Wie funktioniert 3D-Mapping mit der Drohne? Photogrammetrie und Genauigkeit erklärt

Eine Drohne macht Fotos, und eine halbe Stunde später haben Sie ein 3D-Modell, in dem Sie messen können. Wer das zum ersten Mal sieht, hält es leicht für einen Trick. Das ist es nicht: Das Verfahren dahinter ist fast hundert Jahre alt, und die Rechenmethode lässt sich ohne mathematischen Hintergrund gut nachvollziehen.

Dieser Beitrag erklärt, wie es funktioniert und, wichtiger noch, welche Genauigkeit Sie erwarten können. Denn auf die Frage "wie genau ist eine Drohne?" gibt es keine einzige Antwort, und genau das trübt die meisten Gespräche darüber.

Photogrammetrie in einfachen Worten

Beginnen wir bei Ihren eigenen Augen. Sie nehmen Tiefe wahr, weil Sie zwei Augen haben, die die Szene aus leicht unterschiedlicher Position betrachten. Ihr Gehirn vergleicht diese beiden Bilder, sieht, wie weit sich jedes Objekt zwischen ihnen verschiebt, und leitet daraus die Entfernung ab. In der Nähe ist die Verschiebung groß, in der Ferne klein.

Photogrammetrie macht dasselbe, aber mit Hunderten Bildern statt mit zwei. Die Drohne fliegt ein Raster über das Gelände und nimmt unterwegs Fotos mit großzügiger Überlappung auf, üblicherweise etwa 70 bis 80 % in beiden Richtungen. Jeder Punkt am Boden erscheint dadurch auf Dutzenden Fotos, jedes Mal aus einem anderen Winkel.

Die Software sucht anschließend in all diesen Fotos nach wiedererkennbaren Punkten: einem Stein, einem Riss im Asphalt, einem Kornmuster im Sand. Ein solcher Punkt wird auf Dutzenden Fotos wiedergefunden, und aus den Verschiebungen zwischen all diesen Bildern lässt sich berechnen, wo dieser Punkt im Raum liegen muss. Gleichzeitig berechnet die Software, wo die Kamera zum Zeitpunkt jeder Aufnahme stand.

Das geschieht für Millionen Punkte gleichzeitig, in einer großen gemeinsamen Berechnung, in der sich alle Fotos und alle Punkte gegenseitig korrigieren. Heraus kommt eine Punktwolke: Millionen 3D-Punkte, die gemeinsam die Form des Geländes beschreiben. Daraus wird eine zusammenhängende Oberfläche erzeugt, und die Fotos werden darüber gelegt zu einem entzerrten Luftbild, einem Orthofoto.

Warum Überlappung und Flughöhe alles bestimmen

Zwei Einstellungen bestimmen nahezu die gesamte Qualität einer Messung: wie hoch Sie fliegen und wie stark sich die Fotos überlappen.

Die Flughöhe bestimmt die GSD, die Ground Sample Distance. Das ist schlicht, wie viele Zentimeter Gelände ein Pixel im Foto abdeckt. Fliegen Sie niedriger, wird die GSD kleiner und Sie sehen mehr Detail, brauchen aber mehr Fotos, und der Flug dauert länger. Als grobe Regel gilt: Ihre Genauigkeit wird nie viel besser als ein Vielfaches der GSD. Sie können nicht messen, was die Kamera nicht auflösen konnte.

In der Praxis fliegen wir zwischen 40 und 80 Metern Höhe. Auf 40 Metern ergibt das eine GSD von etwa 1 Zentimeter je Pixel. Höher zu fliegen geht schneller und deckt mehr Fläche je Flug ab, liefert aber eine gröbere GSD. Für Volumen, Höhen und Massenbilanz ist diese Marge mehr als ausreichend.

Die Überlappung ist der zweite Faktor und der am meisten unterschätzte. Jeder Punkt muss auf genügend Fotos erscheinen, um verlässlich berechnet zu werden. Zu wenig Überlappung erzeugt Löcher im Modell oder, schlimmer, ein Modell, das vollständig aussieht, aber örtlich verzerrt ist. Flache, gleichmäßige Oberflächen wie loser Sand oder eine frische Asphaltschicht brauchen viel Überlappung, weil es wenige wiedererkennbare Punkte zum Zuordnen gibt.

Zwei Arten von Genauigkeit, und das ist der Kern

Wenn eine Sache aus diesem Beitrag hängen bleibt, dann diese. Bei einem 3D-Modell gibt es zwei sehr verschiedene Arten von Genauigkeit, und sie werden ständig verwechselt.

