Bericht - IGP - ETH Zürich

Verfasser:
Gabriel Flury
Masterarbeit
Herbstsemester 2011
Evaluierung der Gleisleitungsvermessung
Himmelrichweg 6B
4123 Allschwil
06-907-166
In Zusammenarbeit mit:
Furrer+Frey AG
mittels UAV
03. Oktober 2011 – 06. Februar 2012
Leitung:
Prof. Dr. Hilmar Ingensand
Prof. Dr. Konrad Schindler
Betreuung:
Dr. Henri Eisenbeiss
MSc ETH David Novák

Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die Masterarbeit befasst sich mit der Auswertung von UAV Bilddaten für die
Dokumentation von Fahrleitungsanlagen und die Bestandsaufnahme der Umgebung von
Gleisstrecken. Des Weiteren dienen die Dokumentationen der Planung und dem Ausbau
der Anlagen. Der Hauptgrund für den Einsatz des UAV liegt darin, dass die Gleise während
den Aufnahmen nicht blockiert werden und ein uneingeschränkter Schienenverkehr
ermöglicht wird.
Nach der Aufnahme der Luftbilder beginnt die Auswertung in den unterschiedlichen
Softwarelösungen. Die generierten Resultate, die digitalen Höhenmodelle, Orthofotos und
dreidimensionalen Modelle werden evaluiert und qualitativ überprüft.
Für den Vergleich der Höhenmodelle aus Leica Photogrammetry Suite (LPS) und
Photomodeler steht ein Laserscan des Projektgebietes zur Verfügung.
Die anfängliche Verkippung der Höhenmodelle erschwert die Interpretation und die
qualitative Bewertung der generierten Modelle. Deshalb werden die Modelle aufeinander
registriert. Lokale Unterschiede zwischen dem Laserscan und den Höhenmodellen aus den
Luftbildern sind erkennbar. Es ist klar ersichtlich, dass sich die Höhenmodelle im Bereich
von wenigen Zentimetern von dem Laserscan unterscheiden.
Der Vergleich der Modelle aus LPS und Photomodeler zeigt, dass die beiden Algorithmen
eine äquivalente Genauigkeit ergeben, obwohl die Auswertung in Photomodeler mit einer
automatischen Orientierung berechnet wurde.
Zudem können in Photomodeler 3D-Modelle der Mastanlage erstellt werden. Die Modelle
zeigen approximativ die Leitungen ohne Durchhang, sowie die Ausleger und die Masten.
Der Import in AutoCAD bildet das Bindeglied zwischen der photogrammetrischen
Auswertung und der Planung der Leitungsbauer.
Aus den Resultaten ist erkennbar, dass die Höhenmodelle und Orthofotos aus den
Luftbildern des UAV eine Analyse mit der Genauigkeit von 2-5 cm ermöglichen und somit
einen erheblichen Mehrwert zu der bisherigen Gleisleitungsvermessung darstellen.

Vorwort und Danksagung
Vorwort und Danksagung
Der vorliegende Bericht wurde im Rahmen der Masterarbeit am Institut für Geodäsie und
Photogrammetrie (IGP) der ETH Zürich durchgeführt. Die Aufgabenstellung dazu
initialisierte die Firma Furrer+Frey AG. Sie plant die Anschaffung eines UAV Systems. Im
Rahmen einer Masterarbeit ist der Mehrwert zu prüfen, welcher aus den Bilddaten eines
UAV in Bezug auf den Gleisleitungsbau resultiert.
Es gilt verschiedene Möglichkeiten zur Erstellung von digitalen Höhenmodellen und
Orthofotos, sowie 3D-Modellen zu vergleichen. Entscheidende Faktoren sind dabei die
grundsätzliche Machbarkeit, sowie der finanzielle und zeitliche Aufwand für die
Durchführung dieser Auswertungen.
Dank vielseitiger Unterstützung konnte ich die vorliegende Arbeit durchführen. Ein
besonderer Dank gilt den Betreuern dieser Arbeit, Dr. Henri Eisenbeiss und MSc ETH David
Novák von der ETH Zürich, welche mich mit ihren Erfahrungen und ihrem Wissen
unterstützten und sich für meine Fragen Zeit nahmen. Zudem danke ich der Firma
Furrer+Frey AG für die Ermöglichung dieser interessanten Masterarbeit. Speziell bedanke
ich mich bei Marius Prantl für die tatkräftige Unterstützung im Obergoms und die
unermüdliche Beantwortung meiner Fragen.
Des Weiteren bedanke ich mich bei:
� Prof. Dr. H. Ingensand für die Leitung dieser Arbeit
� den Mitarbeitern des Instituts für Geodäsie und Photogrammetrie
� meinen Mitstudenten für viele inspirierende Diskussionen
� meiner Familie und meinen Freunden für ihre Unterstützung

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS IV
TABELLENVERZEICHNIS V
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS VI
1 EINLEITUNG 1
1.1 Aufgabenstellung 1
1.2 Zielsetzung 1
1.3 Aufbau der Arbeit 2
2 TECHNISCHE GRUNDLAGEN 3
2.1 UAV 3
2.1.1 Allgemein 3
2.1.2 Ascending Technologies GmbH - Falcon 8 3
2.2 Kamera Sony NEX-5 4
2.2.1 Kamerakalibrierung 5
2.2.2 Bildaufnahme 6
2.2.3 Objektiv 7
2.3 Zoller+Fröhlich Imager 5006i Laserscanner 8
2.4 Gleisgeometrie 9
2.4.1 Achse 9
2.4.2 Überhöhung 10
2.5 Bahnleitungsbau 11
2.5.1 Grundelemente 11
2.5.2 Leitungstypen 12
2.6 Bahnleitungsvermessung 13
2.6.1 Herkömmliche Messmethoden 13
2.6.2 Bahnleitungsvermessung mittels UAV 15
I

Inhaltsverzeichnis
3 DATENAUFNAHME 19
3.1 Aufnahme vom 31. Oktober 2011 19
3.1.1 Teststrecke 19
3.1.2 Flugplanung 19
3.1.3 Passpunkte 20
3.1.4 Kamerakalibrierung Sony Nex-5 20
3.2 Aufnahme vom 24. November 2011 21
3.2.1 Messperimeter 21
3.2.2 Flugplanung 22
3.2.3 Passpunkte 23
3.2.4 Planung des Laserscannings 24
4 DATENAUSWERTUNG 25
4.1 Kamerakalibrierung in Australis 25
4.2 Passpunkte 26
4.3 Generierung Höhenmodell und Orthofoto 28
4.3.1 LPS 28
4.3.2 SatPP 31
4.3.3 Photomodeler 31
4.4 3D-Punktwolken aus Laserscans 33
4.5 Bereinigung der Höhenmodelle und Laserscans 34
5 RESULTATE UND DISKUSSION 36
5.1 Resultierende Modelle 36
5.1.1 Digitale Höhenmodelle aus LPS 36
5.1.2 Digitales Höhenmodell aus SatPP 37
5.1.3 3D-Modelle aus Photomodeler 38
5.1.4 Punktwolken aus Laserscan 39
5.2 Vergleich mit Referenzdaten 42
5.2.1 Vergleich zwischen den digitalen Höhenmodellen 42
5.2.2 Vergleich mit Laserscan Daten 45
5.2.3 Evaluierung des Orthofotos 48
II

Inhaltsverzeichnis
5.3 Eignung der verwendeten Sensoren 49
5.3.1 Eignung der Kamera Sony Nex-5 49
5.3.2 Eignung des UAV Falcon 8 50
5.3.3 Eignung des Laserscanners Z+F Imager 5006i 50
6 FAZIT 51
7 AUSBLICK 53
8 LITERATURVERZEICHNIS 54
ANHANG 56
A Orthofoto 56
B Auszug aus Orientierungsprotokoll LPS 57
C Kalibrierungsprotokoll Australis 58
D Inhalt Abgabe-CD 59
III

Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: AscTec Falcon 8 ........................................................................................................................................................ 4
Abb. 2: Chromatische Aberrationen an Zielmarken ................................................................................................. 8
Abb. 3: Z+F Imager 5006i im Obergoms im Einsatz ................................................................................................. 9
Abb. 5: Überhöhung des Gleises nach Glaus (2006) .............................................................................................. 10
Abb. 4: Skizze zur Gleisachse nach Glaus (2006) ..................................................................................................... 10
Abb. 6: Dynamic Catenary Monitoring [Furrer+Frey AG, 2005] .......................................................................... 15
Abb. 7: Beispiel für einen bestehenden Lageplan der Furrer+Frey AG .............................................................. 17
Abb. 8: Mastelement Schema der Furrer+Frey AG .................................................................................................. 18
Abb. 9: Messperimeter im Obergoms ......................................................................................................................... 19
Abb. 10: Kalibrierungsfeld im Projektgebiet ............................................................................................................... 21
Abb. 11: Flugplanung .......................................................................................................................................................... 22
Abb. 12: Verteilung der Passpunkte .............................................................................................................................. 23
Abb. 13: Orientierungswerte des Bildblocks in LPS .................................................................................................. 29
Abb. 14: Absätze durch instabile Konfiguration an den Rändern ......................................................................30
Abb. 15: Höhenmodell in ArcScene ................................................................................................................................30
Abb. 16: Punktwolke dichtes Punktmatching ........................................................................................................... 32
Abb. 17: Punktwolke vermascht ..................................................................................................................................... 32
Abb. 18: 3D-Mastmodell in Photomodeler ................................................................................................................. 33
Abb. 19: Photomodeler Punktwolke.............................................................................................................................. 35
Abb. 20: Photomodeler vermaschte Punktwolke .................................................................................................... 35
Abb. 21: Fehlereinflüsse an Mastfundamenten und Trasse ................................................................................. 36
Abb. 22: Differenzen GPS-Messungen und Passpunkte ........................................................................................ 37
Abb. 23: Modell aus SatPP ................................................................................................................................................ 38
Abb. 24: Fehlerhafte Vermaschung des Modells ..................................................................................................... 39
Abb. 25: Fehlerhaftes Modell ......................................................................................................................................... 40
Abb. 26: Darstellung der Punktwolke in Landeskoordinaten ............................................................................. 40
Abb. 27: Punktwolke aus drei Scans ...............................................................................................................................41
Abb. 28: Vermaschte Oberfläche aus der Punktwolke ............................................................................................41
Abb. 29: Vergleich der LPS-Modelle .............................................................................................................................. 43
Abb. 30: Vergleich zwischen LPS und Photomodeler .............................................................................................44
Abb. 31: Vergleich zwischen LPS und Photomodeler nach Registrierung ........................................................ 45
Abb. 32: Vergleich zwischen Laserscan und LPS ...................................................................................................... 46
Abb. 33: Vergleich zwischen registriertem Laserscan und LPS ............................................................................ 47
IV

Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Spezifikationen mit Sony 16 mm Objektiv (SEL-16F28) ............................................................................... 7
Tab. 2: Auflösung des Laserscanners ............................................................................................................................. 8
Tab. 3: Planungswerte für Überhöhung [Müller, 2000]......................................................................................... 11
Tab. 4: Flughöhe und Bodenauflösung ....................................................................................................................... 16
Tab. 5: Kalibrierungswerte aus Australis .................................................................................................................... 26
Tab. 6: LGO Auswertung vom 31. Oktober 2011......................................................................................................... 26
Tab. 7: LGO-Auswertung vom 24. November 2011 ................................................................................................... 27
Tab. 8: Durchschnittliche Residuen der Pass- und Verknüpfungspunkte ...................................................... 29
Tab. 9: Abweichungen von GNSS-Koordinaten der Passpunkte auf dem Orthofoto .................................48
Tab. 10: Werte der manuellen Kontrollmessungen ............................................................................................... 49
V

Abkürzungsverzeichnis
AC Alternating Current - Wechselstrom
APS-C Active Pixel Sensor im Bildformat 25,1 mm × 16,7 mm
ASCII American Standard Code for Information Interchange
CAD Computer Aided Design
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor Bildsensor
DC Direct Current - Gleichstrom
Abkürzungsverzeichnis
DCM Dynamic Catenary Monitoring – Dynamisches Gleisleitungsmonitoring
DHM Digitales Höhenmodell
DOM Digitales Oberflächen Modell
DXF Drawing Interchange Format
GCP Ground Control Point - Passpunkt
GNSS Globales Navigationssatellitensystem
GPS Global Positioning System
GSD Ground Sampling Distance - Bodenauflösung
INS Inertiales Navigationssystem
LGO Leica Geo Office
LPS Leica Photogrammetry Suite
PDA Personal Digital Assistent - Tragbarer Kleincomputer
Rinex Receiver Independent Exchange Format für GNSS
RMSE Root Mean Square Error
RPV Remote Piloted Vehicle
RTK Real Time Kinematic - Messmodus
swipos Schweizer Positionierungsdienst der swisstopo
swisstopo Bundesamt für Landestopografie
UAV Unmanned Aerial Vehicle
VI

