Drohnen im Einsatz: Automatisierte Vermessungslösungen

Messen mit der Drohne – wie funktioniert das?

Drohnen können problemlos automatisiert fliegen und vordefinierte Flugpläne abfliegen. Während des Fluges nimmt die Hauptkamera der Drohne Fotos aus verschiedenen Blickwinkeln auf. Zusätzliche optische Sensoren überwachen ständig die Umgebung und stoppen den Flug automatisch, falls ein unerwartetes Hindernis auftaucht. Der Pilot behält die Umgebung im Blick, überwacht den Akkustand und greift nur dann manuell ein, wenn es erforderlich ist.

Für einen solchen Flugauftrag genügt es in der Regel, den gewünschten Flugort und die Flughöhe auf einer Karte festzulegen. Die Software berechnet dann selbständig die notwendigen Parameter wie Bildüberlappung, Abstand der Flugbahnen und erforderliche Aufnahmewinkel. Dadurch wird die Datenerfassung sehr benutzerfreundlich und kann ohne spezielle Vorkenntnisse durchgeführt werden. Die Bedienung ist ähnlich intuitiv wie bei einem Smartphone. Dank der stetigen Weiterentwicklung der Flugplanungssoftware, einschliesslich Variantenanpassungen und der Berücksichtigung topografischer Gegebenheiten vor Ort, können heute komplexe Wegpunktmissionen mit nur wenigen Klicks erstellt werden. Dies macht den Einsatz von Drohnen zur Vermessung von Aussenbereichen äusserst effizient und wirtschaftlich.

Handwerker und Planer, die bisher bei Wind und Wetter auf Objekte klettern mussten, um Messungen vorzunehmen, können diese Arbeiten künftig bequem am Computer oder Tablet durchführen, nachdem das Objekt modelliert wurde. Kein Detail wird vergessen, ein zweiter Aufbruch zum Messen entfällt. Ebenso wird vermieden, dass ein Bauteil oder eine Installation nicht passt, weil ein unberücksichtigtes Hindernis im Weg ist. Das spart Zeit, Geld und Nerven und reduziert typische Risiken wie Unfälle durch Unachtsamkeit.

Das Messverfahren mit Drohnen basiert auf dem Prinzip der Photogrammetrie. Dieses wissenschaftliche Verfahren, kombiniert mit moderner Technik, ermöglicht es, aus Fotografien (insbesondere Luft- oder Satellitenbildern) präzise Informationen über die Form und Position von Objekten auf der Erdoberfläche zu gewinnen. Dabei werden Fotos genutzt, um Entfernungen, Höhen und geometrische Formen zu rekonstruieren, häufig in Form von 3D-Modellen oder Karten. Obwohl die Grundlagen der modernen Photogrammetrie bereits im 19. Jahrhundert gelegt wurden, machen heutige Technologien deren Anwendung für alle zugänglich.

Wie genau sind solche Drohnenmessungen?

Die Genauigkeit von Drohnenmessungen ist ein spannendes Thema, das eng mit den Erwartungen an die Messergebnisse zusammenhängt. Grundsätzlich wird zwischen «relativer Genauigkeit» und « absoluter Genauigkeit» unterschieden. Für beide Arten ist entscheidend, welche Ground Sampling Distance (GSD) erzielt beziehungsweise benötigt wird.

GSD ist ein Begriff aus der Fernerkundung und beschreibt die tatsächliche Grösse eines Bildpunktes (Pixel) auf der Erdoberfläche, die durch ein Luftbild oder ein anderes Fernerkundungsverfahren erfasst wurde. GSD wird üblicherweise in Zentimetern pro Pixel angegeben. Ein niedriger GSD-Wert (z. B. 0,5 cm) bedeutet, dass ein einzelnes Pixel eine sehr kleine Fläche abbildet, wodurch die Bildauflösung entsprechend hoch ist.

Wenn beispielsweise Bilder mit einer GSD von 1 cm aufgenommen werden, entspricht jeder Pixel 1 cm der Erdoberfläche. Ein Modell mit dieser Auflösung hat eine Genauigkeit von etwa ±2 cm, da beim Messen potenziell um jeweils einen Pixel daneben geklickt werden könnte. Drohnen erreichen diese Genauigkeit üblicherweise bei einer Flughöhe oder einem Abstand von 37 Metern zum Objekt. Unabhängig davon, ob eine relative oder absolute Genauigkeit angestrebt wird, ist die Auflösung des Modells ein zentraler Faktor.

