Werden die DJI Matrice 300 RTK und die Zenmuse P1 die neuen Industriestandards für Vermessung und Kartierung? “Altametris”, ein SNCF-Tochterunternehmen (Französische Bahngesellschaft) und Pionier auf dem Gebiet der Datenerfassung, -verarbeitung und -analyse, ist, nachdem es einige strenge Branchentests durchlaufen hat, davon absolut überzeugt.
Einsatz von Drohnen, um Vermessungsoperationen auf die nächste Stufe zu heben
Am Morgen des 4. Januar 2021 traf ein Drohnenspezialist aus “Altametris” auf einem Abschnitt der SNCF-Bahn ein, um verschiedene Vermessungsmethoden zu testen und zu vergleichen. Um Ergebnisse mit einer Genauigkeit von 3 cm zu erhalten, mussten in der Vergangenheit etwa 40 Bodenkontrollpunkte (GCPs) pro Quadratkilometer eingerichtet werden – eine zeitaufwändige Übung, die mehrere Stunden dauern würde. Die alternative Möglichkeit wäre die Verwendung eines hochpräzisen Tachometers gewesen, aber auch dies würde immer noch doppelt so lange dauern.
Wie “Altametris” früher eine Bahnstrecke kartierte und vermisste: GCPs werden durch Platten mit schwarz-weißem Schachbrettmuster markiert. Die Koordinaten des Zentrums dieser Platten wurden mit dem GPS Spectra GNSS Empfänger aufgenommen. (Bildnachweis: “Altametris”)
Both these techniques also require the in-person handling of equipment on and around the railway tracks, which not only poses certain risks for the operator but also takes a lot of time and effort as the complex railway terrain is also extremely difficult to map accurately. Time and safety are essential factors for a successful surveying operation, which is why innovative surveying methods can lead to a considerable competitive advantage.
Beide Techniken erfordern auch den persönlichen Umgang mit Geräten auf und um die Bahngleise, was nicht nur gewisse Risiken für den Betreiber birgt, sondern auch viel Zeit und Mühe erfordert, da das komplexe Bahngelände auch äußerst schwierig genau abzubilden ist. Zeit und Sicherheit sind wesentliche Faktoren für einen erfolgreichen Vermessungsbetrieb, weshalb innovative Vermessungsmethoden zu einem erheblichen Wettbewerbsvorteil führen können.
Vermessungsarbeiten bergen oft erhebliche Sicherheitsrisiken für die Mitarbeiter. Mit der Drohnen-Vermessungs- und Kartierungslösung von DJI müssen sie sich nicht mehr auf den Gleisen bewegen. (Bildnachweis: “Altametris”)
Deshalb wollte “Altametris” die DJI Matrice 300 RTK und die Zenmuse P1 Nutzlast testen. Angesichts der umständlichen herkömmlichen Methoden erhoffte sich das Unternehmen durch den Einsatz einer Drohnen-Vermessungslösung große Effizienz- und Sicherheitsgewinne. Durch das eingebaute RTK-Modul und die große Menge an Metadaten, die intelligent mit der Mittenposition des Vollformatsensors der Zenmuse P1 verknüpft ist, konnte die Anzahl der GCPs technisch auf null reduziert werden. “Altametris” entschied sich jedoch für die Einrichtung von sechs GCPs zu Qualitätskontrollzwecken, was die Vorbereitungszeit für die Operation noch immer um mehrere Stunden verkürzte.
Herkömmliche Vermessungs- und Kartierungsalternativen erfordern normalerweise 2-3 Mitarbeiter im Vergleich zu nur 1 Drohnenbediener, was zu Kosteneinsparungen führt. (Bildnachweis: “Altametris”)
Ein Lichtblick bei schwachem Licht
Während die DJI Matrice 300 RTK den Grundstein für eine luftgestützte Kartierungs- und Vermessungslösung legt, heben die Nutzlast Zenmuse P1 und ihr Vollformatsensor den Betrieb auf die nächste Stufe.
