Process Drone (UAV) Imagery

Aerial Drone Images erwerben¶

Durch autopilotgesteuerte Drohnen ist das Sammeln von Luftbildern erstaunlich einfach geworden. Heute kommen die meisten Drohnen mit Programmen zum Drehen von Luftbild und Structure-from-Motion (SfM)-basierten digitalen Höhenmodellen (DEMs). Da die Drohnensteuerung modellabhängig ist (z.B. verwenden wir eine dji Phantom 4 RTK drone für Luftumfragen), beschreibt dieses Tutorial nur grundlegende Einstellungen für die Aufnahme von Luftbild und konzentriert sich auf die Bildverarbeitung zur Erstellung von DEMs.

Empfehlungen für Umfrageflüge mit Drohnen:

• Verwenden Sie vordefinierte terrestrische Erhebungsmodi für ausreichende Überlappung

• Vorzugsweise arbeiten Sie mit der Orthoimagery; verwenden Sie nur 3d-Modus, wenn starke Winde bläst

• Konto für ca. 20-30 Minuten Flugzeit pro Batterie (ca. 2 Stunden Nachladung), was bedeutet, dass 8 Batterien eine reibungslose Mapping ermöglichen

• Bodenkontrollpunkte können entfallen, wenn RTK-Daten zur Verfügung stehen, aber wir empfehlen die Nutzung von Bodenkontrollpunkten

Darüber hinaus kann ein bildbasiertes Digitales Oberflächenmodell (DOM) auch für flache, klare Gewässer (d.h. Badymetrien) gebaut werden, andere Messtechniken (z.B. Lidar oder Sonar) sind für tiefere Gewässer (> 0,5 m Wassertiefe) erforderlich. Auch sollte die bildbasierte Badymetrie mit lokalen DGPS oder Totalstationsmessungen validiert oder korrigiert werden.

Metashare¶

Die folgende Figur zeigt die Metashape-Schnittstelle am Programmstart, bereit für das Spielen mit Drohnenbildern und SfM.

Neues Projekt erstellen¶

Um loszuwerden, create ein new project und save es (als .psx-Datei) vorzugsweise eine Ordnerebene über dem Bilderverzeichnis. Als nächstes, vertraut mit der Schnittstelle und erkunden Sie die zahlreichen Workflows im *Workflow-Menü.

Bilder laden¶

Bilder können von einem ganzen Verzeichnis geladen werden. Um ein Verzeichnis (d.h. Ordner) mit Luftbild aus einer Einkamera-Drohne hinzuzufügen, gehen Sie in das Workflow-Menü > ** Ordner hinzufügen* > **Select Ordner mit Bildern*Single Kameras.

Align Images¶

Wenn die Drohne über Gelände fliegt, muss sie manchmal ihre Richtung oder Position ändern, aber sie weiß immer*, wo sie (absolut oder relativ zu einer Bodenstation) ist, wenn RTK-GPS-Daten verfügbar sind. Dadurch können die Bilder unter unterschiedlichen Winkeln und unterschiedlichen Positionen aufgenommen worden sein. Um die Bilder in ein großes Bild des Geländes zu verschmelzen, müssen die Bilder durch Anpassungspunkte ausgerichtet werden, die auf mehreren Bildern sichtbar sind. Das große Bild kann mit Metashapes Ausrichtungswerkzeug erstellt werden: gehen Sie zu Workflow* Align Fotos und beachten Sie die folgenden Einstellungen im Popup-Fenster (siehe Abbildung unten) mit dem Advanced Rahmen erweitert:

• Setzen Sie die Accuracy auf high für ein akzeptables Gleichgewicht von Auflösung und Rechenzeit. Beachten Sie, dass jede zusätzliche Erhöhung der Genauigkeit in einer Größenordnung längere Rechenzeiten führt.

• In Referenzvorwahl Wählen Sie Quelle aus und stellen Sie sicher, dass Sie GPS-Daten verwenden.

• Erweitert Rahmen:

  • Die Key Point Limit Option ermöglicht die Definition von Kennpunkten* (d.h. Punkte, die der Ausrichtungsalgorithmus auf mehreren Bildern eindeutig identifizieren kann): stellen Sie sicher, dass 10.000 bis 40.000 charakteristische Punkte identifiziert werden können.

  • die Tie-Punktgrenze definiert eine Mindestzahl für Bindepunkte (d.h. Punkte, die der Ausrichtungsalgorithmus auf zwei benachbarten Bildern identifiziert): stellen Sie sicher, dass mindestens 1.000 bis 5.000 Bindepunkte identifiziert werden können.

  • Verwenden Sie die -fähige Ausschluss von stationären Punkten-Option, die sicherstellt, dass Pixel, die die gleichen (Farben) Eigenschaften auf allen Bildern (d.h. stationär) haben, von der Ausrichtungserkennung ausgeschlossen sind. So werden beispielsweise Schmutzflecken auf der Kameralinse als Richttastenpunkte ausgeschlossen.

  • Aktivieren Sie *Adaptive Kamera-Fitting-Modell für unkorrigierte Kameraverzerrung.

• Lassen Sie ** alle anderen Standard ** Felder as-is und klicken Sie auf OK, um die Ausrichtung zu starten. Je nach Anzahl und Größe der Bilder sowie der Berechnungskapazität Ihres Computers dauert die Ausrichtung 5-30 Minuten.

Wenn die Ausrichtung erreicht ist, erzeugen Sie eine Koarse Punktwolke (Auswahl aus dem Tools Menü). Eine qualitativ gute Grobpunktwolke zeichnet sich durch mindestens 100 Bindepunkte pro m$^2$ oder mehr als 50.000 Bindepunkte pro 100 Bilder aus (mit einer Auflösung von 4605x3227). Darüber hinaus verify Fehler mit einem Klick auf das Reference Band (typischerweise unten links im Metashape-Fenster). Der Longitude/Latitude-Fehler sollte $\leq$ 2 cm sein.