Was ist der Unterschied zwischen relativer und absoluter Genauigkeit?

Eine Drohne navigiert automatisch auf Basis eines Flugplans, der in einem Geographic Coordinate System (GCS), meist WGS84, definiert wird. Für die Navigation nutzt die Drohne Satellitensignale, deren Genauigkeit unter freiem Himmel bei 5–10 Metern liegen. Für eine relative Modellierung ist diese Abweichung unproblematisch – solange alle Bilder dieselbe Differenz aufweisen. Bei mehreren Flügen für ein und dasselbe Modell kann dies jedoch zu Versätzen führen.

Für eine höhere Genauigkeit kommen sogenannte Referenzstationen zum Einsatz. Diese Netzwerke an lokalen «Fix-Stationen» bieten Korrekturdaten an, um die Positionsgenauigkeit zu verbessern. Eine Referenzstation in der Geodäsie (die Wissenschaft, die sich mit der Vermessung und Darstellung der Erdoberfläche beschäftigt) unterstützt, indem sie kontinuierlich GPS-Signale empfängt und ihre eigene exakte Position kennt. Sie vergleicht die empfangenen Signale mit ihrer bekannten Position und ermittelt so Fehlerquellen wie ionosphärische Störungen oder Mehrwegeffekte. Die Korrekturdaten werden in Echtzeit an mobile Systeme über das Internet übertragen.

Drohnen können diese Informationen nutzen und das Prinzip Real-Time Kinematic (RTK) anwenden, um ihre Fluglage auf 2–3 Zentimeter zu korrigieren. Dies ermöglicht nicht nur eine wiederholbare Genauigkeit der Mission, sondern führt auch zu präzisen Modellen mit absolut korrekter Lage.

Können diese Modelle in einem definierten Bezugsrahmen ausgegeben werden?

Die Herausforderung besteht je nach Projektionsrahmen darin, die Höhe aus dem GCS in das gewünschtes Projected Coordinate System (PCS) umzurechnen. In der Schweiz ist dies bei LN02 wegen der nicht linearen Umrechnung "HTRANS" leider etwas schwieriger als in anderen Ländern.

• GCS (Geographic Coordinate System): Verwendet geografische Koordinaten (Breiten- und Längengrade), um Positionen auf der kugelförmigen Erdoberfläche zu beschreiben.
• PCS (Projected Coordinate System): Projiziert geografische Daten auf eine flache Oberfläche, z. B. mithilfe des UTM-Systems (Universal Transverse Mercator).

Zusammengefasst beschreibt eine GCS-Position auf der gekrümmten Erde, während ein PCS diese Positionen auf einer flachen Karte oder Ebene darstellt. Um solche Umrechnungen zu kontrollieren, empfiehlt sich bei grösseren Modellen die Verwendung von Ground Control Points (GCP) oder Checkpoints. Diese Referenzpunkte erfordern zusätzliches Vermessungsequipment und deren Lagerichtigkeit werden in einem abschliessenden Qualitätsbericht dokumentiert. Zudem ermöglichen Ground Control Points die Systemkalibrierung (z.B. die Optik der Kamera) im Nachhinein zu verbessern und damit die Genauigkeit des Systems weiter zu erhöhen.

Fazit

Die Präzision und Genauigkeit von Drohnenaufnahmen sowie Modellen hängt von vielen Faktoren ab. Die Wahl der Auflösung, der Einsatz von Referenzstationen und die Nutzung von Ground Control Points sind entscheidend für die Qualität der Ergebnisse. Moderne Technologien wie Real-Time Kinematic (RTK) und die korrekte Umwandlung zwischen geografischen und projizierten Koordinatensystemen ermöglichen die Erstellung von Modellen, die sowohl relativ als auch absolut präzise sind. Automatisierte Drohnenflüge, die auf Basis eines definierten Flugplans und Satellitensignalen navigieren, erlauben eine effiziente und wiederholbare Datenerfassung. Dadurch eröffnen sich vielfältige Anwendungsbereiche, von der genauen Vermessung bis hin zur detaillierten Modellierung komplexer Objekte, und machen die Arbeit in diesem Bereich sowohl spannend als auch innovativ.