An dem Tag, an dem das Gelände kartiert werden sollte, war das verfügbare Licht sehr ungünstig, weshalb zunächst sechs (6) GCPs eingerichtet wurden. Nachdem alles vorbereitet war, wurde auf dem Drohnen-Controller der abzufliegende Bereich ausgewählt und die DJI Matrice 300 RTK mit der Zenmuse P1-Nutzlast gestartet. Innerhalb von 20 Minuten machte die Zenmuse P1, die über einen mechanischen Verschluss bis zu 1/2.000* – 1 s verfügt, an jedem Kontrollpunkt automatisch aus bis zu fünf verschiedenen Blickwinkeln (vorne, links, rechts, oben und hinten) insgesamt 641 Bilder.
Die DJI Matrice 300 RTK lässt sich leicht in ihrem Koffer transportieren. Die Bereitstellung dauert nur wenige Minuten. (Bildnachweis: “Altametris”)
Das Generieren dieser großen Datenmenge in so kurzer Zeit wird durch den Smart Oblique Capture-Modus der Zenmuse P1-Nutzlast ermöglicht. Die Kamera neigt und dreht sich automatisch an jedem Kontrollpunkt, um umfassende Bilder aus jedem Blickwinkel aufzunehmen. Diese Funktion in Verbindung mit den vorgeplanten Flugrouten ermöglicht es dem Betreiber, auf Knopfdruck eine komplette Drohnenkartierung in sicherer Entfernung durchzuführen. Und genau das tat der Drohnen-Operator, obwohl die Lichtverhältnisse nicht optimal waren.
Zur positiven Überraschung von “Altametris” beeinträchtigte das schwache Licht die Bildqualität überhaupt nicht. Stattdessen produzierte die Zenmuse P1 dank ihres Vollformatsensors unglaublich genaue Daten. Die Bilder zeigten keinerlei Rauschen, was kritisch war, da in einer so großen Höhe ein größerer Bodenprobenabstand und sogar ein paar Pixel Rauschen mehreren Zentimetern auf dem Boden entsprechen würden und daher die Genauigkeit des endgültigen Modells stark beeinträchtigen würden.
DJI Terra Software für Drohnenvermessung und Photogrammetrie
Im nächsten Schritt wurden die 641 Bilder in die Terra-Software von DJI importiert, um das endgültige 3D-Modell zu erstellen. Dies wird erreicht, indem die Software durch Abgleichen der Pixel der einzelnen Bilder automatisch eine Punktwolke aus den Bildern generiert. Die Punktwolke dient als Grundlage für das 3D-Mesh, das später in das endgültige 3D-Modell gerendert wird.
Die aus der P1 erzeugte Punktwolke enthält nur geringes Rauschen. Auch die Stromleitungen sind zu sehen. (Bildnachweis: “Altametris”)
(Bildnachweis: “Altametris”)
Bahnstrecke-Punktwolke (Image credit: Altametris)
(Bildnachweis: “Altametris”)
Das Paket aus Matrice 300 RTK + Zenmuse P1 bietet die Qualität und Zeitersparnis, um die immer anspruchsvolleren Anforderungen der Photogrammetrie zu erfüllen. - Quentin Leemesle, “Altametris”
Dieser gesamte Prozess ist automatisiert, was ihn auch für unerfahrene Benutzer in den Bereichen Drohnenvermessung und Photogrammetrie sehr zugänglich macht. Die Punktwolke kann natürlich manuell angepasst werden, um irrtümlicherweise aufeinander abgestimmte Punkte zu korrigieren. Bei “Altametris” wurden die Pixel perfekt aufeinander abgestimmt, sodass sofort die 3D-Modellierung gerendert werden kann. In weniger als zwei Stunden war das Modell fertig und konnte analysiert werden.
Ein riesiger Sprung von der Satelliten- zur Drohnenvermessung
Obwohl die Satelliten, die für die GCP- und Tachymeter-Methoden verwendet werden, in der Exosphäre der Erde kreisen, sind sie durch Triangulationstechniken äußerst genau. Diese Genauigkeit zu erreichen, ist eine große Herausforderung für jede alternative Kartierungs- und Vermessungsmethode. “Altametris” konnte die Genauigkeit der Drohnenkartierungsergebnisse direkt mit der Genauigkeit der Kontroll-GCPs sowie den Ergebnissen früherer Kartierungsoperationen am selben Standort vergleichen.
