Photogrammetrische Infrastruktur Vermessung ohne Passpunkte


Die Vermessung von Infrastruktur Objekten, wie zum Beispiel Brücken, gestaltet sich häufig als aufwendige Aufgabe. Klassisch werden solche Aufgabe entweder mit Hilfe konventioneller Vermessungsmethoden (Einzelpunktmessungen mit einer Totalstation) oder mit einem terrestrischen Laserscanner durchgeführt. Beide Methoden liefern hochgenaue Ergebnisse, haben jedoch auch, systembedingt, erhebliche Nachteile. Bei der tachymetrischen Vermessung werden lediglich Einzelpunkte gemessen, aus denen dann in einem aufwendigen Nachbearbeitungsprozess die Objekte als Ganzes rekonstruiert werden müssen. Außerdem muss in der Regel von mehreren Standpunkten aus aufgenommen werden, wofür zunächst noch ein Grundlagennetz realisiert werden muss. Ein terrestrischer Laserscanner auf der anderen Seite kann durch seine erzielbare Punktdichte direkt eine Punktwolke des Objekts erzeugen. Die Nachteile liegen jedoch darin, dass für die Aufnahme komplexerer Objekte eine nicht unerhebliche Anzahl an Aufnahmestandpunkten notwendig ist. Das führt zu einem nicht unerheblichen Aufwand vor Ort und erfordert einen nicht zu unterschätzenden Nachbearbeitungsaufwand, um die Einzelscans zu einem Gesamtmodel zusammen zu führen. Außerdem kann die Identifizierung von definierten Objektpunkten allein in der Punktwolke häufig zu Ungenauigkeiten führen.

Brücke über den Isarkanal bei München

Als alternative Methode bietet sich die Photogrammetrie für die Erfassung von Infrastruktur Objekten an. Hierbei kann aus den Einzelbildern im Rahmen einer photogrammetrischen Auswertung eine 3D Punktwolke abgeleitet werden, es ist möglich Einzelpunkte in den Bildern zu bestimmen oder es können Orthoansichten berechnet werden. Durch neue Entwicklungen im Bereich der photogrammetrischen Auswertung auf der einen Seite und bei den Sensoren auf der anderen Seite kann ohne großen Aufwand inzwischen ein geometrisch korrektes Ergebnis ohne aufwendige Passpunktmessung erzielt werden. Durch die Erweiterung einer (hochwertigen) Standardkamera um einen 3D Image Vector link_symbol_small ist es möglich zu jeder Aufnahme direkt die äußere Orientierung, also die Kamera Position und die Ausrichtung zum Aufnahmezeitpunkt, direkt zu erfassen. Die Kamera wird hiermit zu einem vollwertigen Vermessungsinstrument und das Projekt wird in einen korrekten Koordinatenrahmen eingepasst. Als zusätzliche Information, bzw. zur Kontrolle empfiehlt es sich einige Strecken zu definieren und exakt einzumessen. Neben der kostengünstigen Ausrüstung hat die photogrammetrische Methode gegenüber der beiden erstgenannten Verfahren den Vorteil, dass vor Ort nur relativ wenig Zeit benötigt wird und dass durch die vorhandenen Bilddaten Einzelpunkte zusätzlich zur Punktwolke exakt vermessen werden können.

3D Image Vector MONO

Am Beispiel einer Brücke über den Isarkanal bei München soll die Vorgehensweise näher betrachtet werden. Die Brücke soll als Planungsgrundlage vermessen werden. Die geforderte Genauigkeit liegt im cm Bereich. Als Ausrüstung, für die die Vermessung, wurde eine Systemkamera von Canon (EOS M3 mit 22mm Objektiv) und ein 3D Image Vector MONO verwendet. Als Softwarpaket kam PhotoScan von Agisoft zum Einsatz. Bemerkenswert ist der Anschaffungspreis der gesamten Ausrüstung (inkl. Software) von unter 10.000 €!

