Neue und verbesserte Software zur Drohnenkartierung

Für seine Dissertation hat ein Doktorand der EPFL die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Drohnenkartierung verbessert – eine Technik, die in vielen Bereichen der Gesellschaft immer mehr an Bedeutung gewinnt.
Drohnengestützte Luftbildfotogrammetrie. © E.Cledat / TOPO / EPFL

Die genauere Kartierung von Drohnen ist eines der Ziele des Labors für Geodätische Ingenieurwissenschaften (Topo), das von Bertrand Merminod innerhalb der Fakultät für Architektur, Bauwesen und Umwelttechnik (ENAC) der EPFL geleitet wird. Drohnen sind nicht nur Spielzeug für grosse und kleine Kinder – sie dienen auch vielen praktischen Zwecken. Sie können zur Überwachung von Dämmen und Eisenbahnen eingesetzt werden, um Unfälle zu verhindern, oder um digitale 3D-Kopien historischer Denkmäler zu erstellen, falls diese versehentlich oder absichtlich zerstört werden. Sie können auch Bilder von einer Jahreszeit zur nächsten aufnehmen, um die Bodenerosion zu messen.

"Es ist sehr wichtig, so genau wie möglich zu sein", sagt Emmanuel Cledat, der gerade seine Doktorarbeit im Topo-Labor abgeschlossen hat. "Wenn es so aussieht, als ob sich eine Klippe über den Winter leicht bewegt hätte, muss man in der Lage sein zu erkennen, ob es sich um eine echte topografische Veränderung oder nur um einen Fehler in der Georeferenzierung handelt. Cledat hat die letzten vier Jahre damit verbracht, Software zu entwickeln, die in der Lage ist, Daten, die von in Drohnen eingebetteten Sensoren erfasst werden, genau zu verarbeiten. Für einen Artikel über sein Dissertationsprojekt erhielt er den Best Young Author Award 2020 von der International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS).

Flugzeuge und Hubschrauber, die zur Kartierung verwendet werden, sind im Allgemeinen mit vier Arten von Sensoren ausgestattet: einem GPS (oder GNSS) und einer Trägheitsmesseinheit (IMU), die die Position und Orientierung des Fahrzeugs bestimmen, einer Kamera und einem LIDAR-Laserscanner, der Entfernungen misst, indem er die Zeit aufzeichnet, die der Laserstrahl benötigt, um vom Scanner zum Objekt und wieder zurück zu gelangen.

Ein miniaturisiertes, hybrides Gerät

Bis vor kurzem konnten LIDAR-Laserscanner bis zu 10 Kilo wiegen. Das Topo-Labor war zusammen mit dem EPFL-Spin-off Helimap System SA Pioniere bei der Entwicklung von Luftbildkartensystemen mit Helikoptern, die schwere Geräte wie einen LIDAR-Scanner und eine IMU in Navigationsqualität tragen können. In den letzten Jahren haben sich jedoch sowohl Fachleute aus der Industrie als auch Forschende darauf konzentriert, diese Messgeräte viel kleiner zu machen. Cledat war in der Lage, die Daten, die von miniaturisierten, in eine Drohne eingebetteten Sensoren (GNSS, LIDAR, IMU und Kamera) erfasst werden, so zu hybridisieren, dass die resultierende Karte fast so genau ist wie die mit einem Hubschrauber gewonnenen Daten. Eine auf Drohnen basierende Kartierungstechnik ist eine umweltfreundlichere und für schwer zugängliches Gelände geeignetere Alternative.

Als Teil seiner Dissertation kalibrierte Cledat jeden Sensor sorgfältig, um ihn so effektiv und zuverlässig wie möglich zu machen. Dazu benutzte er die Kalibrierfelder des Labors in der Nähe von Vufflens-la-Ville im Kanton Waadt. Für seine Arbeit zur Kamerakalibrierung erhielt er den ISPRS-Preis. Die von ihm entwickelte Software für die Bündelausgleichung dient der Gegenprüfung der Messungen, um sie alle gleichzeitig zu korrigieren. Das Ergebnis ist ein genaues Bild des Gebietes sowie der Position und Orientierung der Drohne. Die Software von Cledat wird im Rahmen eines weiteren Dissertationsprojekts im Labor weiterentwickelt.

Cledat plant, für den nächsten Schritt in seiner Karriere auf die Erde zurückzukehren. Sein bevorstehendes Projekt wird Menschen helfen, die dem Radfahren in der Stadt misstrauen. Er will Fahrräder mit Minisensoren für Drohnen sowie mit Lärm- und Luftqualitätssensoren ausstatten. Mit den gesammelten Daten wird er den Stadtverkehr kartieren und potenzielle Risiken für Radfahrer quantifizieren, damit die Strasseninfrastruktur und lokale Kampagnen zur Verkehrssicherheit entsprechend angepasst werden können. Fortsetzung folgt.

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Geodetic Engineering Laboratory

Literaturhinweise

Emmanuel Cledat, “On the adjustment, calibration and orientation of drone photogrammetry and laser-scanning”, thèse sous la direction de Jan Skaloud et Davide Antonio Cucci, EPFL, mai 2020. 

Emmanuel Cledat, Davide Antonio Cucci, Jan Skaloud, “Camera calibration models and methods in corridor mapping with UAVs”, ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLIII, 2020.

E. Cledat, J. Skaloud, “Fusion of Photo with Airborne Laser Scanning” ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLIII, 2020. 

E. Cledat, D. A. Cucci, “Mapping GNSS restricted environments with a drone tandem and indirect position control” ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. IV-2/W3, pp. 1–7, 2017.