1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
Einleitung
Die Einsatzgebiete von UAV haben sich in den letzten Jahren stetig erweitert. Im
Gleisleitungsbau wird traditionell mit einem Laserlot oder Messcontainer die Lage der
Gleisleitungen geprüft und gemessen. Da dies zu Verhinderung des Bahnbetriebs und
grossen Aufwänden führt, soll die Lage der Leitungen und Gleise nach Möglichkeit mittels
Luftbildphotogrammetrie rekonstruiert werden. Durch den Einsatz von UAV können die
Luftbilder flexibel und zeitsparend aufgenommen werden.
Der Testabschnitt im Kanton Wallis nahe der Gemeinde Niederwald wird als
Messperimeter definiert. Durch die Sanierung der Strecke sind Referenzdaten von Seiten
der Bahnbauer vorhanden. Resultate aus den Luftbildern können somit verglichen und
beurteilt werden.
In der Arbeit ist kein direkter Vergleich mit Gleismesswagen enthalten, da der Gewinn aus
der UAV-Befliegung und derer Auswertung ein uneingeschränkter Bahnverkehr ist.
Informationen zum Einsatz von Gleismesswagen lassen sich in der Masterarbeit von Patrik
Meier (Untersuchung zum Einsatz von GNSS bei Gleismesswagen) und Dipl. Ing. Ralph
Glaus (Kinematic Track Surveying by Means of a Multi-Sensor Platform) nachlesen.
1.2 Zielsetzung
Da für die Auswertung keine Daten vorhanden sind, beginnt die Arbeit mit der Aufnahme
der Daten. Dies beinhaltet die Dokumentation der Flugplanung, sowie der
Flugdurchführung. Für die Auswertung ist es wichtig, eine optimale Bildkonfiguration für
die Erstellung von Höhenmodellen zu generieren. Aus diesen ersten Bildern werden
Höhenmodelle und Orthofotos angefertigt.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in einer hochwertigen Datengrundlage für die daraus
folgenden Auswertungen. Die resultierenden Höhenmodelle müssen im Bereich von
wenigen Zentimetern berechnet werden, um eine exakte Grundlage für die Erstellung von
Orthofotos zu garantieren.
Anhand von Laserscans und amtlichen Daten der swisstopo können die Daten evaluiert
werden. Abschliessend wird ein Grundriss des Abschnitts erstellt, welcher der weiteren
Planung für den Leitungsbau dient.
1

1.3 Aufbau der Arbeit
Einleitung
Im ersten Teil der Arbeit werden die Grundlagen und die wichtigsten Instrumente der
Arbeit erläutert. Angefangen mit allgemeinen UAV und dem verwendeten Falcon 8, über
die verwendete Kamera Sony Nex-5, bis hin zur Gleisgeometrie und den Gleisleitungen
wird in Kapitel 1 ein kurzer Überblick gegeben.
Im zweiten Teil geht es um die Datenaufnahme. Die beiden Messeinsätze am 31.10.2011 und
am 24.11.2011 werden separat aufgezeigt. Dabei wird der Prozess von der Flugplanung bis
hin zur Datenaufnahme dokumentiert. Des Weiteren werden die zusätzlichen Planungen,
wie Passpunkte, Laserscanstandorte und die Schwierigkeiten im Messablauf erläutert.
Im dritten und letzten Teil, dem Hauptteil der Arbeit, wird die Datenauswertung
abgehandelt. Die verwendeten Softwarepakete und Arbeitsschritte sind ein zentraler
Aspekt der Arbeit. Damit lässt sich der Arbeitsaufwand abschätzen und nachvollziehen.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Softwarelösungen kann aufgezeigt werden, wo
die Grenzen und Einschränkungen in der Auswertung liegen. Abschliessend werden die
Resultate diskutiert und analysiert.
2

2 Technische Grundlagen
2.1 UAV
2.1.1 Allgemein
Technische Grundlagen
Ein UAV ist ein unbemanntes Luftfahrzeug, welches zivil und militärisch eingesetzt werden
kann. Die Bezeichnungen RPV (“Remote Piloted Vehicle”) und Drohne können synonym
verwendet werden. Da diese Begriffe jedoch oft in Verbindung mit militärischen
Anwendungen erscheinen, wird in der Arbeit grundsätzlich UAV verwendet. Es wird
unterschieden zwischen manuell gelenkten, assistierten und autonomen Fluggeräten
[Eisenbeiss, 2009 ; Goebel, 2010].
Diese Arbeit beschränkt sich auf die zivilen Anwendungen von UAV. Bisher wurden UAV
hauptsächlich in Katastrophengebieten eingesetzt. Ohne den Einsatz von Menschenleben
kann ein Überblick gewonnen und allfällige Schäden vorgängig eingeschätzt werden
[Pluta, 2009]. In der Vermessung gewinnen UAV an Bedeutung. Dabei werden
unterschiedliche Sensoren, wie herkömmliche Kameras, Wärmebildkameras und
Laserscanner auf dem UAV eingesetzt.
Die Einsatzgebiete von UAV werden fortlaufend erweitert. Einige Beispiele sind nach
Neitzel et al. (2009) sind:
� Polizeiliche Fahndungen, Verkehrsüberwachung und Vermisstensuche
� Katastrophenschutz und Katastrophenmanagement
� Erfassung von Geoinformationen und Bauwerksinspektion
2.1.2 Ascending Technologies GmbH - Falcon 8
Für die Aufnahme der Bilder steht der Falcon 8 (Abb. 1) von Ascending Technologies zur
Verfügung. Durch die Redundanz der acht Rotoren garantiert das UAV einen stabilen und
sicheren Flug und kann beim Ausfall von Rotoren weiterhin manövriert werden. Auch bei
Windverhältnissen von bis zu 10 m / s verspricht die Ascending Technologies GmbH, dass der
geplante Flug ungehindert durchgeführt werden kann. Die Zuladung ist beschränkt auf
500 Gramm, um das maximale Abfluggewicht von 1,8 kg nicht zu überschreiten. Durch die
Zuladungsbeschränkung ist die Verwendung von Sensoren massgeblich eingeschränkt.
Die Navigation des Oktokopters geschieht mittels GPS. Da die Höhenbestimmung des GPS-
Sensors nicht ausreichend exakt ist, wird die Höhe zusätzlich barometrisch gestützt. Durch
Testflüge ist ersichtlich, dass die barometrische Höhensteuerung von der korrekten Höhe
abdriften kann. Zudem verfügt der Falcon 8 über einen Kompass und ein INS, welche die
Fluglage des UAV überwachen.
3

Technische Grundlagen
Für die Luftbildaufnahme stehen eine herkömmliche Kompaktkamera Lumix LX-5 oder die
Systemkamera Sony Nex-5 zur Verfügung. Die Sony Nex-5 verfügt über eine
Festbrennweite von 16 mm. Zusätzlich kann das UAV mit einer Infrarotkamera ausgerüstet
werden, was die Möglichkeit birgt, Wärmeunterschiede zu detektieren. Für die
Anwendungen auf den Gleisen ist dies nicht nötig [Ascending Technologies GmbH, 2011].
Abb. 1: AscTec Falcon 8
2.2 Kamera Sony NEX-5
Mit der Sony NEX-5 steht für die Aufnahme der Bilddaten eine qualitativ hochwertige
Systemkamera zur Verfügung. Der 14 Megapixel CMOS Bildsensor im APS-C Format
(22,2x14,8mm) ermöglicht grossformatige Aufnahmen. Durch den Einsatz von
Wechselobjektiven kann der Aufnahmewinkel, sowie die Bildqualität beeinflusst werden.
Im Falle des Falcon 8 wird ein 16 mm Weitwinkelobjektiv eingesetzt. Der weite
Aufnahmewinkel ermöglicht eine grosse Flächenabdeckung mit wenigen Bildern. In Kapitel
2.2.3 wird dies näher beschrieben [Sony Europe Limited, 2011].
4

2.2.1 Kamerakalibrierung
Technische Grundlagen
Durch die Kamerakalibrierung werden die Abbildungseigenschaften, das heisst die innere
Orientierung der Kamera, definiert. Dabei werden der Bildhauptpunkt (Parameter x p,,y p), die
Kamerakonstante und die Verzeichnungsfaktoren bestimmt [Godding, 1994].
2.2.1.1 Australis V. 7.2
Die Software Australis der Firma Photometrix eignet sich, um die Kalibrierungen für
metrische Kameras, wie auch für handelsübliche Kompaktkameras zu berechnen. Sie
ermöglicht durch die integrierte Bildmessung und Bündelausgleichung die Extraktion von
dreidimensionalen Punktkoordinaten und den Sensorkalibrierungsdaten der verwendeten
Kamera. Mit kodierten Zielmarken lässt sich eine vollautomatische Kalibrierung berechnen.
Falls die automatische Kalibrierung nicht funktioniert, können die Zielmarken manuell mit
einem Schwerpunktoperator exakt bestimmt werden [Photometrix, 2004].
Resultierend aus der Kalibrierung werden die folgenden Parameter bestimmt:
� Innere Orientierung: c, x p,,y p
� Zusätzliche Parameter der inneren Orientierung:
· Radiale Verzeichnung: k 1, k 2, k 3
· Dezentrierende Verzeichnung: p 1, p 2
· Affinitätsparameter: b 1, b 2
Mit den Parametern lassen sich die korrigierten Bildkoordinaten berechnen. Die Formeln
für die Berechnung von x korrigiert, y korrigiert stammen aus der Definition von Australis
[Photometrix, 2001]:
Der Bezug zwischen dem Bildhauptpunkt und den gemessenen Koordinaten wird
folgendermassen hergestellt:
5

2.2.1.2 Labor- oder Testfeldkalibrierung
Technische Grundlagen
Die Laborkalibrierung ist aufwändig und muss von Fachleuten durchgeführt werden.
Mittels Goniometer oder Kollimator wird der Strahlengang durch das Objektiv gemessen
und so die innere Orientierung bestimmt. Im Bereich der Luftbildphotogrammetrie wird
diese Form der Kalibrierung angewendet. Sie ist in der Nahbereichsphotogrammetrie
bedeutungslos, da im Nahbereichsfall keine festinstallierten Luftbildkameras verwendet
werden. Somit muss die Kamera bei jeder Aufnahme neu kalibriert werden.
Schneller und einfacher kann die Kamera mit einem Testfeld kalibriert werden. Dabei wird
das Testfeld aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen. Zudem wird die Kamera um
die Achse rotiert und die Aufnahmewinkel rund um das Testfeld verteilt. Durch die
Strahlenschnittbedingungen kann die innere Orientierung gefunden werden [Przybilla,
Jahr unbekannt].
2.2.1.3 Simultankalibrierung
Ein grosser Vorteil der Simultankalibrierung ist, dass die Kalibrierung immer exakt zum
Aufnahmedatum passt. Somit gibt es keine Veränderung der inneren Orientierung
zwischen der Kalibrierung und der Aufnahme. Die regelmässige Kalibrierung des
Kamerasystems entfällt, was die Anwendung und Umsetzung der photogrammetrischen
Auswertung vereinfacht. Dabei kann die innere Orientierung aus den Bildinformationen
und den Strahlenschnittbedingungen gefunden werden. Es ist wichtig, dass die
Aufnahmegeometrie die gleichen Rotationen und Winkeländerungen aufweist wie im
Testfeld [Przybilla, Jahr unbekannt].
Für die äussere Orientierung werden Passpunkte benötigt, welche den absoluten Bezug
zum Objektraum herstellen, das heisst, welche die Verknüpfung ins Landeskoordinaten-
system ermöglichen.
2.2.2 Bildaufnahme
Für die Bildaufnahme stehen die Einzelbild- und die Videoaufnahme zur Verfügung. Die
Einzelbildaufnahme kann in der Flugplanung eingebunden werden. Somit werden an
jedem Wegpunkt Bilder aufgenommen, welche danach mit einer Auflösung von 4592x3056
Pixel abgespeichert werden. Abhängig von der Verwendung kann zudem der
Aufnahmewinkel variiert werden. Dadurch ist es möglich eine senkrechte
Blockkonfiguration des Perimeters oder aber auch Einzelobjekte aus verschiedenen
Perspektiven aufzunehmen.
Alternativ kann der Videomodus verwendet werden. Mit einer Auflösung von 1920x1080
Pixel werden 25 Bilder pro Sekunde aufgezeichnet. Durch die geringere Auflösung resultiert
eine geringere Genauigkeit bei der photogrammetrischen Auswertung. Die Auflösung des
Höhenmodells wird beeinträchtig, auch wenn die Orientierung weiterhin möglich ist. In
der Masterarbeit von Christoph Ober zur Untersuchung des Videomodus der Kamera auf
6

Technische Grundlagen
dem Oktokopter wird diese Problemstellung beschrieben [Ober, 2011]. Um eine äquivalente
Auswertung zu ermöglichen, muss näher an die Objekte geflogen werden. Dies erfordert
eine grössere Bildanzahl und einen erheblich grösseren Arbeitsaufwand. Bei
gleichbleibender Höhe gehen zudem Bilddetails wie Textur und Farbinformation verloren,
welche elementar für die Matchingresultate der Software sind.
2.2.3 Objektiv
Die Kamera ist mit dem Sony E 16 mm f/2.8 ausgestattet. Durch die leichte und kleine
Bauweise ist das Objektiv optimal geeignet für den Einsatz am Falcon 8. Der Blickwinkel
entspricht einem 24 mm Objektiv, welches mit einer Voll-Format Kamera verwendet wird.
Die Berechnung des diagonalen Bildwinkels ergibt einen Abbildungswinkel von rund 83°
[Baumann, 2009].
Die verwendete Formel für die Bestimmung des Bildwinkels ist gemäss Baumann (2009):
Bildsensor 23.4x15.6 mm (APS-C)
Brennweite 16 mm
Bildwinkel diagonal 83°
Bildwinkel längs 72°
Bildwinkel quer 52°
Tab. 1: Spezifikationen mit Sony 16 mm Objektiv (SEL-16F28)
In Testberichten im Internet ist jedoch auffällig, dass das Objektiv erhebliche chromatische
Aberrationen aufweist. Chromatische Aberrationen sind Farbsäume, welche durch die
unterschiedlichen Brechungseigenschaften der einzelnen Farben des Lichts vor allem bei
minderwertigen Weitwinkelobjektiven entstehen. Durch die Farbsäume sind Kanten
ungenauer abgebildet und somit ungeeignet für Verknüpfungspunkte. Zudem ist die
Bildschärfe bei grossen Blendenöffnungen im Randbereich eher schwach [Schroiff, 2010]. In
Abb. 2 sind die chromatischen Aberrationen an zwei unterschiedlichen Zielmarken
ersichtlich.
7

