle von LiDAR ist die Verwendung eines INS eine Notwendigkeit, da die Koordinaten von typischerweise 100.000 Punkten pro Sekunde einzeln berechnet werden müssen.
Ein INS umfasst ähnliche Gyroskope und Beschleunigungsmesser wie eine IMU, um die Bewegungsdynamik des UAV zu berechnen, sowie ein Computersystem, das GNSS-Daten als Eingabe verwenden kann und eine Reihe statistischer Filter anwendet, um eine bestmögliche Schätzung der Position auf der Grundlage der verfügbaren Daten zu berechnen. Durch die Verwendung eines INS kann die Position des UAV (und seiner Sensoren) mit einer höheren Frequenz als mit GPS allein berechnet werden; es berücksichtigt die Bewegung des UAV und kann durch die Anwendung statistischer Filter eine bessere Schätzung der Position liefern, falls die Informationen von einem der Eingangssensoren nicht optimal sind. Durch die Aufzeichnung der Flugbahn der Plattform (und damit des Bildsensors) während des gesamten Fluges liegt außerdem eine Aufzeichnung der Position vor, die nachbearbeitet und verfeinert werden kann, um noch bessere Positionsdaten für die während des Fluges gesammelten Daten zu erhalten. Es ist diese Integration von Positionsdaten, die veranschaulicht, warum bei der Berücksichtigung der Bewegung des UAV zur Erfassung von Daten für Vermessungszwecke die Informationen nur von einer IMU oder einem GNSS-Empfänger nicht ausreichen.
Warum brauchen Sie also wirklich ein Trägheitsnavigationssystem für Vermessungszwecke?
Der Aufschwung der UAV-Technologie hat dazu geführt, dass heute eine breite Palette von UAV-Plattformen zur Verfügung steht. Diese reichen von Systemen für Verbraucher bis hin zu professionellen Systemen, haben ein breites Preisspektrum und eine große Vielfalt an funktionalen Fähigkeiten der Komponenten dieser Systeme, einschließlich der eingesetzten Autopiloten und Flugbetriebssysteme. Aufgrund der Arten von Materialien und Technologien, die in professionellen 3D-Bildgebungssystemen wie LiDAR-Nutzlasten verwendet werden, bedeutet dies auch, dass der monetäre Wert des Bildgebungssensors oft das Zwei- bis Sechsfache des Wertes der UAV-Plattform selbst betragen kann.
Ein Grundsatz jeder Vermessungsmethodik ist die Konsistenz. Aufgrund der Vielfalt der verfügbaren Plattformen bedeutet dies, dass die Qualität und die Fähigkeiten der Komponenten, die in den Flugsteuerungssystemen von zwei UAV-Plattformen verwendet werden, sehr unterschiedlich sein können. Auch die Navigationsfähigkeiten eines Flugsteuerungssystems sind oft auf eine andere räumliche Toleranz ausgelegt als die eines Systems, das für die Vermessungskontrolle entwickelt wurde. Ein Beispiel: Daten, die von einem beweglichen Geodatenerfassungsfahrzeug (z. B. einem UAV oder einem mobilen Kartierungsfahrzeug) erfasst werden, müssen in der Regel auf +/- 5 cm genau positioniert werden, damit sie als "vermessungstauglich" gelten können. Das Autopilotsystem eines Oktokopters, der im professionellen Einsatz häufig als Träger einer Bildgebungsnutzlast verwendet wird, hat in der Regel eine Schwebepositionierungsspezifikation von etwa +/- 0,5 bis 1,5 m. Ein für Vermessungen geeignetes INS wie das OXTS xNAV550 Das Inertial- und GNSS-System berechnet die räumliche Flugbahn einer UAV-Plattform mit einer Genauigkeit von +/- 2 cm.
In einer Zeit, in der UAV-Praktiker in der Lage sein müssen, ihre Nutzlasten zu kombinieren, ist es verständlich, warum die Anforderungen für die Beförderung einer Nutzlast für Vermessungsanwendungen anders sein können als die Verwendung derselben UAV-Plattform für andere Zwecke. Die Verwendung eines INS für Vermessungszwecke bei Projekten, die dies erfordern, bedeutet jedoch, dass der Anwender eine Technologie einsetzt, die ihm eine höhere Produktivität ermöglicht, aber auch eine validierte Methode zur Positionierung der gesammelten Daten verwendet, die die für Vermessungsprojekte erforderlichen feineren Toleranzen einhält.
