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P. Glira:
"Direkte Georeferenzierung von Bildern eines unbemannten Luftfahrzeuges mit LowCost-Sensoren";
Supervisor: C. Briese, N. Pfeifer; Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, 2012; final examination: 2012-03-30.

Unbemannte Luftfahrzeuge (unmanned aerial vehicles - UAV) stellen für die Aufnahme von kleinräumigen Gebieten eine kostengünstige Alternative zur klassischen bemannten Luftbildphotogrammetrie dar. Sie werden bereits seit den 80er Jahren zu photogrammetrischen Zwecken eingesetzt. Vor allem die Miniaturisierung von Sensoren, die Entwicklung digitaler Kameras und der Aufbau von globalen Navigationssystemen führten in den letzten Jahren zu einem erneuten Aufschwung von UAVs in der Photogrammetrie.

Die Hauptziele dieser Arbeit waren (1.) die Erprobung eines zu photogrammetrischen Zwecken einsetzbaren UAVs und (2.) die direkte Georeferenzierung der damit aufgenommenen Fotos. Unter "direkter Georeferenzierung" versteht man die Bestimmung von Position und Orientierung der Fotos durch die ausschließliche Nutzung von Sensoren, die sich an Bord des UAV befinden.

Die entwickelte Aufnahmeplattform basiert auf einem kostengünstigen Quadrokopter des OpenSource-Projektes "MikroKopter". Diese Plattform ist mit einem GNSS-Empfänger, einer IMU, ein Magnetometer und einem Luftdrucksensor ausgestattet. Ein automatisierter Flugmodus ermöglicht die lückenlose Erfassung des Aufnahmegebietes. Um den photogrammetrischen Anforderungen gerecht zu werden, waren etliche software- und hardwareseitige Anpassungen erforderlich. Zur Bilderfassung wurde eine handelsübliche Kompaktkamera eingesetzt. Die Elemente der inneren Orientierung der Kamera wurden durch eine Testfeldkalibrierung bestimmt.

Die direkte Georeferenzierung der Fotos konnte durch die Integration aller zur Verfügung stehenden Sensoren realisiert werden. Für die Orientierungsbestimmung fand dabei eine für kostengünstige Sensoren angepasste Variante der Strapdown-Rechnung Anwendung. Essentielle Voraussetzung war die optimale Synchronisation aller Sensormessungen. Aufgrund der vergleichsweise geringen Messgenauigkeit der Sensoren, war zudem eine ausführliche Fehlerbetrachtung notwendig.

Nach Durchführung mehrerer Indoor-Experimente wurde ein (aus 24 Punkten bestehendes) Passpunktfeld eingerichtet. Mehrere Anläufe waren notwendig um schließlich mit dem konstruierten UAV 125 Fotos dieses Passpunktfeldes aufzunehmen. Jene 84 Fotos, in denen eine ausreichende Anzahl von Passpunkten abgebildet ist, konnten durch die Berechnung einer Bündelblockausgleichung unabhängig indirekt georeferenziert werden. Die Differenzbildung zu den dadurch erhaltenen Positions- und Orientierungswerten ermöglichte eine quantitative Qualitätsbeurteilung der direkten Georeferenzierung. Die dabei ermittelten Standardabweichungen der Differenzen sind für Roll- und Nickwinkel <1°, für Gierwinkel ≈2°, für die Lagekoordinaten ≈0.5m und für die Höhenkoordinate <1m. Zur direkten Georeferenzierung, durch Integration aller aufgezeichneten Sensormesswerte, wurde das Programm "MK@IPF" entwickelt.

Der theoretische Teil der Arbeit enthält einen Überblick zum Einsatz von UAVs in der Photogrammetrie (Kap.1), die Grundlagen der Trägheitsnavigation (Kap.2), die Funktionsweise und Fehlerbetrachtung von MEMS-Sensoren (Kap.3) und die Theorie zur Kamerakalibrierung (Kap.4). Der Anwendungsteil enthält eine Beschreibung des eingesetzten UAVs (Kap.5), die Datensynchronisation (Kap.6), die durchgeführte Kamerakalibrierung (Kap.7), die Ergebnisse der Indoor-Experimente (Kap.8) und der Flugauswertungen (Kap.9) sowie eine Beschreibung des Programmes "MK@IPF" (Kap.10). Das letzte Kap.11 beinhaltet eine Zusammenfassung der Arbeit und einen Ausblick.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_207408.pdf