Abb. 2: Chromatische Aberrationen an Zielmarken
2.3 Zoller+Fröhlich Imager 5006i Laserscanner
Technische Grundlagen
Für die Aufnahme von Referenzdaten wird ein Laserscanner von Zoller+Fröhlich eingesetzt.
Mit einer Messreichweite von 30-40 Metern ist es möglich, mit wenigen Aufstellungen den
Messperimeter abzudecken. Die Messauflösung lässt sich in mehreren Stufen regulieren
[Zoller+Fröhlich GmbH, Jahr unbekannt]:
Auflösungsstufen Pixel pro 360° Scandauer
Middle 5‘000 1min 40s
High 10‘000 3min 20s
Super High 20‘000 6min 40s
Ultra High 40‘000 26min 40s
Tab. 2: Auflösung des Laserscanners
8

Abb. 3: Z+F Imager 5006i im Obergoms im Einsatz
Technische Grundlagen
Adaptiv kann eine Weitwinkelkamera verwendet werden, wie in Abb. 3 ersichtlich ist. Da
die Aufnahme der Bilder etwa gleich lange dauert, wie die Messung der Punktwolke, ist es
wichtig, die Notwendigkeit vorgängig zu prüfen.
2.4 Gleisgeometrie
Obwohl die Gleisgeometrie auf Grund der Modellgenauigkeit nicht direkt eingemessen
werden kann, ist sie eine wichtige Referenz für die Ausrichtung der Masten und Leitungen.
Zudem stehen die Planwerte der Leitungen in der Regel relativ zur Gleisgeometrie.
2.4.1 Achse
Die Gleisachse ist exakt die Gleismitte und verläuft entlang der Längsrichtung des Gleises
zwischen den Schienen. Gemessen wird der Abstand 14 mm unterhalb der
Schienenkopfinnenfläche. Im Gleisbogen mit Spurerweiterung wird die Achse im Abstand
der halben Regelspurweite von der äusseren Schiene gemessen [Müller, 2000; Wikipedia ,
2011a]. Die Begriffe sind in der Abb. 4 illustriert.
9

Abb. 4: Skizze zur Gleisachse nach Glaus (2006)
2.4.2 Überhöhung
Technische Grundlagen
Um die Zentrifugalkraft in die Gewichtskraft wirken zu lassen, werden die Gleise überhöht.
Das heisst, die äussere Schiene wird angehoben. Es entsteht eine Querneigung der
Fahrbahn zum Kurveninnern. Die nach aussen treibende Zentrifugalkraft und die senkrecht
drückende Gewichtskraft wirken zusammen im Optimalfall trotz der Kurve senkrecht auf
die Schienen. In Abb. 5 ist die Überhöhung schematisch dargestellt. Überhöhte Kurven
können schneller befahren werden, ohne dass Züge entgleisen oder starke Kräfte zur Seite
entstehen.
Die maximale Überhöhung ist der Wert, bei dem ein stehendes Fahrzeug nicht aus den
Schienen kippt. Bei einer Notbremsung muss ein Zug an jeder Stelle sicher anhalten
können [Wikipedia, 2011b]. Da die Strecken von Zügen mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit befahren werden, wird vermehrt eine Regelüberhöhung angewandt.
Abb. 5: Überhöhung des Gleises nach Glaus (2006)
Der Wert der Regelüberhöhung wird gemäss Müller (2000) folgendermassen berechnet:
10

Technische Grundlagen
Dabei werden ohne Genehmigungsverfahren folgende Planungswerte für Überhöhungen
verwendet.
Gleise
Weichen, Kreuzungen,
Kreuzungsweichen und
Schienenauszüge
Herstellungsgrenze u = 20 mm u = 20 mm
Regelwert u = 100 mm u = 60 mm
Ermessensgrenzwert
An Bahnsteigen:
u = 60 mm
Schotteroberbau:
u = 160 mm
Feste Fahrbahn:
u = 160 mm
An Bahnsteigen
u = 100 mm
Tab. 3: Planungswerte für Überhöhung [Müller, 2000]
2.5 Bahnleitungsbau
u = 120 mm
Aussenbogenweiche mit
starrem Herzstück:
u = 100mm
Für ein grundlegendes Verständnis der Bahnanlagen werden in diesem Kapitel die
wichtigsten Elemente und Eigenschaften des Bahnleitungsbaus kurz erklärt.
2.5.1 Grundelemente
Im Bahnleitungsbau existiert eine Vielzahl von Bauelementen. In dieser Arbeit wird auf die
Masten, sowie den Fahrdraht eingegangen.
2.5.1.1 Masten
Die Masten übernehmen unterschiedliche Aufgaben im Gleisleitungssystem. Sie sind
Stützpunkte für die Gleisleitungen. Es wird unterschieden zwischen Nachspannmasten,
Mittelmasten und Tragmasten. In der Mitte des Nachspannungsabschnitts befindet sich
ein Festpunkt, welcher die Leitung fixiert. Durch die Gewichte an Nachspannungsmasten
können Ausdehnungen der Leitungen durch Temperaturschwankungen ausgeglichen
werden. Die Thematik der Leitungen wird in Kapitel 2.5.2 ausgeführt.
11

2.5.1.2 Fahrdraht
Technische Grundlagen
Die Grundeigenschaft des Fahrdrahts ist das Leiten des Stroms an den Abnehmer der
Lokomotive. Weiter ist eine hohe Festigkeit, sowie Temperatur- und Korrosions-
beständigkeit wichtig. Auf Grund dieser Anforderungen werden für den Fahrleitungsbau
grösstenteils hartgezogenes Elektrolytkupfer und Kupferlegierungen eingesetzt. Kupfer
bildet eine leitfähige Oxidschicht, welche den Stromübergang nicht behindert. Versuche,
Aluminium- anstatt Kupferdrähte einzusetzen, scheiterten auf Grund der schlecht
leitenden Oxidschicht.
Um eine grössere Zugspannung zu erreichen, werden Legierungszusätze wie Silber oder
Magnesium eingesetzt. Für langsam verkehrende Bahnen ist dies nicht relevant, aber im
Hochgeschwindigkeitsverkehr ist die Zugspannung entscheidend um einen stabilen
Betrieb zu gewährleisten.
Der Fahrdraht verschleisst durch das Beschleifen des Stromabnehmers. Dabei unter-
scheiden sich die Verschleissgeschwindigkeiten je nach eingesetzten Materialien des
Fahrdrahts und des Abnehmers. Die Kombination von Kupferfahrdraht und Kohle-
schleifleiste hat sich über die Jahre als stabile Konfiguration erwiesen. Fahrdrähte, die um
mehr als 20% bis 30% des Querschnitts abgenutzt sind, müssen ersetzt werden, da die
Stromtragfähigkeit verringert wird [Gukow et al., 1997].
2.5.2 Leitungstypen
Je nach Bahngesellschaft und Verwendungszweck variieren die Konstruktion und das
Material der Bahnleitungen. Es ist in erster Linie abhängig von der Bahngeschwindigkeit,
jedoch auch von den lokalen Gegebenheiten. Die Fahrleitung ist das einzige Element im
Bahnbau, welches aus finanziellen und technischen Gründen nicht redundant geführt
wird. Deshalb soll die Anlage betriebssicher und leistungsfähig sein. In einer kurzen
Auflistung soll ein grober Überblick über die üblichen Leitungstypen gegeben werden.
2.5.2.1 Bahnstromarten
Ursprünglich wurden für den Bahnbetrieb Gleichstromleitungen verwendet. Auch heute
wird noch rund die Hälfte aller Leitungen mit Gleichstrom versorgt.
Der Vorteil von Wechselstrom ist die höhere Nennspannung. Deshalb wurde anfang des 19.
Jahrhunderts der Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16⅔ Hz eingeführt.
Dieser erwies sich als besonders leistungsfähig und effektiv im Hochgeschwindigkeits- und
Hochleitungsverkehr. Die gängigen Stromversorgungsarten sind [Gukow et al., 1997]:
� DC 1,5 kV
� DC 3,0 kV
� AC 16⅔ Hz 15 kV
� AC 50 Hz 25 kV
12

2.5.2.2 Einfachoberleitungen
Technische Grundlagen
Einfachoberleitungen sind Fahrleitungssysteme ohne Tragseil. Deshalb sind die Abstände
zwischen den Stützpunkten kurz. Der Durchhang der Fahrleitung ist gross und durch den
kurzen Abstand der Stützpunkte bleibt die Variation der Fahrleitungshöhe innerhalb der
Toleranz. Der Anwendungsbereich beschränkt sich auf Strassenbahnen, Industriebahnen
und auf Nebenstrecken mit einer Befahrgeschwindigkeit von höchstens 80 km/h [Gukow
et al., 1997].
2.5.2.3 Hochkettenoberleitungen
Anders als die Einfachoberleitungen verfügen die Hochkettenoberleitungen über ein, bzw.
selten zwei, Tragseile, welche die Fahrdrähte über Hänger tragen. Die Vorteile gegenüber
den Einfachoberleitungen sind die grösseren Längsspannweiten und der verringerte
Verschleiss der Kontaktmaterialien.
Die Nachspannung wird unterschieden in vollkompensierte Kettenwerke und halb-
kompensierte Kettenwerke. Bei den vollkompensierten Kettenwerken können die
Fahrleitung und das Tragseil getrennt oder gemeinsam nachgespannt werden. Die
halbkompensierten Kettenwerke spannen lediglich die Fahrleitung nach und die Tragseile
sind fest abgespannt.
Auf die unterschiedlichen Kettenwerke wird nicht im Detail eingegangen. Nähere Angaben
können in Gukow et al. (1997) nachgelesen werden.
2.5.2.4 Stromschienen
Alternativ können bei geringem Platzbedarf Stromschienen eingesetzt werden. Die
unbiegsame, nahezu starre Bauweise eignet sich für den Einsatz in Tunnels oder U-
Bahnschächten. Als Stromschienenoberleitungen wird deutlich weniger Platz benötigt als
mit Einfach- oder Kettenoberleitungen [Gukow et al., 1997].
2.6 Bahnleitungsvermessung
2.6.1 Herkömmliche Messmethoden
Bei der Bahnleitungsvermessung wird die Lage des Fahrdrahtes in Bezug auf die Gleisachse
(Fahrdrahtseitenlage) und die Höhe über der Gleisoberkante (Fahrdrahthöhe) gemessen.
Die Bahnleitungsvermessung wird bei Neubaustrecken, sowie bei bestehenden Strecken,
welche durch Setzungen der Gleise überprüft werden, eingesetzt. [Feinmess Dresden
GmbH, 2011a]
13

2.6.1.1 Manuelle Messungen
Technische Grundlagen
Um die Lage des Fahrdrahtes zu bestimmen, wird mit einem Laserlot vom Gleis auf die
Leitung gemessen. Für die Bestimmung der Gleisachse wird eine Messschiene verwendet.
Es resultieren die Höhe über dem Gleis und die Abweichung von der Achse. Die Messungen
sind statisch und geschehen an beliebig vielen Messpunkten. Bei den Systemen der Firma
Feinmess Dresden GmbH können die Daten direkt auf einem Computer oder PDA
gespeichert werden.
Die Genauigkeit des FM5 Fahrdrahtmessgeräts wird vom Werk mit +/- 1 mm für die
Lasermessung und +/- 3 mm für das ganze System angegeben. Zusätzlich verfügt das FM5
Fahrdrahtmessgerät über ein Neigungssensor, welcher die Überhöhung des Gleises
bestimmen kann [Feinmess Dresden GmbH, 2011b].
2.6.1.2 Automatisierte Messungen
Sobald die Fahrleitungen auf langen Strecken überprüft werden, ist es wichtig
automatisierte Messverfahren einzusetzen. Eine Entwicklung der Firma Furrer+Frey AG und
dem Ingenieurbüro Vogel Messtechnik ist das DCM – Dynamic Catenary Monitoring.
Das DCM ist ein Transportcontainer (Abb. 6), welcher einen Stromabnehmer und
Messinstrumente enthält. Durch die Verpackung in einen Transportcontainer kann das
Messgerät überall hin verfrachtet werden und ist zudem auf jedem Flachwagen universell
einsetzbar.
Über eine Lichtschranke am Stromabnehmer kann die Seitenlage in Bezug zur Gleisachse
definiert werden. Somit kann die Messung bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 5-40 km/h
durchgeführt werden. Dabei kann eine Genauigkeit von 1.0 cm in der Höhenlage und 1.2 cm
in der Seitenlage erwartet werden.
Zusätzliche Video- und Bildaufnahmen dienen der Analyse von allfälligen Störstellen
[Furrer+Frey AG, 2005].
14

