Grundlagen zur Genauigkeit von digitalen 3D-Zwillingen aus Drohnenbildern

Drohnen haben die Art und Weise, wie wir Daten über die Welt um uns herum sammeln, radikal verändert. Heute ist es möglich, hochauflösende Kopien der physischen Welt zu einem Bruchteil der Kosten zu erstellen. Solch fotorealistische digitale 3D-Zwillinge sind aber nur mit den geeigneten Werkzeugen möglich.

In diesem Artikel zeigen wir, wie und mit welcher Genauigkeit Drohnen dabei helfen, mittels Photogrammetrie digitale Zwillinge zu erstellen.

Doch zunächst einige Begrifflichkeiten.

Was ist Photogrammetrie?

Photogrammetrie ist ein wissenschaftliches Verfahren, bei dem mit Messungen und Fotos 3D-Modelle erstellt werden. Dabei wir ein Objekt aus verschiedenen Winkeln mehrmals aufgenommen. Diese Bilder werden anschliessend mit Hilfe spezieller Software zu einem 3D-Modell verarbeitet.

Drohnen sind das agilste Werkzeug für die Erfassung solcher Bildern der realen Welt. Sie können Luftbilder aus einer Vielzahl von Winkeln und Höhen aufnehmen und sind in der Lage, auch schwer zugängliche oder gefährliche Bereiche zu erreichen.

Was bedeutet Genauigkeit bei der Kartierung mit Drohnen?

Wenn es darum geht, die reale Welt aus Bildern zu rekonstruieren, können wir Genauigkeit auf zwei Arten verstehen: als relative oder als absolute Genauigkeit.

• Relative (oder lokale) Genauigkeit
  Bezieht sich auf die Position von Elementen innerhalb der Rekonstruktion. Eine gute relative Genauigkeit ist z. B. gegeben, wenn der Abstand zwischen zwei Fenstern im Gebäudemodell relativ gesehen gleich gross ist wie der Abstand der zwei Fenster in der realen Umgebung.
• Absolute (oder globale) Genauigkeit
  Bezieht sich auf die Genauigkeit der Rekonstruktion in Bezug auf ihre tatsächliche Position auf der Erde. Eine gute absolute Genauigkeit ist gegeben, wenn die Breiten- und Längengrade eines Punktes auf dem Gebäudemodell mit den tatsächlichen GPS-Koordinaten dieses Punktes in der realen Welt übereinstimmen.

Es ist möglich, dass eine Rekonstruktion zwar eine gute relative Genauigkeit aber eine schlechte absolute Genauigkeit hat.

Was ist GSD?

Die Bodenauflösung, auf Englisch Ground Sampling Distance (GSD), ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pixeln im Modell. Anders gesagt, es ist die Auflösung der Rekonstruktion.

Die Ground Sampling Distance hängt von der Flughöhe der Drohne und von der Kamera ab. Eine höherauflösende Kamera auf gleicher Flughöhe führt zu einer geringeren GSD und entsprechend mehr Details in der Rekonstruktion.

Welche Drohnen werden für die Erstellung digitaler 3D-Zwillinge verwendet?

Für Photogrammetrie werden hauptsächlich zwei Arten von Drohnen verwendet: Multicopter (engl. Multi-rotor) und Starrflügler (engl. fixed-wing)

Multicopter-Drohne

Multicopter-Drohnen können in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, da sie überall starten und landen können. Der Nachteil ist, dass sie viel Energie benötigen, um den Auftrieb aufrechtzuerhalten. Das wiederum führt zu einer begrenzten Flugzeit: Im Durchschnitt kann ein Multicopter nur 20 bis 30 Minuten fliegen, bevor der Akku leer ist.

Bei Nomoko arbeiten wir mit der DJI Matrice 300 RTK.

Die DJI Matrice 300 ist eine vielseitige Drohne, da sie mit unterschiedlichen Nutzlasten ausgestattet werden kann. So kann sie für verschiedenste Einsatzzweck konfiguriert werden. Wir verwenden derzeit ein Kamerasystem mit 5 Sensoren. Ziel ist es, die feinen Details einer Gebäudefassade zu erfassen, was mit normalen Kameras nicht möglich ist.

DJI Matrice 300 ist eine sehr zuverlässige industrielle Drohnenplattform mit redundanten Sicherheitssystemen wie GPS, IMUs, Batterien, Kompass, Barometer und Vision-Sensoren. Dadurch können wir sichere Operationen über städtischen Gebieten durchführen und Unfälle durch Einzelausfälle vermeiden. Zusammen mit der DJI M300 RTK verwenden wir drohnenunabhängige zertifizierte Fallschirmsysteme, die garantieren, dass unter keinen Umständen Menschen verletzt werden.

Mit diesem System erreichen wir eine GSD von 1,5 cm/px, was bedeutet, dass jedes rekonstruierte Pixel 1,5 cm in der Realität entspricht.

Starrflügler-Drohne

Starrflügler-Drohnen nutzen die Vorteile ihrer Aerodynamik, um über längere Zeiträume zu fliegen. Das macht sie ideal für die Vermessung grosser Gebiete. Die typische Flugzeit eines Starrflügler-Drohne liegt zwischen 50 und 90 Minuten.

Allerdings können Starrflügler-Drohnen nur vorwärts fliegen und nicht an Ort und Stelle schweben. Man kann sie also weniger gut manövrieren als Multicopter-Drohnen. Ausserdem sind sie ähnlich aufgebaut wie Flugzeuge, was bedeutet, dass sie einen grossen, freien Platz zum Starten und Landen benötigen. Aus diesem Grund arbeiten wir bei Nomoko mit der WingtraOne Gen II, einer VTOL-Drohne (Vertical Take-off and Landing), die die Vorteile von Starrflügler- und Multicopter-Drohnen vereint.

Die GSD für Projekte, die mit diesem System aufgenommen werden, beträgt 3,0 bis 4,0 cm/Pixel.

Welchen Genauigkeitsgrad benötige ich für mein Digital Twin-Projekt?

Um zu bestimmen, welcher Genauigkeitsgrad für ein spezifisches Projekt Sinn macht, ist es wichtig, den Verwendungszweck des 3D-Modells zu berücksichtigen. Ein 3D-Modell eines Gebäudes für architektonische Zwecke erfordert zum Beispiel oft höhere Genauigkeit als ein 3D-Modell eines grossen Gebiets, das für Kontextualisierungszwecke eingesetzt wird.

Der Genauigkeitsgrad wirkt sich auch auf die Kosten des 3D-Modells aus, denn die Genauigkeit beeinflusst, wie viel Zeit für das Überfliegen eines Gebiets, die Aufnahme der Bilder und deren Verarbeitung benötigt wird.

Mit Drohnen die Welt in 3D nachbilden

Um ein genaues 3D-Modell zu erstellen, müssen die aufgenommenen Bilder mit einer hochwertigen Software verarbeitet werden, welche die Merkmale auf den Bildern präzise zuordnen und das endgültige 3D-Modell erstellen kann.

Mit unserem massgeschneiderten 3D-Modellierungsverfahren wandeln wir 2D-Drohnenbilder schnell und skalierbar in hochauflösende digitale Zwillinge um. Wir sind in der Lage, ganze Städte in extremer Detailtreue und schneller als je zuvor zu erfassen.

Haben Sie ein Projekt im Sinn? Nehmen Sie Kontakt mit uns auf!