Vermessung | 15.11.2017

Drohnen im Kiesabbau

Drohnen sind populär geworden. Dabei werden Flugroboter schon seit vielen Jahren für professionelle Ingenieurvermessungen eingesetzt.

 - Drohnen helfen beim wirtschaftlichen Betrieb von Gewinnungsstätten.
Drohnen helfen beim wirtschaftlichen Betrieb von Gewinnungsstätten.
Foto: Weiss

Mit Hilfe von Drohnen können dreidimensionale Geländemodelle entstehen, die etwa in Kiesgruben optimal genutzt werden können. Mit Drohnen lassen sich natürlich auch simple Foto- und Videoaufnahmen machen. Solche Einsatzformen sind größtenteils selbstredend, deshalb gehen wir an dieser Stelle nicht näher darauf ein.

Photogrammetrie mittels Drohnen
Um ein 3D-Modell photogrammetrisch, das heißt, mittels Fotos zu erfassen, müssen Hunderte oder gar Tausende von Einzelaufnahmen gemacht und das Gelände hierfür möglichst gleichmäßig und vollständig überflogen werden. Aus all den Einzelaufnahmen wird in einem rechenintensiven Prozess mittels Spezialsoftware ein 3D-Modell errechnet. Bestimmend für die Qualität des Modells und all der daraus gewonnen Produkte sind das Fluggerät, die verwendete Software und hauptsächlich der Sensor. Es lohnt sich deshalb, hochwertige Kameras und für jeden Einsatz die bestgeeignete Drohne einzusetzen. Je nach Topografie und Ausdehnung werden für Photogrammetrieflüge Multikopter oder Flügeldrohnen bevorzugt.

 - Photogrammetrie-Flug, jeder gelbe Punkt entspricht einer Aufnahme.
Photogrammetrie-Flug, jeder gelbe Punkt entspricht einer Aufnahme.
Grafik: Weiss

3 D-Geländemodell/Punktewolke
Ein 3D-Modell bildet die Wirklichkeit weit umfassender ab als eine Einzelaufnahme. Ein Modell besteht aus Millionen einzelner Punkte im Raum (Punktewolke) mit Koordinaten und entsprechender Farbinformation. Mittels Drohnen können Auflösungen bis zu einem Zentimeter oder weniger erzielt werden, was rund 50 Mal besser ist als die von uns täglich verwendeten, kostenlosen Internetdienste. Viele Anbieter im Bereich Drohnenvermessung sehen die Punktewolke nur als internes Zwischenprodukt und liefern sie ihren Kunden gar nicht erst aus.

Tipp: Fragen Sie unbedingt nach der Punktewolke, wir haben die Erfahrung gemacht, dass Kunden auch das 3D-Modell selbst (als Punktewolke) sehr gut verwenden können und nach ein paar Monaten nicht mehr darauf verzichten wollen.

Orthofoto und Höhenmodell
Aus der Punktewolke werden üblicherweise ein Orthofoto und ein Höhenmodell erzeugt. Das Orthofoto ist eine verzerrungsfreie Sicht von oben und eignet sich vor allem zum Visualisieren bzw. zum Ausdrucken. Das Höhenmodell dient für Berechnungen aller Art und bildet die Grundlage für einen Höhenkurvenplan.
Beide, Orthofoto und Höhenmodell, werden georeferenziert, womit sie einen einheitlichen Bezugsrahmen (Koordinatensystem LV03 oder LV95 von Swisstopo) erhalten und damit vergleichbar bzw. verrechenbar werden.

 - Multikopter mit schwenkbarer Kamera.
Multikopter mit schwenkbarer Kamera.
Grafik: Weiss

Volumenberechnungen
Für die meisten Kunden stehen parzellenscharfe Volumenberechnungen des Kiesabbaus und allfälliger Auffüllungen im Zentrum des Interesses. Zu diesem Zweck werden zwei Höhenmodelle (vorher, nachher) miteinander verglichen bzw. verschnitten und ein Differenzmodell erstellt. Dieses Differenzmodell bildet die Veränderungen ab und dient u.a. dazu, die abgebauten Volumen zu bestimmen.

Tipp: Um den Kiesabbau genau bestimmen zu können, ist es unerlässlich, bei Erreichen der Oberkante Kies und bei Erreichen der Sohle je eine Aufnahme zu machen. Verpasst man diesen Zeitpunkt, ist ein genaues Berechnen der Kiesvolumen nicht möglich.