Abb. 6: Dynamic Catenary Monitoring [Furrer+Frey AG, 2005]
2.6.2 Bahnleitungsvermessung mittels UAV
Technische Grundlagen
Im Bahnbetrieb ist es sehr wichtig, dass Züge wenn immer möglich ohne Verspätung und
unterbruchsfrei auf den Gleisen verkehren können. Die Messung der Fahrleitungen ist
einerseits wichtig bei Neubaustrecken, andererseits müssen aber auch die Fahrleitungen
von bestehenden Strecken auf Grund von Setzungen und Deformationen des Gleises
kontrolliert werden [Feinmess Dresden GmbH, 2011a].
Daraus entwickelte die Firma Furrer+Frey AG in Kooperation mit der ETH Zürich die Idee,
mittels UAV Bilddaten die Fahrleitungen, Gleise und die Gleisumgebung aufzunehmen und
somit eine berührungslose Messung durchzuführen.
2.6.2.1 Allgemein
Erst seit dem Jahr 2008 existiert der Begriff der UAV-Photogrammetrie, welcher in der
Dissertation von H. Eisenbeiss eingeführt wurde. Die aufgenommenen Luftbilddaten
können mittels photogrammetrischer Auswertungen zu Höhenmodellen und 3D-
Oberflächen gerechnet werden. Dies geschieht analog, wie in der klassischen
Luftbildphotogrammetrie oder in der Nahbereichsphotogrammetrie aus terrestrischen
Bildern. Der Vorteil liegt in der flexiblen Gestaltung der Aufnahmewinkel. So kann in kurzer
Zeit ein Objekt in unterschiedlichen Massstäben abgebildet werden [Eisenbeiss, 2009].
Der Nachteil liegt in der Genauigkeit. Es ist bei einer Genauigkeitsanforderung von
wenigen Millimetern nicht möglich, die Gleisgeometrie mit Höhenmodellen oder
Orthofotos aus UAV-Luftbildern zu prüfen. Somit beschränkt sich der Einsatz auf die
Messung der Gleisleitungen, beziehungsweise der Leitungsmasten und der näheren
Umgebung um die Gleise.
15

2.6.2.2 Flugplanung
Technische Grundlagen
Die mitgelieferte Software der Firma Ascending Technologies GmbH, Autopilot v1.57,
ermöglicht die Planung von autonomen Flügen im Testgebiet. Dafür wird ein
hochauflösendes Orthofoto benötigt. Für den Bereich der Teststrecke im Gebiet der Region
Niederwald im Kanton Wallis sind lediglich ältere, bestehende Orthofotos der swisstopo
verfügbar (Swissimage50) [GeoVITe, 2011]. Mit einer Auflösung von 0.5 m ist es nicht
möglich, eine exakte Flugplanung im Bereich der Gleise vorzunehmen.
Aus den Eigenschaften der Kamera mit dem zugehörigen Objektiv können erste
Abschätzungen bezüglich der Flughöhe durchgeführt werden. Aus dem Bildwinkel und der
geplanten Flughöhe lässt sich die Bodenauflösung berechnen. In der Tab. 4 sind diese
Werte aufgeführt. Die Formeln stammen aus Baumann (2009).
Flughöhe Bodenauflösung längs Bodenauflösung quer GSD
20m 30m 20m 0.6 cm
30m 45m 30m 0.9 cm
40m 60m 40m 1.2 cm
60m 90m 60m 1.8 cm
Tab. 4: Flughöhe und Bodenauflösung
Eine Faustregel für die Generierung von digitalen Höhenmodellen ist, dass die Auflösung
des Höhenmodells rund dreimal schlechter ist als die ursprüngliche Bildauflösung. Somit
erscheint es sinnvoll, die Detailaufnahmen auf einer Flughöhe von rund zwanzig bis
dreissig Metern durchzuführen.
16

2.6.2.3 Lageplan
Technische Grundlagen
Um einen Überblick über die Gesamtsituation im Bereich der Zugstrecke zu erhalten,
werden Luftbilder mit einem kleinen Massstab aufgenommen. Das Ziel ist die Erkennung
der Leitungsmasten im digitalen Oberflächenmodell (DOM) und die
Informationsgewinnung über bestehende Masten. Weiter ist es möglich, Objekte wie
Häuser, Bäume und sonstige Hindernisse zu erkennen und zu registrieren.
Resultierend aus den Auswertungen stehen zudem Orthofotos des Messperimeters zur
Verfügung. Aus den Orthofotos sollen Informationen für die Lagepläne extrahiert werden.
In Abb. 7 ist ein Lageplan ersichtlich.
Abb. 7: Beispiel für einen bestehenden Lageplan der Furrer+Frey AG
2.6.2.4 Detailaufnahme der Fahrleitungen
Weiterführende Analysen benötigen detaillierte Aufnahmen des Leitungssystems. Deshalb
werden die einzelnen Masten zusätzlich mit einem grossen Massstab aufgenommen.
Daraus kann die Gleislage und die Lage der Fahrleitungsmasten abgeleitet werden. Es
resultieren 3D-Modelle der Gleisanlagen mit Schwerpunkt auf den Masten und den
Stromleitungen. In Abb. 8 sind Schemas von Mastanlagen abgebildet. Die generierten 3D-
Modelle sollen ähnliche Informationen enthalten.
Die Schwierigkeit liegt in der Rekonstruktion der homogenen Metallteile der Masten und
der Leitungen. Für die Generierung von 3D-Modellen ist es unumgänglich, dass durch
farbliche Differenzen oder unterschiedliche Texturen Verknüpfungspunkte gefunden
werden können.
In Abb. 8 sind Querschnitte einer Mastanlage dargestellt. Beim Testabschnitt der
Matterhorn-Gotthard-Bahn (MGB) im Obergoms sind ebenfalls eine Speiseleitung, ein
Fahrdraht, ein Trag- und Endseil vorhanden.
17

Abb. 8: Mastelement Schema der Furrer+Frey AG
Technische Grundlagen
18

3 Datenaufnahme
3.1 Aufnahme vom 31. Oktober 2011
3.1.1 Teststrecke
Datenaufnahme
Die Teststrecke (Abb. 9) im Wallis verläuft zwischen der Gemeinde Blitzingen und
Selkingen nahe der Gemeinde Niederwald. Auf dem eingleisigen Abschnitt der MGB
verkehren nur wenige Züge und die Strecke wurde in den vorgängigen Wochen saniert.
Somit existieren genaue Referenzdaten aus der Bau-, beziehungsweise Sanierungsphase.
Der Streckenabschnitt enthält eine Gerade, sowie eine leicht überhöhte Kurve. Seitlich ist
das Gleis sehr gut zugänglich und hat keine störenden Objekte wie Bäume oder
Siedlungsstrukturen. Der Messperimeter wird auf einen Bereich von 150 Meter begrenzt.
Abb. 9: Messperimeter im Obergoms
3.1.2 Flugplanung
Um eine optimale Abdeckung mit Luftbildern zu erhalten, wird der Messperimeter in
mehreren unterschiedlichen Flügen aufgenommen. Die ersten Flüge dienen der
Qualitätsabschätzung der Bilder, sowie der Aufnahme von Bildern zur Generierung eines
exakten Orthofotos. Die Erkennbarkeit der Zielmarken und der Schärfentiefe der Bilder lässt
sich vor Ort sehr gut abschätzen.
Mittels GPS gestütztem Flugmodus wird manuell entlang des Gleises auf einer Höhe von
30 Metern geflogen und Bilder aufgenommen. Dabei wird der Einzelbildmodus verwendet.
Durch die Neigung der Kamera sollen die Masten im Detail aufgenommen werden, um die
Generierung von detaillierten 3D-Modellen zu ermöglichen.
Für den autonomen Flug benötigt es die vorgängige Flugplanung. Da die exakte
Flugposition bis zum Aufnahmetag unbekannt ist, wird die Flugplanung direkt vor Ort
vorgenommen. Anhand der bestehenden Orthofotos kann mit der Software von Ascending
Technologies GmbH ein autonomer Flug geplant werden. Die Flugroute verläuft entlang
des Gleises mit einem konstanten Blickwinkel relativ zur Gleisachse.
19

Datenaufnahme
Die daraus resultierenden Luftbildstreifen ermöglichen die Generierung des Höhenmodells
und der Orthofotos des Messperimeters. Insgesamt werden Streifen mit rund zwanzig
Bildern aufgenommen. Für die Auswertung ist es nicht zwingend notwendig, dass
sämtliche Bilder ausgewertet werden. Es ist jedoch wichtig, dass die Bilder alle wichtigen
Bereiche abdecken. Allfällige unbrauchbare Bilder durch Unschärfe oder zu geringem Basis-
Höhen-Verhältnis können durch die überzähligen Bilder vernachlässig oder ersetzt werden.
3.1.3 Passpunkte
Für eine genaue Georeferenzierung werden im Messperimeter künstliche Zielmarken
ausgelegt und mittels Globalem Navigationssatellitensystem (GNSS) eingemessen. Als
Zielmarken werden runde, weisse Metallplatten mit einem Durchmesser von 30 cm
verwendet. Durch die runde Form kann mit einem Schwerpunktoperator das exakte
Zentrum gefunden werden. Die Genauigkeit des GNSS-Empfängers beträgt in der Regel 1-2
cm in der Lage und 2-4 cm in der Höhe [Leica Geosystems, 2011].
Die Messung ist abhängig von der Distanz zur Referenzstation. Durch technische
Komplikationen können die Passpunkte nicht mittels Real-Time-Kinematic (RTK) gemessen
werden. Die Korrekturdaten von swipos führen zu keiner Ambiguitylösung, das heisst, die
Phasenmehrdeutigkeit der GNSS-Messung kann nicht gelöst werden. Somit werden die
Punkte im statischen Modus jeweils 8-12 Minuten gemessen und nachträglich mit Rinex-
Daten korrigiert.
Auf Grund der kurzen Messdauer ist die Genauigkeit der GNSS-Punkte für die Erstellung
von präzisen Grundlagedaten zu ungenau. Zwänge, welche durch die Koordinaten-
ungenauigkeit entstehen, beeinträchtigen die Orientierung der Luftbilder. Im lokalen
Bezugsrahmen wird die Genauigkeit des Höhenmodells ausreichend sein, da die
Fehlereinflüsse der GNSS-Messungen sich nicht auf das Modell auswirken.
3.1.4 Kamerakalibrierung Sony Nex-5
Die Kalibrierung der Systemkamera Sony Nex-5 resultiert aus Bildern, welche direkt im
Testgebiet nach den jeweiligen Flügen aufgenommen werden. Dafür stehen kodierte
Zielmarken zur Verfügung, welche von der Software (iWitness oder Australis) erkannt
werden können. Die Kombination von roten und grünen Kreisen ermöglicht eine
eindeutige Zuweisung der jeweiligen Zielmarke. Durch eine regelmässige Verteilung (Abb.
10) wird eine verlässliche Kalibrierung erreicht. Zudem müssen die Bilder mit
unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden, um eine zuverlässige Kalibrierung zu
ermöglichen. Die Bilder werden abwechselnd im Hoch- oder Querformat aufgenommen,so
entstehen Rotationen von 90 Grad in negativer und positiver Richtung.
Grundsätzlich wird diese Variante unter Laborbedingungen durchgeführt. Das heisst, die
Beleuchtung ist gleichmässig und konstant. Diese Bedingungen sind nicht direkt vor Ort
am Messperimeter anzutreffen. Dadurch kann die Qualität der Kalibrierung beeinträchtigt
oder der Arbeitsablauf komplizierter werden.
20

In der Abb. 10 sind die Belichtungsunterschiede innerhalb des Testfelds ersichtlich.
Abb. 10: Kalibrierungsfeld im Projektgebiet
3.2 Aufnahme vom 24. November 2011
3.2.1 Messperimeter
Datenaufnahme
Als Teststrecke wird erneut der Abschnitt im Oberwallis verwendet. Somit können die
Daten des ersten Fluges mit den neuen Daten verglichen werden. Veränderungen in Bezug
auf das Bahntrasse und die Leitungen sind nicht zu erwarten, da weniger als ein Monat
zwischen den beiden Aufnahmetagen liegt und davon auszugehen ist, dass die Setzungen
kleiner sind als die Genauigkeit der digitalen Höhenmodelle.
Seitlich der Gleise wurden noch die letzten Schuttablagerungen entfernt, sowie die
Trasseabschlüsse fertiggestellt. Lokale Differenzen zwischen den beiden Aufnahmetagen
sind somit zu erwarten.
Eine weitere Veränderung ist durch den Sonnenstand zu berücksichtigen. Die tiefstehende
Sonne kann die Bildqualität bei Gegenlicht beeinträchtigen. Lange Schlagschatten
erschweren das Punktmatching in einigen Bildteilen.
21

3.2.2 Flugplanung
Datenaufnahme
Resultierend aus der Analyse der Bilder des vorgängigen Fluges wird die Flugplanung
angepasst. Dabei wird primär die Blickrichtung des Asctec Falcon 8 optimiert. Die breite
Seite der Bilder wird nun so gesetzt, dass sie entlang der Gleisachse verläuft. Dadurch wird
eine grössere Überlagerung im Messperimeter erreicht und die seitliche Abdeckung
reduziert. Die seitliche Abdeckung ist für den Arbeitsumfang unwichtig, da in der
Umgebung weder Gebäude noch relevante Objekte existieren.
Des Weiteren wird der Blickwinkel der Kamera generell nicht gegen die Sonne gedreht.
Schlagschatten können wichtige Elemente verdecken. Da diese aber nicht beeinflusst
werden können, müssen allfällige Fehler bei der Auswertung beobachtet und nötigenfalls
dokumentiert werden.
Für eine optimale Überlagerung der Bilder wird der Blickwinkel des UAV nicht der
Gleisachse angepasst. Dafür werden mehrere Streifen geflogen. Die daraus resultierenden
Bilder decken das Projektgebiet grosszügig ab und weisen eine hohe Überlagerung von 60-
80% auf. In Abb. 11 ist die verwendete Flugplanung ersichtlich.
Abb. 11: Flugplanung
22