Relative Genauigkeit betrifft die Verhältnisse innerhalb des Modells. Stimmen Abstände und Höhenunterschiede zwischen den Punkten untereinander? Das ist, was Sie für Volumen, Höhenunterschiede, Profile und den Vergleich zweier Messzeitpunkte brauchen.

Absolute Genauigkeit betrifft die Frage, ob das Modell an der richtigen Stelle der Erde liegt. Liegen die Lagekoordinaten in ETRS89/UTM und die Höhen über Normalhöhennull im DHHN2016 dort, wo sie hingehören? Das ist, was Sie für die Absteckung, für die Maschinensteuerung und für eine Abnahme mit Höhenbezug brauchen.

Und nun die Konsequenz, die häufig überrascht: Eine Volumenmessung kann ausgezeichnet sein, während das Modell als Ganzes um Meter neben der Wirklichkeit liegt. Liegt die gesamte Punktwolke drei Meter zu hoch, liegt der Fuß der Halde ebenfalls drei Meter zu hoch, und das Volumen dazwischen bleibt genau gleich. Volumen ist ein Verhältnis, keine Position.

Deshalb ist "wie genau ist eine Drohnenmessung?" eine unvollständige Frage. Die richtige Antwort beginnt mit: Wofür wollen Sie sie verwenden?

Ohne RTK, mit RTK und mit Passpunkten

Die absolute Genauigkeit hängt davon ab, wie gut Sie wissen, wo die Drohne zum Zeitpunkt jeder Aufnahme war. Dafür gibt es drei Stufen, und der Unterschied ist groß.

Ohne Korrektur nutzt die Drohne gewöhnliches GPS, dieselbe Technik wie Ihr Telefon. Genau genug zum Navigieren, nicht zum Vermessen. Mit RTK, Real Time Kinematic, empfängt die Drohne während des Fluges Korrekturdaten von einer Basisstation oder einem Netzdienst, in Deutschland zum Beispiel über SAPOS. Damit sind die Kamerapositionen bis auf Zentimeter bekannt. Ground Control Points, also eingemessene Passpunkte, sind markierte Punkte am Boden, die Sie mit einem klassischen Verfahren aufnehmen; die Software legt das Modell darauf fest und beseitigt damit auch systematische Verkippung und Verzerrung.

Die folgenden Werte sind Größenordnungen, die in der Praxis üblich sind. Sie hängen von Flughöhe, Kamera, Überlappung und den Bedingungen während des Fluges ab, lesen Sie sie also als Richtung und nicht als Spezifikation.

Es gibt eine Zwischenoption, die in der Praxis viel Arbeit erspart: eine Höhenkalibrierung auf einem einzigen bekannten Punkt. Sie nehmen einen Punkt auf, dessen Höhe Sie kennen, etwa einen Schachtdeckel oder einen früher eingemessenen Höhenbolzen, und setzen das Modell darauf. Das beseitigt die Höhenabweichung, ohne dass Sie einen vollständigen Satz Passpunkte auslegen müssen. Für viele Abnahmen genügt das.

Was bedeutet das für Volumen?

Mit den zwei Arten von Genauigkeit vor Augen wird sichtbar, woher die bekannte Fehlermarge von 1 bis 3 % bei einer Volumenmessung kommt. Sie wird nicht von der absoluten Lage des Modells bestimmt, sondern von drei anderen Dingen.

• Die relative Genauigkeit: wie gut die Form der Oberfläche erfasst wurde
• Die Definition der Oberfläche: ob loses Material, Maschinen oder Vegetation mitgerechnet oder entfernt wurden
• Die Bezugsfläche: wo Sie annehmen, dass der Fuß der Halde liegt, denn darunter können Sie nicht schauen

Der letzte Punkt ist in der Praxis oft die größte Fehlerquelle, und er hat nichts mit der Drohne zu tun. Liegt eine Halde auf einer ebenen Betonplatte, ist die Bezugsfläche eindeutig und die Messung scharf. Liegt sie in einer Mulde oder an einer Böschung, müssen Sie annehmen, wie der Boden darunter verläuft. Eine Urgeländeaufnahme der leeren Fläche, bevor das Material dort liegt, löst das.

Bei einer Chargenprüfung, bei der die Charge auf einer befestigten Fläche liegt und ihre Form vollständig sichtbar ist, landet die Volumenberechnung deshalb konsistent innerhalb von etwa 2 %.