Auch wenn Volumen auf den Kubikmeter genau ausgegeben werden, müssen sie noch lange nicht stimmen. Ein Volumen ohne ausgewiesene Toleranz (z.B. 3‘104.15 m³) ist zu hinterfragen, da bei jeder Vermessung zwangsläufig Fehler auftreten. Ein gutes Qualitätssystem erfasst solche Fehler, hält sie in tolerierbaren Grenzen und weist sie explizit aus (z.B. 3‘100 m³, +/- 3%).

Volumen – was sonst?
Das aus einer Drohnenaufnahme errechnete 3D-Modell kann für weit mehr als die bloße Volumenbestimmung genutzt werden. Nebst dem Orthofoto .
ist der Höhenkurvenplan sehr nützlich. Idealerweise wird alles zu einem PDF-Dokument mit mehreren Ebenen verarbeitet, sodass sich der Kunde jeweils genau das anzeigen lassen kann, was er für eine bestimmte Aufgabe benötigt. Es können auch Abbauetappen, Parzellengrenzen und beliebige Information des Planers eingebunden werden.

Tipp: Schauen Sie, ob ihr PDF-Plan einen definierten Maßstab und mehrere Ebenen aufweist, die sie wahlweise ein- oder ausblenden können.

 - Flügeldrohne.
Flügeldrohne.
Foto: Weiss

Und nochmals: Nach anfänglichem Zögern sind die meisten Kunden beeindruckt, wie einfach und flexibel sich das 3D-Modell selbst nutzen lässt. Mit Hilfe einer kleinen PC Applikation (LAS-Viewer) oder im Browser lässt sich das erfasste Gelände aus beliebiger Perspektive darstellen, ideal für Visualisierungen und Besprechungen. Darüber hinaus kann zu jedem Punkt im Modell die genaue Lage (Koordinate und Höhe) herausgelesen werden, dies ohne jedes Mal den Ingenieur, Geometer oder Drohnendienstleister involvieren zu müssen.

Tipp: Orthofoto und Höhenmodell sollten unbedingt auch dem Planer zur Verfügung gestellt werden. Damit vereinfacht sich die Nachführung der Pläne wesentlich, auf ein aufwendiges und teures Nachmessen vor Ort kann so meist verzichtet werden.

Aus dem 3D-Modell lassen sich natürlich auch Ausdrucke (Farbplots) in beliebigem Maßstab erstellen.

Qualität
Geländeerfassung aus der Luft ist zwar modern, aber nicht per se genau. Wie bei allen anderen Aufnahme- und Vermessungstechniken muss die Genauigkeit mit teilweise aufwendigen Verfahren erzwungen und konsequent überprüft werden. Es ist wichtig, bereits in Angebotsphase das Thema Qualität anzusprechen und sicherzustellen, dass die geforderte Genauigkeit auch wirklich verifizierbar erreicht wird. Das heikelste Element in der gesamten Qualitätskette ist die Georeferenzierung. Oft werden bei der Aufnahme nur wenige oder gar keine Kontrollpunkte vermessen, womit wohl Zeit gespart wird, was aber eine umfassende Qualitätskontrolle in Frage stellt.

Tipp: Fragen Sie explizit nach Toleranzen. Welche Vorkehrungen werden getroffen, um die Qualität der Vermessung nachweislich sicherzustellen?
Zusammenfassung
Dank technologischen Fortschritten bei Drohnen, Sensoren und der zugehörigen Software können heute äußerst präzise Geländemodelle erfasst werden, dies zu einem sehr guten Preis. Für Betreiber von Kiesabbaugebieten lassen sich präzise Volumen berechnen, darüber hinaus dienen Orthofotos und die 3D-Modelle selbst zur Planung, Kommunikation und Steuerung. Im Wissen darum, dass aus einem schlecht erfassten oder ungenügend referenzierten
Geländemodell nie etwas Gutes herausgemessen werden kann, lohnt es sich, dem Thema Qualität und Support genügend Priorität einzuräumen. Geländeerfassung „as a Service”, ohne persönliche Beratung und Unterstützung, ist wenig sinnvoll.

Wohin geht die Reise?
Mit Spannung verfolgen wir die Entwicklung der Drohnentechnologie in neue Richtungen. Es gibt kaum einen Bereich, wo Flugroboter in Zukunft keine Rolle spielen werden. Sobald Drohnen auch außer Sichtweite betrieben werden können, lassen sich heute kaum erahnbare Dinge tun. (Reto Weiss)