3.2.3 Passpunkte
Datenaufnahme
Als Passpunkte werden A3-Folien verwendet, welche den Mittelpunkt durch ein Muster
einschränken. Damit wird es einfacher, den Mittelpunkt bei der Auswertung zu erkennen.
Durch die niedrige Flugtiefe von 30 Metern waren die verwendeten Passpunktscheiben
beim Flug vom 31. Oktober 2011 zu gross und somit nur mittels Schwerpunktoperator in
Australis exakt einmessbar. Mit den neuen Zielmarken soll eine stabilere und vor allem
schnellere Auswertung erreicht werden.
Die Anzahl an Passpunkten wird vergrössert und gleichmässig über den Messperimeter
verteilt. Topografische Eigenschaften des Perimeters beeinflussen die Verteilung der
Passpunkte, da die Passpunkte an ebenen, exponierten Stellen verteilt werden. Das
resultierende Geländemodell ist somit besser gestützt. Zudem können durch die höhere
Anzahl an Passpunkten auch kleinere Teilabschnitte ausgewertet werden. Für die
Bündelblock Triangulierung in LPS werden mindestens drei Passpunkte benötigt. In Abb. 12
sind die beiden unterschiedlichen Passpunktverteilungen ersichtlich.
Abb. 12: Verteilung der Passpunkte
23

3.2.4 Planung des Laserscannings
Datenaufnahme
Mittels Laserscanning lassen sich exakte Punktwolken des Testgebiets erstellen. Diese
dienen als Referenz für die generierten Geländemodelle aus den Luftbilddaten.
Die Schwierigkeit besteht darin, dass der Laserscanner nicht auf der Gleisachse positioniert
werden kann. Somit entsteht eine Verdeckung der Gleise bei der seitlichen Aufnahme. Aus
diesem Grund sind die Aufnahmepunkte auf beiden Gleisseiten gleichmässig verteilt. Die
Verdeckung der Gleishöhe wird so minimiert, wenn auch nicht vollständig verhindert.
Durch die hohe Winkelauflösung von rund 0.002 Grad [Zoller+Fröhlich GmbH, Jahr
unbekannt] des verwendeten Laserscanners Imager 5006i von Zoller+Fröhlich können
Leitungen und Masten detailliert aufgenommen werden. Bei einer Entfernung zum Objekt
von maximal 30 Metern entspricht das einer Distanz von 0.5 mm zwischen den
Bildpunkten. Da dies eine Datenmenge ergibt, welche nicht mehr bearbeitbar ist, wird die
Auflösung auf die Einstellung „high“ reduziert. Der Punktabstand bei 30 m Messdistanz
beträgt in diesem Fall 2 mm [Zoller+Fröhlich GmbH, Jahr unbekannt].
Durch die Trassebreite sind die möglichen Standpunkte des Laserscanners sehr
eingeschränkt. Unterhalb des Gleises kann der Laserscanner auf Grund der Steilheit nicht
aufgestellt werden. Bei einer Aufstellung auf der Gleisunterseite würden die Gleise nicht
im Laserscan erscheinen, beziehungsweise die Verdeckungen gross sein.
24

4 Datenauswertung
Datenauswertung
Bei der Datenauswertung kommen verschiedene Software-Lösungen zur Anwendung.
Dazu gibt es für jeden einzelnen Schritt ein geeignetes Programm. In den folgenden
Abschnitten wird auf die Einzelheiten der Auswertungen eingegangen.
4.1 Kamerakalibrierung in Australis
Die Kamerakalibrierung wird in Australis berechnet. Dabei wird eine Konfiguration der
Luftbilder mit sämtlichen Zielmarken importiert. Mit der automatischen Zielmarken-
erkennung wird die Kalibrierung bestenfalls vollautomatisch berechnet. Für die Flüge vom
31. Oktober wurden die Zielmarken direkt auf der Wiese verteilt. Durch die
Sonneneinstrahlung war die Beleuchtung inhomogen. Unter diesen Bedingungen ist es
nicht möglich, eine vollautomatische Kalibrierung zu berechnen. Somit werden in einem
ersten Schritt die Zielmarken manuell gemessen und zugeordnet. Durch die
Lichtverhältnisse, vor allem die Schatten und Verdeckungen von Grashalmen, können
diverse Zielmarken nicht verwendet werden. Aus den manuellen Messungen wird eine
erste Kalibrierung berechnet. Diese dient als Näherung für eine zweite, automatische
Kalibrierung. Aus dem Kalibrierungsprotokoll können die relevanten Werte ausgelesen
werden. Konkret werden die Abweichung vom Bildhauptpunkt, die Brennweite und die
Verzeichnungswerte verwendet.
Die Kalibrierung wird für jeden Flug separat berechnet, um Fehlereinflüsse, resultierend
aus der Kamerakalibrierung, möglichst klein zu halten. Durch die Einschaltung der Kamera
nach dem Akkuwechsel wird der Fokus neu initialisiert und die Werte der inneren
Orientierung verändern sich. Obwohl die Abweichungen klein sind, ist es wichtig die
exakten Kalibrierungswerte zu verwenden. Der Fehlereinfluss der Kalibrierung wird damit
auf ein Minimum beschränkt.
25

Datenauswertung
31.10.2011 24.11.2011
Parameter in mm Assistierter Flug Autonomer Flug Autonomer Flug
C 15.8983 15.8995 15.8963
x p -0.1640 -0.1488 -0.1330
y p 0.0395 0.0434 0.0021
K 1 2.3906e -4 2.4253e -4
K 2 -1.0612e -6 -1.2945e -6
K 3
P 1
P 2
-1.7269e -9
7.0499e -5
-6.3650e -5
Tab. 5: Kalibrierungswerte aus Australis
-4.1321e -10
5.2505e -5
-6.5910e -5
2.5400e -4
-1.2621e -6
-1.2945e -9
6.5279e -5
-6.4270e -5
Aus den Kalibrierungswerten in Tab. 5 ist ersichtlich, dass die Kalibrierung der Sony Nex-5
instabil ist. Der Bildhauptpunkt in y-Richtung verschiebt sich um 40 μm. Bei einer
Pixelgrösse von 5.1 μm entspricht dies annähernd einer Verschiebung von acht Pixeln. Bei
der eingesetzten Kamera Sony Nex-5 aktiviert sich der Autofokus nach dem Austausch des
UAV-Akkus, da die Kamera von diesem betrieben wird und über keinen internen Stützakku
verfügt. Eine Auswertung mit den vorhergehenden Kalibrierungsdaten wäre somit zu
ungenau.
4.2 Passpunkte
Die statischen GNSS-Messungen vom 31. Oktober 2011 werden in Leica Geo Office (LGO)
ausgewertet und die Passpunktkoordinaten berechnet. Durch die kurze Messdauer ist die
Mehrdeutigkeit der GNSS-Messungen nicht lösbar und die Koordinatenqualität ist tiefer als
erwartet. In Tab. 6 sind die resultierenden Genauigkeiten und Koordinaten aufgeführt.
Pkt. Nr. X [m] Y [m] Z [m] 3D-KQ [m] Ambiguitylösung
1 659313.427 144520.613 1281.531 0.105 Nein
2 659355.895 144565.195 1284.163 0.069 Nein
3 659402.658 144600.439 1284.982 0.051 Nein
4 659353.651 144550.677 1282.516 0.005 Ja
5 659333.270 144529.624 1282.495 0.003 Ja
Tab. 6: LGO Auswertung vom 31. Oktober 2011
26

Datenauswertung
Die Zielmarken der Passpunkte mit einem Durchmesser von 30 cm im ersten Flug sind zu
gross für die Flughöhe von 30 Metern. Manuell ist es kaum möglich das Punktzentrum zu
treffen. Zwänge, welche durch die ungenaue Einmessung der Zielmarken entstehen,
führen zu einer reduzierten Genauigkeit im Modell. LPS verfügt über keinen Schwerpunkt-
operator für das Messen der Zielmarken. Deshalb werden die Bildkoordinaten in Australis
mittels Schwerpunktoperator extrahiert. Dadurch können Fehlereinflüsse durch die
ungenaue Messung der Zielmarken in LPS minimiert werden. Es bleiben
Koordinatenungenauigkeiten im Bereich von 2-4 cm aus den GNSS-Messungen, welche die
Modellgenauigkeit beeinflussen.
Durch die oben genannten Gründe wird die Auswertung des ersten Aufnahmetages
erheblich erschwert. Die Passpunkte der zweiten Messung können mit swipos
eingemessen werden. Die Koordinaten liegen durch die Verwendung einer virtuellen
Referenz ohne weitere Auswertungen vor. In Tab. 7 sind die Koordinaten mit der erreichten
Koordinatenqualität aufgeführt.
Pkt.-Nr. X [m] Y [m] Z [m] 3D-KQ [m]
101 659313.470 144531.047 1283.306 0.028
102 659332.692 144550.675 1282.017 0.033
103 659341.083 144562.994 1285.307 0.037
104 659367.526 144586.304 1283.354 0.024
105 659395.719 144594.006 1283.776 0.030
106 659395.109 144574.126 1283.023 0.026
107 659368.921 144559.924 1281.975 0.029
108 659356.954 144542.028 1278.164 0.028
109 659344.326 144522.698 1275.957 0.033
110 659334.166 144531.100 1281.176 0.029
Tab. 7: LGO-Auswertung vom 24. November 2011
27

4.3 Generierung Höhenmodell und Orthofoto
Datenauswertung
Eine zentrale Zielsetzung dieser Arbeit ist die Generierung von qualitativ hochwertigen
Höhenmodellen und Orthofotos. Dazu stehen drei verschiedene Software-Lösungen zur
Verfügung. Es sollen Vor- und Nachteile dieser Programme, sowie Herausforderungen
aufgezeigt werden. Die einzelnen Schritte in den jeweiligen Programmen werden nicht im
Detail aufgezeigt, da der Schwerpunkt in den Resultaten und nicht in den Arbeitsabläufen
liegt.
4.3.1 LPS
Mit LPS steht eine Luftbildsoftware zur Verfügung, die alle Arbeitsschritte von der
Orientierung, über die Höhenmodellerstellung bis hin zur Luftbildentzerrung unterstützt.
Die übersichtliche Oberfläche ermöglicht einen geordneten Arbeitsablauf von der
Orientierung bis zum Orthofoto. Für die Auswertung wird eine Luftbildblockkonfiguration
benötigt, da in LPS keine Schrägaufnahmen unterstützt werden.
4.3.1.1 Orientierung der Bilder
Nach der Erstellung eines LPS-Projekts, sowie der Definition der Kamera wird in einem
ersten Schritt die Orientierung mittels Verknüpfungs- und Passpunkten berechnet. Nach
dem manuellen Messen von Verknüpfungspunkten können automatisch gemessene
Verknüpfungspunkte generiert werden. Durch die Korrelation eines Suchfensters mit der
Standardgrösse von 21x21 Pixeln lassen sich gleiche Punkte in zwei oder mehreren Bildern
finden. Falsche oder unzureichend genaue Verknüpfungspunkte können durch den Root
Mean Square Error (RMSE) erkannt und eliminiert werden. Die Gleisschwellen und das
Kiestrasse sind für die Matchingalgorithmen schwer zu analysieren. Viele der gleisnahen
Verknüpfungspunkte sind in den weiteren Bildern falsch zugeordnet oder nicht auffindbar.
Die Orientierung wird dadurch verfälscht. Deshalb müssen diese Punkte vorgängig
eliminiert werden.
28

Abb. 13: Orientierungswerte des Bildblocks in LPS
Datenauswertung
Durch einen totalen RMSE von weniger als einem halben Pixel (Abb. 13) kann eine
verlässliche Orientierung erreicht werden. Die verwendeten 18 Bilder werden mittels
Bündelblockausgleichung orientiert.
Residuen dX [m] dY [m] dZ [m]
Residuen der Passpunkte 0.0211 0.0161 0.0182
Residuen der Verknüpfungspunkte 0.0159 0.0157 0.0286
Tab. 8: Durchschnittliche Residuen der Pass- und Verknüpfungspunkte
Die durchschnittlichen Residuen belaufen sich auf 1-3 cm. Durch die Passpunktgenauigkeit
der GNSS-Antenne, welche eine vergleichbare Genauigkeit aufweist, lassen sich diese
Residuen begründen. Mit der Einführung der Passpunkte im Landeskoordinatensystem,
beeinflussten diese die Fehler auf die Passpunkte und Verknüpfungspunkte des
Bildblockes.
4.3.1.2 Erstellung des Höhenmodells
Aus den Auswertungen resultiert ein erstes Höhenmodell mit der Genauigkeit von
wenigen Zentimetern. Modellfehler sind noch erkennbar. Diese sind auf Masten und
Verdeckungen durch die Ausleger zurückzuführen. In den Randgebieten sind durch zu
wenige Verknüpfungspunkte noch kleine Absätze an den Bildrändern erkennbar (Abb. 14).
Zudem treten die Versatze an Stellen auf, welche durch Passpunkte gestützt werden, da
das Modell auf den selben gelagert wird. Die Gewichtung der Passpunkte im Modell ist
grösser, als die der Verknüpfungspunkte. Deshalb können an Bildrändern Fehler in der
Grösse von einigen Zentimetern auftreten.
29

