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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Einfluss optischer Eigenschaften auf die Genauigkeit terrestrischer „Structure from Motion (SfM)“-Modelle"

Fortschritte in der Software, höhere Rechenleistungen und rasante Entwicklungen bei kleinen unbemannten Luftfahrtsystemen, besser bekannt als UAV, lassen die Erstellung von digitalen Geländemodellen (DTM) mit Hilfe des Structure from Motion (SfM) Verfahrens immer attraktiver werden. Die Hauptvorteile liegen in der Möglichkeit des spontanen Einsatzes und dem geringen Aufwand vor Ort. Im Vergleich zu gängigen Methoden ist die Datenerfassung schneller, sicherer und zugänglicher, da man sich nicht direkt am Gewässer befinden muss. Dies macht gerade die Nutzung an Gewässern mit Hilfe von Multikoptern sehr interessant. Die Bildakquisition ist dabei meist nicht so trivial, wie sie im ersten Moment scheint. Der Nutzer ist mit einer Vielzahl an Möglichkeiten bei der Wahl der Kameraeinstellungen und der Flugeinstellungen konfrontiert. Da das Post-Processing meist lange Rechenzeiten von mehreren Stunden bis Tage benötigt, ist ein Live-Ergebnis vor Ort nicht darstellbar. Die Probleme bei der Datenaufnahme sind daher erst Tage später im Büro erkennbar. Ziel dieser Arbeit ist es einen Leitfaden für gängige Einstellungen und Flugparameter zu entwickeln. Anhand optimaler Parameter kann so die Qualität der SfM-Modelle erhöht werden und auch bei unterschiedlich äußeren Faktoren gleichbleibend gehalten werden. Dazu werden Testflüge mit verschiedenen Einstellungen über demselben Gebiet durchgeführt und die Bildergebnisse hinsichtlich ihrer Eigenschaften und vor allem hinsichtlich ihrer Eignung auf das SfM-Verfahren untersucht. Es stellt sich heraus, dass die Verwendung des Teleobjektives mit 60 mm Brennweite starke Probleme verursacht. Diese Bilder zeichnen sich durch eine starke Schärfen-Inhomogenität innerhalb des einzelnen Bildes aus. Die Verwendung des Normalobjektives mit 30 mm liefert dagegen differenzierte und in sich logische Ergebnisse, die sich gut in einem Leitfaden zusammenfassen lassen. Es zeigt sich, dass bei den Kameraeinstellungen eine sehr kurze Belichtungszeit notwendig ist, Blende und ISO-Zahl dagegen geringeren Einfluss haben. Es wird auch deutlich, wie wichtig eine sorgfältige Flugplanung ist, da das Ergebnis auch sehr stark von der Flughöhe, der Fluggeschwindigkeit und der Flugbahndistanz abhängt. Relevant ist auch die Erkenntnis, dass die Kombination von Flügen mit verschiedenen Objektiven und somit unterschiedlicher Flächenabdeckung letztendlich über die gesamte Fläche ein besseres Ergebnis liefert als die Einzelmodelle. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind zunächst Kamera- und Fluggerät spezifisch, eine Übertragung auf ähnliche Ausrüstung ist jedoch mit wenig Aufwand möglich. In wieweit diese Ergebnisse auch für deutlich verschiedenartige Systeme, wie Kompaktkameras gilt, bleibt zunächst offen. Für Erstellung von qualitativ hochwertigen terrestrischen SfM-Modellen an Gewässern soll diese Arbeit eine gute Grundlage bieten. Weiterhin liefert diese Arbeit Grundlagen für weiterführende Forschungen, wie dem Vergleich von SfM-Geländemodellen mit digitalen Geländemodellen anderer Verfahren.