Die Ergebnisse der DJI Matrice 300 RTK mit der Zenmuse P1-Nutzlast waren auf etwa 2 cm genau, was der Millimetergenauigkeit des Tachos sehr nahe kommt und mit der zwei bis drei Zentimeter Genauigkeit der GCP-Methode vergleichbar ist.
Berücksichtigt man jedoch die enormen Datenmengen, die die DJI-Drohne in kürzester Zeit erfasst, ist die Genauigkeit beispiellos. Dies ermöglicht die Erstellung hochdetaillierter Modelle großer Flächen in kurzer Zeit.
Der Flug- und Kartierungsprozess, der von “Altametris” zur Vermessung der Eisenbahnstrecke verwendet wird.
Darüber hinaus mit DJI Drohnenvermessung
“Altametris” prognostiziert, dass der Bedarf an genauen Daten im großen Maßstab immer wichtiger wird, da immer mehr analoge Anlagen digitalisiert und untersucht werden. Auf der Suche nach der perfekten Lösung hierfür bilden drei Hauptfaktoren die Grundlage der Bewertung:
- Genauigkeit
- Geschwindigkeit
- Kosten
Laut Maxence Trogneux von „Abot“, einem französischem Distributor für professionelle Drohnen, bringt die Drohnen-Mapping-Lösung von DJI diese Trias von Anforderungen am besten in Einklang, wenn es um groß angelegte Vermessungs- und Kartierungsoperationen geht.
Die intelligente Verknüpfung verfügbarer Metadaten, wie Position und Höhe, unter Verwendung des RTK-Positionierungsmoduls (GPS L1 L2, GLONASS L1 L2, BeiDou B1 B2 und Galileo E1 E5a), der aus dem „Smart Oblique Capture“-Modus eingestellten Kamerawinkel und aufgenommene GPS-Mitteposition kombiniert mit dem Sensor sorgen für unglaublich genaue Drohnenvermessungsergebnisse und sind dabei bis zu 15-mal schneller und auch sicherer als herkömmliche Vermessungs- und Kartierungsmethoden.
Mit einem Preis von ca. 12.700€ für die DJI Matrice 300 RTK ist sie sogar noch günstiger als die von „Altametris“ verwendeten GCPs + Spectra GNSS-Empfänger, wobei, vielleicht noch wichtiger, in Bezug auf die kartierbare Flächengröße praktisch keine Grenzen gesetzt sind . Auch wenn die 55 Minuten Flugzeit nicht ausreichen, um ein bestimmtes Gebiet abzudecken, ermöglicht die integrierte Funktion zur Wiederaufnahme der Flugoperation Drohnenvermessern, ihren Betrieb nach einem Batteriewechsel nahtlos fortzusetzen.
Vergleich der beiden (2) Vermessungs- und Kartierungsalternativen GNSS und Tacheometer mit DJI Matrice 300 RTK mit Zenmuse P1.
Vergleich der verschiedenen Vermessungsmethodenparameter zwischen DJI-Vermessungslösungen, Foto-/Videodokumentation und einem vermessungsgerechten Scanner.
Für „Altametris“ sind Zeit- und Kosteneinsparungen sehr wichtige Faktoren – DJI führt die Aufgabe bis zu 15-mal schneller und vier Mal billiger als die Alternativen aus, um eine Drohnen-Vermessungslösung zu implementieren. Sie sind jedoch nicht die einzige wichtige Errungenschaft einer solchen Lösung:
Auch für die Betreiber ist die Standortsicherheit ein wichtiges Anliegen. Dies wird massiv verbessert, indem alle Daten aus sicherer Entfernung zu möglichen Sicherheitsrisiken gesammelt werden können, darunter die aktuelle COVID-Pandemie, die bei der persönlichen Besichtigung überfüllter Standorte wie Gebäude ein Risikofaktor sein kann.
Die DJI Matrice 300 RTK ist nicht nur ein Werkzeug zum Sammeln von Informationen über zu vermessende Standorte. Es geht darüber hinaus, indem es den Kartierungsprozess in nahezu jeder Hinsicht durch erhöhte Sicherheit, Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Automatisierung verbessert und so eine beispiellose Lösung liefert, die sich schnell als neuer Industriestandard in der Vermessung und Kartierung etabliert.