Wann brauchen Sie was?

Als Faustregel: Für alles, was ein Verhältnis ist, genügt RTK. Für alles, was eine Position ist, brauchen Sie mehr.

• Haldenvolumen, Fortschritt, Massenbilanz, Höhenunterschiede und Profile: RTK genügt in der Regel
• Höhen über Normalhöhennull für eine Abnahme: eine Höhenkalibrierung auf einem bekannten Punkt oder Passpunkte
• Maschinensteuerung und Absteckung: Passpunkte, und auch dann im Zusammenspiel mit Ihrem RTK-GNSS
• Katastergrenzen und rechtliche Absteckung: keine Drohnenarbeit, sondern die Aufgabe eines Vermessungsbüros beziehungsweise ÖbVI

Was Photogrammetrie nicht kann

Das Verfahren hat einige harte Grenzen, und die sollte man kennen, bevor man einen Flug plant.

• Wasser. Eine Wasserfläche spiegelt und bewegt sich, es gibt also keine festen Punkte zum Zuordnen. Pfützen und Gräben werden zu Rauschen im Modell
• Dichte Vegetation. Die Kamera sieht die Oberseite des Bestands, nicht den Boden darunter. Für Geländehöhen unter Gras oder Gebüsch ist Photogrammetrie das falsche Verfahren; dafür gibt es Lidar
• Gleichmäßige oder spiegelnde Oberflächen. Frischer Asphalt, sauberer Beton oder ein glattes Sandbett haben wenig wiedererkennbare Struktur, was die Punktzuordnung erschwert
• Bewegte Objekte. Ein Lkw, der während des Fluges fährt, erscheint auf verschiedenen Fotos an verschiedenen Stellen und erzeugt Verzerrung. Stehende Maschinen und Container kommen sauber ins Modell, sitzen dann aber in Ihrem Volumen und müssen entfernt werden
• Überhänge. Photogrammetrie aus der Luft erfasst, was von oben sichtbar ist. Eine Auskragung oder ein Hohlraum unter einem Überhang ist nicht enthalten

Für offene Gelände mit Schüttgut oder Erdbau sind das selten blockierende Einschränkungen. Für ein Gelände voller Wasser und dichter Vegetation lohnt es sich, sie vorab zu kennen.

Worauf Sie bei der Beurteilung eines Angebots achten sollten

Wer eine Drohnenmessung einkauft oder ein System erwägt, kommt mit wenigen Fragen weit:

• Wird eine Genauigkeit genannt, ohne zu sagen, ob sie relativ oder absolut ist? Dann lässt sich die Zahl nicht beurteilen
• Ist die Genauigkeit durch eine Kontrollmessung auf unabhängig eingemessenen Punkten belegt, oder ist es eine Angabe aus einem Prospekt?
• In welchem Koordinaten- und Höhensystem wird geliefert, und ist das vorab abgestimmt? In Deutschland üblicherweise ETRS89/UTM und DHHN2016
• Wird die Messung auf dieselbe Weise wiederholt? Nur dann lassen sich zwei Messungen vergleichen, und das ist die Grundlage für Fortschritt und Bestandsdifferenzen

So machen wir das

Alles oben Genannte ist genau der Grund, warum wir AiroMap als ein Ganzes gebaut haben und nicht als einzelne Bausteine. Flughöhe, Überlappung und Flugmuster werden automatisch aus dem von Ihnen markierten Gebiet berechnet, sodass die Einstellungen, die die Qualität bestimmen, nicht etwas sind, das Sie selbst richtig hinbekommen müssen.

Je nach Anwendung fliegt die Drohne mit RTK, was für die meisten täglichen Messaufgaben ausreicht. Für Projekte, in denen die absolute Höhe zählt, gibt es einen stark automatisierten Ablauf für Passpunkte, und eine Höhenkalibrierung auf einem bekannten Punkt für die Fälle dazwischen. Die Verarbeitung läuft in der Cloud, es liegt also keine Photogrammetrie-Software auf Ihrem Laptop, und es braucht keine Fachkraft, um ein Modell zu rechnen.

Das ist der Kern unserer Sichtweise: Photogrammetrie ist ein Fachgebiet, aber das Vermessen einer Halde oder einer Baustelle muss keines sein. Die Technik aus diesem Beitrag steckt unter der Haube, damit Ihre eigenen Leute nach einer halben Tagesschulung messen und dem Ergebnis vertrauen können.