Vorbereitend zur Messung wurden am Objekt insgesamt 8 Strecken aus Punktepaaren markiert und eingemessen. Eine Bestimmung von Passpunkten erfolgte nicht. Um die bestmögliche Genauigkeit zu erreichen wurde für das Projekt der 3D Image Vector MONO verwendet. Mit diesem Gerät werden die Koordinaten der Aufnahmestandpunkte mit Hilfe einer RTK Lösung mit einer Genauigkeit von wenigen dm bestimmt. Hierfür wird die Basisstation des Image Vektor über einem Referenzpunkt aufgestellt und der entsprechende Rover auf dem Blitzschuh der Kamera platziert. Die Kommunikation zwischen Basis und Rover erfolgt beim Image Vector über eine lokale Funkstrecke.

Referenzpunkte zur Definition von Referenzstrecken

Um die Brücke als Ganzes zu modellieren wurden insgesamt rund 250 Aufnahmen erstellt. Dabei wurde auf eine ausreichende Überlappung zwischen den Aufnahmen geachtet. Soweit möglich wurde die Brücke von allen Seiten erfasst. Die Aufnahmen von unten auf die Konstruktion der Brücke konnten hierbei nur von den beiden Seiten aus gemacht werden. Ein Boot stand für die Erfassung nicht zur Verfügung. Durch Abschattungseffekte konnten die Aufnahmepositionen nicht für alle Standpunkte mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Hier zeigt sich jedoch ein entscheidender Vorteil der Photogrammetrie, es ist für eine Auswertung zwar notwendig genügend „gute“ Punkte verteilt über das Aufnahmegebiet zur Verfügung zu haben, Bilder ohne Orientierungswerte können jedoch mittels Verknüpfungspunkten in das System eingepasst werden. Zusätzlich werden die Referenzstrecken dazu verwendet, den korrekten Maßstab in das System einzubringen, womit einen Positionsgenauigkeit der Aufnahmestandpunkte im dm Bereich ausreichend ist. Bei den Strecken sollte darauf geachtet werden, dass sie möglichst alle Koordinatenrichtungen repräsentieren und über das gesamte Objekt verteilt werden.

Übersicht der Aufnahmestandpunkte

Die Auswertung der Bilddaten erfolgte mit Hilfe von PhotoScan von Agisoft weitestgehend automatisch. Es konnten alle Bilder zu einem Bildverband verbunden werden und so eine homogene Lösung erzeugt werden. Einzig die Referenzpunkte, aus denen die Referenzstrecken abgeleitet werden, mussten teilweise manuell erfasst werden. Als Ergebnis wurde eine Punktwolke der kompletten Brücke erzeugt und daraus mit Hilfe der Bilddaten weitere Produkte, wie Orthoansichten oder 3d Modelle, abgeleitet.

Punktwolke einer Brücke über den Isarkanal

Fazit:

Die photogrammetrische Erfassung von Infrastruktur Objekten ohne Passpunkte ist eine effiziente und kostengünstige Alternative zu den klassischen Vermessungsverfahren. Es ist möglich aus einem umfangreichen Bildverband ein konsistentes Modell zu erzeugen. Lediglich die Erfassung der Bereiche unter der Brücke ist nicht ohne weiteres Möglich und deshalb in der Punktwolke lückenhaft. Auch im Bereich der Fahrbahn ist teilweise nicht korrekt modelliert, hier zeigen sich die Nachteile der Schrägaufnahmen, wobei diese Nachteile durch Verwendung eines längeren Stabstativs, und damit höhere Standpunkte ausgemerzt werden könnten. Ebenso wäre es hier denkbar die terrestrische Erfassung durch eine Drohnenbefliegung zu ergänzen und so die Ansicht von oben zu optimieren. Der manuelle Arbeitsaufwand für das Projekt lag bei etwa 6 Stunden. Das fertige 3D-Modell der Brücke kann auf Sketchfab detailliert betrachtet werden.

Kanalbrücke über die Isar als 3D Modell auf Sketchfab

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