STRABAG und Viscan: Höhengenauigkeit bei Drohnenvermessung auf dem Prüfstand

STRABAG und Viscan haben im Zuge des STRABAG-Pilot-Bauvorhabens BIM SE in Baden-Württemberg die Höhengenauigkeit bei der Drohnenvermessung im Fahrbahnbereich untersucht.
Vergleich manueller Flug mit programmiertem Nadirflug (DGM-Abweichungsanalyse). Foto: Viscan

Vergleich manueller Flug mit programmiertem Nadirflug (DGM-Abweichungsanalyse). Foto: Viscan

Im Zuge der Digitalisierung im Baugewerbe wird eine realistische und detailgetreue Darstellung des Straßenzustandes zunehmend wichtiger, um für alle Projektbeteiligten aussagekräftiges Datenmaterial zur Entscheidungsfindung zur Verfügung zu stellen. Die Drohne gilt als kostengünstiges Werkzeug, um grundlegende Daten für die Beweisdokumentation, den Planungsprozess, die CAD-Bearbeitung bis hin zur Bauabrechnung zu liefern.

Die Genauigkeitsanforderungen bei der Bestandserfassung im Fahrbahnbereich für Straßenoptimierungen liegen dabei bei rund einem Zentimeter in Lage und Höhe. Damit ist der Einsatz einer Photogrammetriedrohne oft ausgeschlossen oder der Bestand muss doppelt erfasst werden. Einerseits möchte man auf die Vorzüge eines Orthophotos und einer Punktwolke nicht verzichten, andererseits ist eine Tachymeteraufnahme unerlässlich, um die geforderte Höhengenauigkeit zu erzielen.
Untersuchungsinhalte
Im Rahmen des Pilotprojekts „BIM in der Straßenerhaltung in Baden-Württemberg“ des Verkehrsministeriums Baden-Württemberg haben die Strabag GmbH, Direktion Baden-Württemberg, und der Spezialist für Drohnenvermessung Viscan Solutions GmbH untersucht, wie die Höhengenauigkeit im Fahrbahnbereich bei Vermessung via Drohne gesteigert werden kann. Auf der Landesstraße 1151 (Reichenbach nach Schlichten) in der Region Stuttgart werden für das Pilotprojekt umfangreiche Untersuchungen im Hinblick auf die Bestandserfassung bei Straßenerhaltungsmaßnahmen durchgeführt. „Um für die modellbasierte Planung im BIM-Prozess aussagekräftige und virtuelle Bestandsmodelle erzeugen zu können, benötigen wir verlässliche Punktwolken und detailreiche Orthophotos“, so Gerhard Seifert, Leiter der Stabstelle Vermessung & Bauabrechnung und bei der STRABAG GmbH in Baden-Württemberg zuständig für BIM.
Die circa sechs Meter breite Landstraße 1151 führt kurvenreich mit bis zu 130 Metern Höhenunterscheid auf zwei Kilometern durch bewaldetes Gebiet und wurde unter realen Bedingungen bei Verkehr (mit mobiler Verkehrssicherung bei der Tachyme- teraufnahme) vermessen. Um eine Grundlage für Genauigkeitsvergleiche zu schaffen, wurde ein trassennahes Festpunktfeld angelegt, durch Feinnivellement die Höhen bestimmt und damit die Basis für eine Nullmessung mittels Präzisionstachymeter gelegt. Für die Drohnenvermessung kamen zwei Modelle des Herstellers DJI zum Einsatz – die Phantom 4 RTK der Viscan Solutions GmbH und die Inspire 2 der STRABAG GmbH.
Untersucht wurden normale Vermessungsflüge mittels Flugplanung mit Überlappung 80/80 und Flughöhe 50 Meter sowie Kreuzverbandflüge. Die durch bisherige Erfahrungen durch Viscan Solutions favorisierte Methode eines manuellen Fluges mit Flughöhen von ca. 20 Metern und geneigten Kamerawinkeln von 60 bis 70 Grad wurde ebenfalls eingehend untersucht.
Laut Viscan-Geschäftsführer Nicolai Nolle werden durch diese für den Drohnenpiloten anspruchsvollen Messungen eine sehr hohe Bodenauflösung sowie bessere Schnittbedingungen bei der Berechnung der Punktwolken erzeugt, sowie vertikale Objekte wie Borde präziser abgebildet. „Durch Einsatz von RTK (Real-Time-Kinematic) wird das Bildrauschen, sowie die Anzahl der benötigten Passpunkte zudem signifikant reduziert“, so Nolle.
Ergebnisse
Abweichungen der Genauigkeit an Passpunkten zwischen dem Flug ohne RTK und einem manuellen Flug mit RTK. Grafik: STRABAG