Erstellen dichter Punkt Cloud¶

Wenn die Qualität ausreicht und der Fehler akzeptabel niedrig ist, gehen Sie mit dem Aufbau einer dense Punktwolke* fort (Auswahl aus dem Workflow Menü). Im dichten Punkt-Cloud-Popup-Fenster (siehe auch Abbildung unten), machen Sie die folgenden Einstellungen:

• ** Qualität*** auf high einstellen

• Wählen Sie ** Tiefe Füllung** in Abhängigkeit von Vegetationsdichte:

  • wenn nicht zu wenig Vegetation, wählen Sie moderate / agressiv

  • wenn Vegetation vorhanden ist, kann eine gute Leistung (Punktwolkenqualität vs. Rechenzeit) durch die Wahl der mild Option erreicht werden

  • bei sehr dichter Vegetation kann die Tiefenfüllung ** deaktiviert** sein, was zu ** sehr langen Rechenzeiten** führen kann.

• Klicken Sie auf OK, um die dichte Punktwolke zu erstellen (kann wieder 5-30 Minuten dauern)

Die ** Qualität** der dichten Punktwolke kann als gut angesehen werden, wenn der Prozess gefunden wird:

• Mindestens 20 bis 30 Nachbarn.

• Ca. 10 Millionen Punkte pro 100 Bilder (mit einer Auflösung von 4605x3227).

Digitales Oberflächenmodell (DOM) erstellen¶

Die dichte oder grobe Punktwolke kann mit vielen anderen Workflows verwendet werden und die Erstellung einer DEM ist nur eine Option. Um eine Digitales Oberflächenmodell (DOM) zu erstellen, gehen Sie zu Workflow > Build Digitales Oberflächenmodell (DOM)* und beachten Sie folgende Aspekte im Aufbau-Digitales Oberflächenmodell (DOM)-Popupfenster (siehe Abbildung unten):

• Projekt:

  • Verwenden Sie einen geographic-Typ für Projektion auf einen GeoTIFFraster, der mit der meisten GIS-Software kompatibel ist, wie z.B. QGIS.

  • Die Standardprojektion von Metashape ist EPSG:4326 (weiter lesen Sie im Abschnitt unter projections in this eBook), was der Projektion entspricht, die häufig mit aerialen Bildoberflächen verwendet wird (z.B. GoogleEarth).

• Quellendaten:

  • Die tie-Punkte-Option führt zur niedrigsten Auflösung.

  • Die Tiefe Karten Option ist ein ** guter Kompromiss** zwischen Auflösung und Rechenzeit.

  • Die *dense Cloud-Option führt zur besten Qualität, aber auch zu einer sehr langen Rechenzeit.

• Erweiterter Rahmen: automatisch vorgeschlagene Werte beibehalten, um Konsistenz zu gewährleisten.

Die OK-Taste startet die Digitales Oberflächenmodell (DOM)-Kreation, die wieder 5-30 Minuten dauern kann.

Schließlich exportieren Sie die Digitales Oberflächenmodell (DOM) mit einem -Rechtsklick* auf dem Digitales Oberflächenmodell (DOM) im Workspace* (wenn die Digitales Oberflächenmodell (DOM) nicht sichtbar ist, erweitern Sie den Chunk 1-Eintrag - oder welchen Namen es hat - im Workspace) und wählen Sie Export Digitales Oberflächenmodell (DOM)... Wir empfehlen, das Digitales Oberflächenmodell (DOM) im Format GeoTIFF (*.tif**) zu speichern, das mit QGIS kompatibel ist. Wenn .tif ausgewählt wurde, öffnet sich ein Popup-Fenster zum Export der Digitales Oberflächenmodell (DOM). Im Popup-Fenster, überprüfen Sie die export Weltdatei Option und halten alle anderen Standardeinstellungen (optional erstellen Sie eine .kml Datei für die Arbeit mit GoogleEarth). Die Weltdatei wird für QGIS (und jede andere GIS-Software) wichtig sein, um zu wissen, wo sich die Digitales Oberflächenmodell (DOM) in Bezug auf die ausgewählte Projektion geographisch befindet.

Erstellen Sie ein Mesh¶

Ähnlich wie beim Digitales Oberflächenmodell (DOM)-Workflow bietet Metashape einen Workflow zur Erstellung eines Netzes (Workflow********) in Form eines triangulierten unregelmäßigen Netzwerks (TIN). Die Source-Daten-Optionen sind ähnlich wie die im Digitales Oberflächenmodell (DOM)-Workflow, mit einer zusätzlichen Möglichkeit, die Digitales Oberflächenmodell (DOM) für das Meshing zu verwenden. Auch für ein Netz, High Qualität und Face Counts führen zu der besten Darstellung des Geländes und hohen Rechenkosten. Wenn das Ziel der Mesh-Generierung ist seine Verwendung mit einem numerischen Modell, niedrigere Qualität und Gesichtszahl könnte eine gute Wahl, um die Zeit für den Betrieb des numerischen Modells niedrig zu halten. Die Mesh-Generation dauert wieder 5-30 Minuten.

Sobald die Mesh-Erstellung beendet ist, kann sie mit einem Rechtsklick auf den 3D Model-Eintrag im Workspace und einem linken Klick auf Export Model... exportiert werden. Wenn das 3D-Modell im Workspace nicht sichtbar ist, erweitern Sie den Eintrag Chunk 1 (oder welchen Namen es hat). Für den Einsatz mit einem numerischen Modell (z.B. OpenFOAM) ist das Format STL (.stl) eine gute Wahl.