Abb. 14: Absätze durch instabile Konfiguration an den Rändern
Datenauswertung
Im Bereich der oberen Modellgrenze (Abb. 14) ist die Abdeckung durch Passpunkte kleiner
als im Modellzentrum. Die Wiese erschwert das Finden von Verknüpfungspunkten.
In einem darauf folgenden Arbeitsschritt werden deshalb die Randgegenden durch weitere
Luftbilder gestützt. Es entsteht eine verbesserte Stabilität und ein verlässlicheres Modell
über den gesamten Projektraum. Dennoch sind Fehlereinflüsse im Modell in Abb. 15
erkennbar. Besonders die Dachkonstruktion der Hütte und Verdeckungen durch Masten im
Gleisbereich bereiten der Software Schwierigkeiten.
Weiterhin ist erkennbar, dass ein leichter Absatz am Bildrand besteht. Obwohl das Modell
zusätzlich gestützt wird, lassen sich Ungenauigkeiten im Randbereich nicht vollständig
verhindern. Bei den Differenzbildungen zwischen den Höhenmodellen wird deshalb nicht
das gesamte Modell verwendet, sondern nur der stabile Mittelteil.
Abb. 15: Höhenmodell in ArcScene
30

4.3.1.3 Messung von Punkten im Stereomodus
Datenauswertung
Die Leitungen und Masten werden bei der Erstellung des Höhenmodells nicht
rekonstruiert. Dies liegt daran, dass die Masten, wie auch die Leitungen keine
differenzierbare Textur aufweisen und dadurch keine automatischen Verknüpfungspunkte
existieren. Um trotzdem Objektpunkte zu erhalten, können die einzelnen Objekte in der
Stereoansicht der Bildpaare manuell eingemessen und Einzelpunkte im Modell eingefügt
werden. Die resultierenden Koordinaten sind im XYZ-Format. Für die weitere Bearbeitung
in Geomagic oder in ArcScene werden die Punkte in eine ASCII-Textdatei exportiert. In
Kombination mit dem digitalen Höhenmodell stehen damit auch Daten über die Leitungen
zur Verfügung.
Der Vorteil liegt darin, dass die Punkte unabhängig vom generierten Modell sind. LPS
unterstützt keine dreidimensionalen Höhenmodelle. Wenn die Masten erkannt werden,
wird das Höhenmodell über die Masthöhe gelegt, wobei die Informationen unterhalb der
Masten verloren gehen. Der Nachteil ist der hohe zeitliche Aufwand, da die Punkte manuell
eingemessen werden müssen. Genaue Punktmessungen im Stereomodus sind in LPS
aufwändiger als in Photomodeler. Aus diesem Grund wird das 3D-Modell in Photomodeler
erstellt. Ausführungen dazu werden in Kapitel 5.1.3 beschrieben.
4.3.2 SatPP
SatPP, Satellite Image Precision Processing, ist eine Software, welche für die Auswertung
von Satellitenbildern entwickelt wurde. Sie kann jedoch auch im Fall von Luftbildern
eingesetzt werden.
Die Orientierung basiert auf automatisch generierten Verknüpfungspunkten, sowie
Passpunkten, welche manuell gemessen werden. Durch vorgängige Filterung der Bilder
werden die Bilder für die Höhenmodellgenerierung optimiert.
Für das Matching werden drei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Diese beinhalten
Punktmatching, Gittermatching und Kantendetektion [4DiXplorer AG, 2008].
Näherungswerte für die Orientierung werden aus LPS exportiert und in SatPP verwendet.
So kann auf die manuelle Passpunktmessung verzichtet werden.
4.3.3 Photomodeler
Photomodeler ist die einzige der drei Softwarelösungen, welche dreidimensionale
Höhenmodelle unterstützt. Mittels eines automatisierten Projekts kann in kurzer Zeit ein
Höhenmodell generiert werden. Die Bilddaten des UAV sind aus derselben
Luftbildkonfiguration wie in LPS. Trotz der guten Abdeckung ist es nicht möglich, die
Leitungsanlagen automatisch zu generieren. Um die Masten und Leitungen darzustellen,
benötigt es manuelle Messungen an den Eckpunkten der Masten, sowie den
Auflagepunkten der Leitungen an den Masten. Wie in LPS können die Leitungen im
Matching von Photomodeler nicht erkannt werden.
31

Datenauswertung
Im dichten Punktmatching können die Masten mit den Auslegern und Querträgern erkannt
werden. Auffällig ist, dass das Matching sehr viele falsche Punkte generiert (Abb. 16). Diese
müssen manuell gefiltert und entfernt werden. Mit Geomagic lassen sich die falschen
Matchingpunkte durch die Vermaschung der Punktwolke entfernen. Nur die dichten
Punktkonstellationen werden dabei vermascht. Einzelne oder entfernte Punkte werden
nicht in die Auswertung einbezogen (Abb. 17). Die Anzahl der brauchbaren Matchingpunkte
an den Masten ist klein und somit nicht ausreichend um die Masten automatisch zu
rekonstruieren.
Abb. 16: Punktwolke dichtes Punktmatching
Abb. 17: Punktwolke vermascht
Durch die Messung der Mastpunkte ist es möglich diese manuell zu rekonstruieren. Die
eingemessenen Punkte am Mastfuss, sowie an der Mastoberkante, lassen sich mit einer
Linie verbinden. So werden die Mastkanten dargestellt. Die Ausleger und Querträger
können anhand von eindeutig erkennbaren Punkten definiert werden. Mit dieser Methode
lassen sich die Masten mit nur wenigen Punkten visualisieren. Zudem können die
Leitungen durch Linien approximativ konstruiert werden. Das heisst, die Lage der
Leitungen wird als Gerade zwischen den Auflagepunkten an den Masten angenommen
und so konstruiert. Der Durchhang wird dabei vernachlässigt.
In Abb. 18 ist das Mastmodell abgebildet. Die dichte Punktwolke, welche ebenfalls in
Photomodeler generiert wurde, dient als Grundlage für die Darstellung. Das Rauschen der
Matchingpunkte kann in Photomodeler nicht entfernt werden.
Am oberen Bildrand sind zudem die Kamerastationen symbolisiert. Es ist erkennbar, dass
eine grosse Anzahl Bilder für die automatische Auswertung verwendet wurden.
32

Abb. 18: 3D-Mastmodell in Photomodeler
Datenauswertung
Das erstellte Modell kann als DXF-Datei exportiert werden. DXF-Dateien können in vielen
CAD-Lösungen verwendet werden. Da die Punktwolke aus dem Dense-Matching viele
Ausreisser hat und die grosse Punktanzahl die CAD-Software überfordert, werden die
Punkte in Geomagic vorgängig reduziert und von Ausreissern befreit.
4.4 3D-Punktwolken aus Laserscans
Aus den durchgeführten Laserscans existieren genaue Daten entlang der
Eisenbahnstrecke. Die Registrierung erfolgt anhand der Verknüpfungskugeln, welche in
den Laserscans ersichtlich sind. Durch die Einmessung mittels GNSS kann so der direkte
Bezug ins Landeskoordinatensystem hergestellt werden.
Die daraus resultierende Bezugsebene ist unabhängig von den Modellen in LPS und
Photomodeler und kann als Vergleich eingeführt werden. Im Messperimeter sind drei
Verknüpfungskugeln eingemessen worden, welche für die Transformation ins
Landeskoordinatensystem verwendet werden. Für die Helmert-Transformation mit sieben
unbekannten Parametern ist dies in der Theorie ausreichend.
Die Parameter beinhalten den Massstab µ, die Translationen c x, c y, c z, sowie die Rotationen
r x, r y und r z. [Wikipedia, 2011c].
33

Datenauswertung
In der Software LaserControl von Zoller+Fröhlich werden jedoch für die Auswertung drei
georeferenzierte Verknüpfungskugeln pro Scan vorausgesetzt, um die Transformation zu
berechnen. Würde die Georeferenzierung nach der Registrierung berechnet, wären drei
eingemessene Verknüpfungskugeln für den kompletten Laserscan ausreichend. Die
Georeferenzierung wird in der Software für alle drei Scans separat berechnet. Deshalb
werden die beiden nicht eingemessenen Kugeln mittels EasyTransformator berechnet und
können nachträglich eingefügt werden.
Alternativ kann die Punktwolke im lokalen Bezugssystem in der Software Geomagic auf das
Höhenmodell registriert werden, welches in LPS berechnet wurde. Der Vorteil dabei liegt
darin, dass die beiden Modelle auf die gleichen Messungen referenziert sind. Beim Messen
der Kugeln mittels GNSS entsteht ein Höhenunterschied zwischen dem Phasenzentrum
der GNSS-Antenne und dem Kugelzentrum. Allfällige Widersprüche können so eliminiert
werden. Die unabhängige Referenzfläche ist aber nicht mehr repräsentativ für den
globalen Bezug. Lokale Unterschiede zwischen den Höhenmodellen durch Fehler des
Matchings oder durch Verdeckungen werden ersichtlich.
4.5 Bereinigung der Höhenmodelle und Laserscans
Fehlereinflüsse, welche durch Schlagschatten und nicht rekonstruierbare Objekte, wie
Masten und Fahrzeuge entstehen, sollen minimiert werden. Geomagic verfügt über eine
Funktion, welche Fehler und Ausreisser eliminiert. Sie funktioniert nur als iterative
Anwendung, das heisst, bei mehrfacher Anwendung lassen sich die fehlerhaften 3D-Punkte
teilweise detektieren und löschen. Der zeitliche Aufwand hierfür ist gross und das Resultat
nicht in jedem Fall überzeugend.
Es ist deshalb einfacher, die Punktwolken zu vermaschen und in Flächenobjekte umzu-
wandeln. Dabei werden fehlerhafte Punkte nicht berücksichtig, da Ausreisser in der
Punktwolke einen maximalen Abstand überschreiten. Die restlichen Ausreisser können
manuell entfernt werden. Der Aufwand ist verhältnismässig gross, jedoch ist es für den
Vergleich der Höhenmodelle unumgänglich, da ansonsten die Differenzbildung zwischen
zwei Höhenmodellen beeinträchtigt wird.
Alternativ kann mit der Software SCOP++, einem Erweiterungsprogramm von Trimble
Inpho, eine automatische Filterung durchgeführt werden. Die Daten können als XYZ-
Koordinaten in einer ASCII-Datei importiert werden.
SCOP++ entfernt Gebäude und Vegetationsstrukturen, damit die Terrainhöhe verwendet
werden kann und Störobjekte aus der Analyse ausgeschlossen werden können. Der
Algorithmus beruht auf einer iterativen Abfolge von Filterungen, welche beliebig
angepasst werden kann. Es ist ersichtlich, dass grössere Objekte, wie Mastfundamente,
nicht restlos entfernt werden. Für die Analyse der Höhenmodelle ist es generell wichtig,
dass beide Datensätze mit derselben Technik gefiltert werden.
34

Datenauswertung
Die in Photomodeler erstellten Geländemodelle können am einfachsten in Geomagic mit
der Vermaschungsfunktion gefiltert werden. Dabei werden sämtliche Punkte vermascht.
Sobald der Abstand grösser ist als der angegebene Maximalabstand, wird die
Vermaschung nicht durchgeführt. Somit werden die verstreuten Einzelpunkte nicht in die
Auswertung einbezogen. In Abb. 19 ist die Punktwolke dargestellt. Nachdem die
Punktwolke vermascht ist, resultiert das Höhenmodell in Abb. 20.
Abb. 19: Photomodeler Punktwolke
Abb. 20: Photomodeler vermaschte Punktwolke
35

5 Resultate und Diskussion
5.1 Resultierende Modelle
5.1.1 Digitale Höhenmodelle aus LPS
Resultate und Diskussion
Aus den in Nadirrichtung aufgenommenen Luftbildern können in LPS Höhenmodelle
generiert werden. Die Rekonstruktion des Messperimeters kann realitätsgetreu
durchgeführt werden. Ausgehend von den Bildern des zweiten Aufnahmetages lassen sich
stabile Modelle generieren, welche für den Vergleich der Höhenmodelle untereinander und
mit dem Laserscan verwendet werden.
Im Bereich der Masten entstehen trotz zahlreicher Bilder und guter Überlappung
Matchingfehler. An der Stelle der Masten ist das nachvollziehbar. Die Matchingfehler im
Bereich der Gleise unter den Auslegern sind jedoch grösser als erwartet und können auch
bei mehrfacher Durchführung der Höhenmodellberechnung nicht eliminiert werden (Abb.
21).
Abb. 21: Fehlereinflüsse an Mastfundamenten und Trasse
In den Randgegenden sind weiterhin Versatze sichtbar. Diese lassen sich nicht eliminieren.
Das Modell wird deshalb nicht bis zum Randbereich genutzt, sondern auf den stabilen
mittleren Bereich beschränkt. So können die Instabilitäten eliminiert werden.
Des Weiteren entstehen Fehler bei der Rekonstruktion der Hütte im unteren Teil des
Messperimeters. Im Schlagschatten werden kaum Verknüpfungspunkte generiert. Die
Dachkonstruktion ist zudem auf Grund der homogenen Textur anfällig für falsche
36