Abweichungen der Genauigkeit an Passpunkten zwischen dem Flug ohne RTK und einem manuellen Flug mit RTK. Grafik: STRABAG

Wie von den beteiligten Unternehmen erwartet, erreichte der geplante Nadirflug ohne RTK im einfachen Gebiet Höhengenauigkeiten von ca. zwei bis vier Zentimetern, fiel aber nach Angaben von Viscan im bewaldeten und ansteigenden Gebiet durch inhomogene Flughöhen und Fokussierungsprobleme der Kamera deutlich ab und erreichte im Mittel eine Genauigkeit von nur sieben Zentimetern. Dagegen erreichte der Flug von Viscan mit drei manu- ell geflogenen Linien und RTK auch in den schwierigen Waldgebieten ein absolutes Mittel von 1,2 Zentimetern mit nur 6 anstatt 32 verwendeten Passpunkten. Im mittelschwierigen Gebiet am Bauanfang konnten, so Nolle, sogar Genauigkeiten von im Mittel acht Millimetern erreicht werden.

Diese präzisen Ergebnisse von Viscan im Fahrbahnbereich konnten unabhängig auch Tage später – bei veränderten Witterungsverhältnissen und wechselnden Drohnenpiloten – mit der Inspire 2 durch die STRABAG bei einem ähnlichen manuellen Flug mit im Mittel sechs Millimetern Abweichung erneut generiert werden. „Die benötigte Aufnahmezeit der Drohnenbefliegung konnte zudem mit circa zwei bis drei Stunden für zwei Kilometer Strecke sehr wirtschaftlich gestaltet werden“, so Nolle.
Vergleich mit dem Tachymeter
Das Projektteam diskutierte und untersuchte auch den Sinn eines Vergleiches von flächenhaften Drohnenmodellen mit präzisen Einzelpunktaufnahmen in einem vordefinierten Raster. Durch die selektive Auswahl des Vermessers wird bei einer in die Jahre gekommenen Straße nur alle zehn Meter ein genauer Punkt erfasst, der auch kontrollierbar ist, aber die Unebenheiten zwischen zwei Punkten völlig außer Betracht lässt.
Daher wurden bei dieser Untersuchung Punkte am Fahrbahnrand im Meterraster bestimmt und mit der selektiven Zehn-Meter-Messung sowie den Ergebnissen aus der Drohne verglichen. Auffallend war dabei, dass 15 Prozent aller Tachymetermessungen des 1m-Rasters mehr als ein Zentimeter vom 10m-Tachymeterraster abwichen, so Tobias Ziegler, der bei der STRABAG in Baden-Württemberg für die Drohnenauswertungen zuständige Vermessungsingenieur. „Wenig überraschend bildet die Punktwolke der Drohne den Randverlauf viel präziser als die 10m-Messung ab“, so Nolle. Die Abweichungen der Drohnen bewegten sich im gleichen Bereich von sieben Millimetern wie die vergleichende Tachymetermessung.
„Die erzielten Ergebnisse werden dazu beitragen, die Drohnenvermessung auch im Fahrbahnbereich mehr als nur konkurrenzfähig zur selektiven Einzelpunkt-Tachymeter Aufnahme zu machen“, so Seifert. Die präzise Abbildung der Straßenoberflächen und die extrem detailreichen Orthophotos bieten einen enormen Mehrwert aus einer einzigen Aufnahme und die Grundlagen für Bewertungen des Bestandes sowie das modellbasierte Planen in der Straßenerhaltung“, bestätigt Nolle abschließend. „Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden wir in den kommenden Wochen Untersuchungen zur Lage- und Flächengenauigkeit durchführen und weiterführend wird eine automatische Ableitung von Bestandsunterlagen mit Hilfe der Viscan-KI (künstlicher Intelligenz) zur herkömmlichen Messung und Darstellung betrachtet.” (sg)