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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Structure-from-Motion to investigate the bathymetry of rough surfaces in hydraulic laboratories"

Nachdem Structure from Motion (SfM) vor ein paar Jahren in den Fokus der Wissenschaftler gelangt war, stieg das Interesse an der Methode stetig. Die Anzahl der Publikationen zu SfM im Bereich der computer vision Wissenschaft wächst und seit kurzem hat es auch die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern aus anderen Bereichen auf sich gezogen.
Prinzipiell ist SfM ein photogrammetrischer Ansatz zur Erstellung von 3D Modellen beliebiger Objekte oder Oberflächen. Er basiert auf dem zusammenfügen mehrerer, sich überlappender Bilder des selben Objektes mit Hilfe einer speziell dafür entwickelten Software. Die Bilder dafür stammen von handelsüblichen Digitalkameras. Dies macht SfM zu einer unkomplizierten aber dennoch akkuraten Methode zur Erstellung von 3D Modellen, was der Grund für das starke Interesse an SfM ist. Auch im Flussbau zeigt SfM ein steigendes, nicht ausgeschöpftes Potenzial für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Sie findet so zum Beispiel Verwendung bei der Erstellung von dreidimensionalen Geländemodellen von Flussläufen. Zusätzlich zur Anwendung außerhalb des Wassers, ergeben sich durch den Einsatz von SfM auf Unterwasser-Aufnahmen vielversprechende Möglichkeiten zur Modellierung von unterhalb der Wasserlinie liegenden Flächen. Gerade letzteres wurde jedoch bislang noch nicht ausreichend untersucht.
Deshalb zielt die dieser Thesis zu Grunde liegende wissenschaftliche Arbeit darauf ab, die Verwendung von SfM zur Generierung von Geländemodellen von Unterwasser liegender rauer Oberflächen hinsichtlich Praktikabilität und Genauigkeit zu untersuchen und zu bewerten. Die für diese Untersuchung notwendigen Experimente werden unter Laborbedingungen durchgeführt. Im Einzelnen wird erst der Effekt der Lichtbrechung an der Wasser- Kameragehäuse Grenzschicht durch die Modellierung einer ebenen Kunststoffplatte sowie eines Sedimenttellers mit präparierter rauer Oberfläche bestimmt. Weiterhin werden die mit SfM generierten Modelle mit solchen verglichen, die mittels Laser-Vermessung, Stereophotogrammetrie beziehungsweise Agisoft PhotoScan erstellt werden. Dieser Vergleich erlaubt die Einordnung von SfM in die bekannten Genauigkeitsbereiche der Vergleichsmethoden.
Unter Berücksichtigung der Genauigkeit wird anschließend untersucht, ob sich mit Hilfe von SfM die zeitliche Entwicklung eines Kolk-Prozesses um einen zylindrischen Pfeiler nachvollziehen lässt. Somit lässt sich die Frage beantworteten, ob SfM eine flächenbezogene und zeitabhängige Beobachtung und Untersuchung komplexer Unterwasser-Prozesse, wie der Kolkentwicklung, ermöglicht.Es wird gezeigt, dass der durch die Nichtberücksichtigung der zusätzlichen Lichtbrechung am Wasser-Gehäuse Übergang induzierte Fehler im Submillimeter- bis Millimeterbereich liegt. Dieser Grad an Genauigkeit wird als ausreichend eingestuft, um qualitativ aussagekräftige Ergebnisse der folgenden Experiemente zu gewährleisten. Der Vergleich von SfM mit den anderen Methoden zeigt geringe Diskrepanzen, die ebenfalls im Submillimeter- bis Millimeterberiech liegen. Abschließend zeigt die Beobachtung der Kolkentwicklung, dass SfM zeitliche Veränderungen einer Unterwasser-Szenerie nachvollziehbar und datailliert abbilden kann.
Insgesamt lässt sich aus den Ergebnissen schließen, dass die hier angewandte Methode sehr gut auf Unterwasser-Aufnahmen anwendbar ist. Sie stellt somit eine vielversprechende Methode für Unterwasser Untersuchungen im Wasserbau-Labor dar.