Resultate und Diskussion
Matchingpunkte. Für den Vergleich der Höhenmodelle ist es sinnvoll, die Hütte zu
entfernen, da die deutlich erkennbaren Fehler das Resultat beeinträchtigen.
Fehler sind ebenfalls bei dem parkierten Lieferwagen zu erkennen. Die homogene
Oberfläche verhindert eine Rekonstruktion des Fahrzeugs, deshalb wird auch dieser Teil des
Höhenmodells nicht als repräsentativ eingestuft.
Für die Evaluierung des Höhenmodells werden die Differenzen der Passpunkte in Bezug auf
das Höhenmodell überprüft. Der Vergleich wird in Geomagic berechnet. In der Abb. 22 ist
erkennbar, dass die Passpunkte mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern mit dem
Höhenmodell übereinstimmen. Ausgehend von den Passpunktmessungen mit dem System
Leica 1200 sind diese Abweichungen im Bereich von 2-5 cm.
Abb. 22: Differenzen GPS-Messungen und Passpunkte
5.1.2 Digitales Höhenmodell aus SatPP
Die Höhenmodelle aus der SatPP Software sind durch starkes Rauschen an den Bildrändern
charakterisiert. SatPP wird grundsätzlich für die klassische Luftbildphotogrammetrie oder
Satellitenbilder verwendet, welche eine stabilere Konfiguration aufweisen als der UAV-
Bildflug. Kleine Verdrehungen der Bildwinkel um sämtliche Achsen sind möglich. Die
Stabilisierung durch das INS ist zu ungenau, um den Bildblock unter konstanten Winkeln zu
fliegen.
37

Abb. 23: Modell aus SatPP
Resultate und Diskussion
In Abb. 23 sind Rauscheinflüsse, ausgelöst durch eine ungenaue Orientierung des
Bildblockes, erkennbar. Zudem ist ersichtlich, dass die Gleisschwellen detailliert abgebildet
werden. Durch die Kantendetektion wird die Struktur der Gleistrasse besser rekonstruiert.
5.1.3 3D-Modelle aus Photomodeler
Mit Photomodeler kann mittels eines automatisierten Projekts in kurzer Zeit die
Orientierung berechnet und ein Höhenmodell generiert werden. Anhand der guten
Aufnahmekonfiguration ist ersichtlich, dass die Rekonstruktion der Masten sehr komplex
ist. Die nahezu texturlose Oberfläche und die dünnen Leitungen können nicht automatisch
rekonstruiert werden.
Einzelobjekte können durch gemeinsame Punkte manuell gemessen werden. So ist es
möglich, die Masten und die Lage der Leitungen zu konstruieren. Die Leitungen können
zwischen zwei Mastpunkte gelegt werden. Der Durchhang der Leitungen wird dabei
vernachlässigt. Es bleibt die Lage der Leitungen und des Tragseils. Durch die manuelle
Auswertung wird dafür mehr Zeit benötigt und es ist zudem wichtig, dass die Bilder mit
einer hohen Auflösung vorliegen. Nur so können die Auflagepunkte der Leitungen an den
Masten, Mastfusspunkten und Ecken erkannt werden. Das verwendete Objektiv an der
Sony Nex-5 weist starke chromatische Aberrationen auf, was die Detektion von Kanten
massgeblich erschwert.
38

Resultate und Diskussion
Die Genauigkeit der manuellen Messungen ist kompliziert zu evaluieren. Da die
Mastkanten nicht in Geomagic importiert werden können, entfällt der Vergleich mit der
Punktwolke des Laserscans an den Mastpunkten.
Eine Abschätzung der Genauigkeit kann anhand der Bildgeometrie vorgenommen werden.
Bei der Bildauflösung der Luftbilder entspricht ein Pixel rund 1 cm auf dem Boden. Durch
die Erhöhung der Masten wird es an der Mastoberkante kleiner sein. Bei guter
radiometrischer und geometrischer Auflösung der Bilder kann eine Kante mit einer
Genauigkeit von 1-3 Pixel in beiden Bildern gemessen werden. Somit entspricht dies einer
Genauigkeit von 1-3 cm. Abweichungen aus der Georeferenzierung mit den GNSS-
Messungen bewirken einen zusätzlichen Einfluss und beeinträchtigen die Genauigkeit. Des
Weiteren wird eine genaue Orientierung der Bilder vorausgesetzt. Ansonsten liegt den
Messungen ein ungenaues Höhenmodell zu Grunde. Sämtliche Höhen, welche aus dem
Modell abgeleitet werden, wären somit ungenau.
5.1.4 Punktwolken aus Laserscan
Die 3D-Punktwolken der Laserscans wurden in Zoller+Fröhlich LaserControl zueinander
registriert und für die Auswertung bereitgestellt. Durch die Georeferenzierung auf die
Verknüpfungskugeln sind die Laserscans im schweizerischen Landeskoordinatensystem
eingebunden.
Geomagic erschwert diese Auswertung, da sechsstellige Koordinaten den Arbeitsprozess
verlangsamen, bzw. zu Fehlinterpretationen führen können. Zudem wird die Punktwolke
unregelmässig dargestellt. Zwischen den Punkten entstehen ungleichmässige Abstände,
welche die Vermaschung erschweren oder verunmöglichen (Abb. 24).
Abb. 24: Fehlerhafte Vermaschung des Modells
39

Resultate und Diskussion
Die Abstände zwischen den Punkten betragen in der Abb. 26 rund 5-10 cm. Die
Vermaschung kann somit nur durchgeführt werden, wenn der angenommene
Punktabstand ebenfalls in dieser Grösse angegeben wird. Zudem muss das Modell
geglättet werden, da die grösseren Dreiecke eine unebene Oberfläche verursachen. Mit
diesen Anpassungen werden die Modelle bei der Vermaschung stark beeinträchtigt und
ein Teil der Textur geht verloren.
Abb. 25: Fehlerhaftes Modell
Abb. 26: Darstellung der Punktwolke in
Landeskoordinaten
Auf Grund dieser Beeinträchtigung werden die Koordinaten um die ersten zwei Stellen
gekürzt. Der Vorgang ist reversibel, somit kann nach erfolgreicher Bearbeitung der globale
Koordinatenbezug wieder hergestellt werden. Durch eine Translation in X und Y Richtung
um 650‘000 m, bzw. 140‘000 m, werden die Modelle an den ursprünglichen Ort im
Landeskoordinatensystem verschoben.
Diese Veränderung in den Daten kann die Fehlinterpretation von Geomagic verhindern. Mit
der korrekten Darstellung können die Modelle vermascht werden.
40

Abb. 27: Punktwolke aus drei Scans
Resultate und Diskussion
Die Punktwolken weisen durch Verdeckungen diverse Datenlücken auf. Zudem ist durch
die Scanreichweite von 30-40 m der Ausschnitt beschränkt. Da in den Randbereichen nur
verhältnismässig wenig Punkte existieren (Abb. 27), werden diese Flächen nicht vermascht
und erscheinen somit nicht in der in Abb. 28 dargestellten Referenzfläche.
Abb. 28: Vermaschte Oberfläche aus der Punktwolke
41

Resultate und Diskussion
Ein grosser Vorteil des Laserscans ist die Erfassung der Leitungen, der Gleise und der
Masten. Durch die hohe Messauflösung werden die Leitungen lückenlos dargestellt. Der
Durchhang kann mittels Laserscan visualisiert werden. Für den Vergleich mit den
Höhenmodellen müssen diese jedoch entfernt werden, da ansonsten lokale
Höhenunterschiede in der Grösse der Masthöhe vorliegen.
5.2 Vergleich mit Referenzdaten
Die Aussage über die Genauigkeit der erstellten Höhenmodelle ist ein grundlegender Teil
dieser Masterarbeit. Deshalb werden im Folgenden Vergleiche zwischen den Höhen-
modellen berechnet. Mit Hilfe von Geomagic können dreidimensionale Vergleiche
zwischen einer Punktwolke und einer Referenzfläche berechnet werden.
5.2.1 Vergleich zwischen den digitalen Höhenmodellen
Durch den Vergleich der Höhenmodelle untereinander kann die Stabilität des Bildblockes
und der Software evaluiert werden.
Die verschiedenen Höhenmodelle, welche in LPS generiert wurden, werden verglichen, um
die Stabilität der Orientierung und der Höhenmodellgenerierung zu belegen. Der Vergleich
in Abb. 29 zeigt die Unterschiede zwischen den LPS-Modellen. Es ist erkennbar, dass der
Block am unteren Rand instabil ist und sich nach oben wölbt. Zudem sind in der Bildmitte
leichte Absätze erkennbar. Sie resultieren aus einer unzureichenden Verknüpfung zwischen
den Bildern.
42

Abb. 29: Vergleich der LPS-Modelle
Resultate und Diskussion
Des Weiteren wird das Modell aus LPS mit dem Photomodeler-Höhenmodell verglichen
(Abb. 30). Dabei ist deutlich erkennbar, dass die Modelle zueinander schief stehen. Die
Gründe dafür können in der Ungenauigkeit der Passpunkte, sowie in der Ausgleichung von
Photomodeler liegen. In Photomodeler werden die Passpunkte nicht in die Ausgleichung
mit einbezogen. Aus den Passpunkten werden lediglich die Transformationsparameter ins
Landeskoordinatensystem berechnet, welche auf die generierte Punktwolke angewendet
werden.
43

Abb. 30: Vergleich zwischen LPS und Photomodeler
Resultate und Diskussion
Auf Grund der Verkippung der Modelle werden die beiden Modelle aufeinander registriert.
So können lokale Differenzen visualisiert werden. Zudem können allfällige Fehler aus der
Orientierung oder der Kamerakalibrierung erkannt werden. Bei einer fehlerhaften
Kamerakalibrierung ist ein Modell oft durch die ungenügende Korrektur der radialen
Verzeichnungen gewölbt.
In Abb. 31 ist ersichtlich, dass die Algorithmen der beiden Softwarelösungen eine ähnliche
Genauigkeit erreichen. Es sind keine grössere, lokale Unterschiede erkennbar. Sämtliche
Differenzen sind zwischen +/- 5 cm und somit sehr genau berechnet. Insofern ist es
überraschend, dass die automatische Auswertung in Photomodeler mit einem
Orientierungsfehler von 0.975 Pixeln eine ebenbürtige Lösung zu LPS mit einem
Orientierungsfehler von 0.25 Pixeln generiert. Photomodeler und LPS berechnen beide
einen RMSE, da die genaue Berechnung jedoch nicht bekannt ist, können diese Werte
offensichtlich nicht direkt verglichen werden.
44

Abb. 31: Vergleich zwischen LPS und Photomodeler nach Registrierung
5.2.2 Vergleich mit Laserscan Daten
Resultate und Diskussion
Die Laserscandaten stehen durch die Referenzierung der Verknüpfungskugeln als
unabhängige Referenzfläche zur Verfügung. Durch den Landeskoordinatenbezug kann der
Laserscan unabhängig von der Auswertung in LPS und Photomodeler mit den
Höhenmodellen verglichen werden. Durch die Unabhängigkeit kann eine Aussage über die
Genauigkeit der erstellten Höhenmodelle gemacht werden. Zudem kann der globale Bezug
überprüft werden. Allfällige Verdrehungen und Verschiebungen können detektiert werden.
Da die Verknüpfungskugeln mittels GNSS eingemessen wurden, existiert eine
Ungenauigkeit des Modells in der Grösse der Messungenauigkeit der GNSS-Antenne. Die
Genauigkeit der GNSS Antenne liegt, wie in Kapitel 3.1.3 erwähnt, bei 1-2 cm Lage-
genauigkeit. Durch die Satellitenkonstellation ist die Höhengenauigkeit erwartungsgemäss
tiefer und liegt bei rund 3-5 cm.
Ausgehend von den Koordinatenungenauigkeiten im Messgebiet sind leichte
Verkippungen des Modells nicht vermeidbar, solange die Referenzfläche unabhängig
bleiben soll. Wie in Kapitel 4.4 erläutert, kann der Laserscan auf die LPS Modelle registriert
45

Resultate und Diskussion
werden, um lokale Unterschiede zu detektieren. Deshalb wird primär die Registrierung auf
die Verknüpfungskugeln verwendet.
5.2.2.1 Laserscan als unabhängige Referenzfläche
Die Verkippung der Modelle ist beim Vergleich des Laserscans mit dem generierten Modell
aus der LPS und dem Modell aus Photomodeler ersichtlich. Systematische Differenzen,
welche sich über die gesamte Modelllänge erstrecken, können erkannt werden.
Abb. 32: Vergleich zwischen Laserscan und LPS
Der Vergleich des Laserscans mit dem Höhenmodell aus LPS in Abb. 32 zeigt im mittleren
Bereich der beiden Modelle eine sehr hohe Korrelation. Die Gleise sind in LPS nicht
generiert worden, deshalb sind sie als Differenzen erkennbar. In den rot gefärbten Flächen
sind zudem fehlende Daten des Laserscans zu erkennen. Trotzdem ist ersichtlich, dass eine
Verkippung vorliegt, da die untere Modellgrenze tendenziell zu hoch und die obere
Modellgrenze zu tief liegt. Die Verkippung des Laserscans resultiert höchstwahrscheinlich
aus der Georeferenzierung auf die Verknüpfungskugeln. Durch die GNSS-Messungen und
die Transformation der Kugeln können Differenzen entstanden sein, welche sich auf die
Modellorientierung auswirken.
Wie bereits in Kapitel 5.2.1 gezeigt wurde, sind die Modelle von LPS und Photomodeler
unterschiedlich orientiert.
46

Resultate und Diskussion
Für eine genaue Analyse ist es wichtig, dass die Orientierung der Modelle übereinstimmt.
Da sich die Modelle in der Orientierung unterscheiden, ist eine weitere Analyse mit dem
Laserscan als unabhängige Referenzfläche zwecklos.
5.2.2.2 Laserscan als registrierte Referenzfläche in Geomagic
Um der Verkippung entgegen zu wirken, wird der Laserscan auf das Höhenmodell aus LPS
als Bezugsfläche registriert. So sind die Modelldifferenzen im Detail erkennbar. Der
Nachteil ist, dass der Laserscan nicht mehr als unabhängige Referenzfläche angesehen
werden kann.
Da bereits in Kapitel 5.2.1 aufgezeigt wurde, dass die beiden generierten Höhenmodelle aus
LPS und Photomodeler nach der Registrierung übereinstimmen, wird der Vergleich lediglich
mit dem Höhenmodell der LPS durchgeführt.
Abb. 33: Vergleich zwischen registriertem Laserscan und LPS
47

Resultate und Diskussion
Wie in Abb. 33 ersichtlich ist, stimmt das Modell über den gesamten Perimeter mit dem
Laserscan überein. Sämtliche ebenen, vegetationslosen Flächen zeigen eine Differenz von
+/- 2 cm auf. Auf der Gleistrasse sind lokal grössere Differenzen erkennbar. Sie stammen
aus fehlerhaften Matchingresultaten durch Ausleger und sonstige Verdeckungen.
Auffällig ist die Differenz an der Trassekante. Sie resultiert aus Schlagschatten, welche
durch den tiefen Sonnenstand an der Trasse entstanden.
5.2.3 Evaluierung des Orthofotos
Die Qualität des Orthofotos (Anhang A) kann durch bekannte Punkte überprüft werden.
Besonders geeignet sind die Passpunkte, bei welchen die Koordinaten bereits bekannt sind.
Durch die Entzerrung der Bilder ist es teilweise unmöglich den exakten Mittelpunkt der
Passpunkte zu messen. Die Abweichungen zwischen den GNSS-Messungen und den
extrahierten Punktkoordinaten aus ArcMap ermöglichen eine Aussage über die
Genauigkeit des Orthofotos.
Um allfällige Fehler durch die Verknüpfungslinien (Seamlines) der Mosaikierung zu
umgehen, werden die Kacheln des Orthofotos einzeln überprüft. So können Versatze und
Verschiebungen durch eine fehlerhafte Mosaikierung eliminiert werden.
Die Abweichungen zu den Passpunkten sind in Tab. 9 aufgeführt. Auffällig sind die
Differenzen der Punkte 102 und 109. Beide liegen nahe der fehlerhaft rekonstruierten Hütte
und dem Lieferwagen im Höhenmodell. Durch grosse Höhendifferenzen wird das Ortho-
foto verzerrt und die Lage der Punkte kann sich verschlechtern.
Pkt.-nr. X Y Z dX dY dZ
101 659313.480 144530.986 1283.320 -0.010 0.061 -0.014
102 659332.636 144550.563 1281.991 0.056 0.112 0.026
104 659367.474 144586.244 1283.330 0.052 0.060 0.024
107 659368.851 144559.836 1282.003 0.070 0.088 -0.028
108 659356.928 144542.059 1278.177 0.026 -0.031 -0.012
109 659344.272 144522.817 1275.999 0.054 -0.119 -0.042
Tab. 9: Abweichungen von GNSS-Koordinaten der Passpunkte auf dem Orthofoto
Zusätzlich werden Kontrollmasse gemessen. Dafür eignet sich die Spurweite, welche
konstant über den Messperimeter sein muss, wie auch die Fusspunkte von Masten,
Bahnschwellen oder sonstigen gut erkennbaren Details. Die Daten wurden von der Firma
Furrer+Frey AG zur Verfügung gestellt und basieren nicht auf durchgeführten Messungen.
Die Daten sind Werte aus der Planung und den Reglementen des Bahnbaus.
48

Als Kontrollmasse wurden folgende Werte verwendet:
� Spurweite 1 m
� Zielmarkenlänge 42 cm
Messung Spurweite Länge der Zielmarken
1 1.010 0.419
2 1.015 0.432
3 1.007 0.424
4 1.014 0.432
5 1.005 0.440
Tab. 10: Werte der manuellen Kontrollmessungen
Resultate und Diskussion
Die Messungen in Tab. 10 wurden über den gesamten Messperimeter als Stichproben
durchgeführt, um lokale Fehler in der Entzerrung zu entdecken. Die Werte aus den
Messungen liegen im geforderten Bereich von 2 cm. Das Orthofoto kann für die Ableitung
von Gleisleitungsdaten und Daten der näheren Umgebung verwendet werden.
5.3 Eignung der verwendeten Sensoren
Die Sensoren sind ein zentraler Faktor für die Auswertung, deshalb werden im Folgenden
die Vorteile und Nachteile der verwendeten Sensoren besprochen.
5.3.1 Eignung der Kamera Sony Nex-5
Mit der Sony Nex-5 steht eine fortschrittliche Systemkamera zur Verfügung. Durch den
APS-C Sensor können Bilder in hoher Auflösung aufgenommen werden. Die Bildqualität,
resultierend aus dem 16 mm Objektiv mit Festbrennweite, ist in Bezug auf die Schärfe
zufriedenstellend. Chromatische Aberrationen erschweren jedoch die Auswertung.
Des Weiteren wäre es von Vorteil gewesen, wenn die manuelle Fokussierung dauerhaft
eingestellt werden könnte. Bei jeder Einschaltung der Kamera verändert sich der Fokus,
weshalb die Kalibrierung für jeden Flug neu berechnet werden muss. Dies kann durch eine
interne Batterieversorgung der Kamera verhindert werden. Bei der Sony Nex-5 auf dem
AscTec Falcon 8 ist die Speisung der Kamera über den UAV-Akku gewährleistet. So sind die
Einstellungen nach jedem Wechsel des UAV-Akkus auf die Standardeinstellungen
zurückgesetzt auf die Standardeinstellungen. Beim Einschalten der Kamera wird der Fokus
auf Grund des reaktivierten Autofokus wieder justiert, somit ist die Kalibrierung nicht
konstant.
49

5.3.2 Eignung des UAV Falcon 8
Resultate und Diskussion
Der Falcon 8 eignet sich auf Grund der stabilen Flugeigenschaften und der
Flugplanungssoftware zur Aufnahme von Luftbildern im Projektgebiet. Durch die
Redundanz der Rotoren ist die Sicherheit im Projektgebiet gewährleistet. Es ist sehr
wichtig, dass das UAV im Notfall von den Leitungen oder den Gleisen entfernt werden
kann. Ein Absturz auf die Gleise oder ein Einhängen an der Fahrleitung würde den
Bahnbetrieb unter Umständen unterbrechen.
Verbesserungen sind insbesondere bei der Nutzlast und der Flugdauer anzustreben. Die
Beschränkung von 500 Gramm reicht für eine hochwertigere Kamera, wie eine
Spiegelreflexkamera, nicht aus. Der Vorteil einer Spiegelreflexkamera ist die Verfügbarkeit
von Vollformatsensoren und einer Vielzahl von hochwertigen Objektiven, welche für die
unterschiedlichen Bedürfnisse eingesetzt werden können.
5.3.3 Eignung des Laserscanners Z+F Imager 5006i
Der Laserscanner von Zoller+Fröhlich ist auf Grund seiner Messauflösung für die Aufnahme
der Referenzfläche sehr gut geeignet. Mit 50 Millionen Punkten wird die Referenzfläche
äussert detailliert abgebildet.
Durch die hohe Messauflösung wird die Messdistanz beeinträchtigt. Mit einer Distanz von
30-40 m ist es aufwändig, den gesamten Messperimeter aufzunehmen. Bei der
Datenaufnahme wurde deshalb nur der mittlere Bereich des Perimeters aufgenommen.
Bei der Auswertung mit der Software Z+F LaserControl ist die Registrierung in kurzer Zeit
durchführbar. Einzig die Georeferenzierung der Kugeln ist problematisch. Jeder Scan
benötigt drei georeferenzierte Verknüpfungskugeln um den Scan ins Landeskoordinaten-
system zu transformieren. Wenn die Software in einem ersten Schritt die Registrierung der
Scans berechnen würde, wären drei Kugeln für die komplette Scananordnung ausreichend.
Daher ist es wichtig, sämtliche Verknüpfungskugeln zu vermessen und nicht auf das
mathematische Minimum von drei Kugeln zu beschränken.
50

6 Fazit
Fazit
Für die Aufnahme ist es wichtig, dass die Planung gewissenhaft durchgeführt wird. Bei
einer vorgängigen Planung und Definition der Flugparameter kann bei der Datenaufnahme
im autonomen Flugmodus geflogen werden, was die Aufnahme massgeblich vereinfacht.
Neben der UAV-Aufnahme muss zudem das Einmessen der Passpunkte berücksichtigt
werden. Bei der Messung im Obergoms war die Qualität der Koordinaten sehr unzu-
verlässig, da der GNSS-Empfänger die Phasenmehrdeutigkeit oft nicht lösen konnte. Ein
abschliessendes Urteil, ob es am Empfänger oder am Obergoms liegt, ist nicht zweifelsfrei
möglich. Insbesondere für die Registrierung der Laserscans wäre es wichtig gewesen, die
Koordinaten aller Kugeln zu messen. Da der zeitliche Aufwand durch die Schwierigkeiten
mit der GNSS-Antenne stark erhöht wurde, war dies jedoch nicht möglich. Die
Durchführung der Laserscans verlief grundsätzlich problemlos. Der Zeitaufwand von
weniger als zehn Minuten war trotz der hohen Scanauflösung moderat.
Bei der Auswertung treten bei jedem Arbeitsschritt Herausforderungen auf. Bereits bei der
Kalibrierung der Kamera kann der vollautomatische Ablauf nicht durchgeführt werden.
Durch die inhomogene Beleuchtung des Testfeldes werden viele Zielmarken nicht erkannt.
Die Auswertung der Luftbilder in den unterschiedlichen Softwarelösungen ist sehr
fordernd, da viele Eigenheiten der Software nur durch Erfahrung gelöst werden können.
Die Auswertung in Photomodeler unterstützt viele Arbeitsschritte durch die automatisierte
Prozessierung. Dadurch ist der operative Arbeitsaufwand beschränkt auf die
Georeferenzierung, sowie die Nachbearbeitung der Punktwolke nach der Verdichtung.
Der Zeitbedarf für die Auswertung ist sehr unterschiedlich. Vordefinierte Arbeitsabläufe
können den Zeitaufwand optimieren. Es ist jedoch kompliziert, die Auswertung zu
standardisieren, da die Einflüsse bei verschiedenen Streckenabschnitten unterschiedlich
sein können. Die Suche von Fehlereinflüssen ist sehr aufwändig, wenn keine
Erfahrungswerte vorhanden sind. Somit bedarf es einer flexiblen Auswertung mit
manuellen Arbeitsschritten um die Resultate zu generieren.
Auf Grund der Passpunktungenauigkeit durch die GNSS-Messungen ist es sinnvoll, die
Passpunkte mittels Tachymeter einzumessen. Die Verfügbarkeit von Referenzpunkten
entlang der Gleisstrecke ist durch die SBB-Bolzen an Masten gewährleistet. Die
Geländemodelle können somit mit kleineren Zwängen eingepasst werden. Fehler an
Bildrändern und in der Nähe von Passpunkten werden minimiert.
Bei der Auswertung ist es zudem wichtig, die geeignetste Software anzuwenden. Die Arbeit
hat gezeigt, dass die Auswertung in LPS und Photomodeler mit einer ähnlichen
Verlässlichkeit die Modelle generieren. Der Arbeitsaufwand war in Photomodeler jedoch
deutlich geringer als in LPS.
51

Fazit
Für die Analyse der Gleisleitungen und Mastanlagen bieten die 3D-Modelle eine gute
Grundlage. Die Position der Masten lässt sich mit einer Genauigkeit von einigen
Zentimetern bestimmen und die Lage der Leitungen über den Gleisen ist erkennbar. Einzig
der Durchhang der Leitungen kann nicht modelliert werden.
Die Ableitung von Geländeobjekten und festen Anlagen in direkter Umgebung der Gleise
wird anhand von Orthofotos erreicht. Schächte, Weichen und Signale können nachträglich
koordinatenmässig bestimmt und in den Plandaten angebracht werden.
Abschliessend kann festgehalten werden, dass die erforderliche Genauigkeit der
Grundlagedaten von einigen Zentimetern eingehalten werden kann. Das Potential für die
spezifische Anwendung im Gleisleitungsbau ist gross, es bedarf jedoch noch der
Entwicklung von verbesserten Algorithmen und Arbeitsabläufen um die Rekonstruktion der
Masten und Leitungen zu verbessern.
52

7 Ausblick
Ausblick
Die zukünftigen Verbesserungen der UAV-Technologie in Bezug auf die Akkulaufzeit und
die Vergrösserung der Nutzlast ermöglicht die Aufnahme von grossen Gebieten im
autonomen Flugmodus mit einer professionellen Kamerakonfiguration. Fehler durch
chromatische Aberrationen und Randunschärfe werden minimiert und die Auswertungs-
qualität verbessert. Weiter ist es wichtig, die Genauigkeit der Navigationseinheit des UAV
zu verbessern. Durch präzisere Näherungskoordinaten des Aufnahmezentrums und
genaueren Winkeln der Aufnahme ist es möglich, effizientere Algorithmen zu entwickeln.
Falsche Verknüpfungspunkte werden minimiert, da die Suchregion eingeschränkt wird.
Durch die Implementierung und Verbesserung der automatischen Auswertealgorithmen in
Bezug auf die Orientierung, sowie auf die Matchingergebnisse, können die Modelle ohne
Nachbearbeitung verwendet werden. Mit einer Kantendetektion werden die Gleisgeo-
metrie und die Leitungsanlage bei der automatischen Auswertung erkannt.
Durch dreidimensionale Gleisleitungsmodelle wird die Planung von Erneuerungen und
Reparaturen direkt im Büro möglich. Die aufwändige, mehrfache Begehung der Projekt-
strecken entfällt.
Für die Analyse von detaillierten Daten ist es möglich, die Laserscan-Punktwolke und ein
Höhenmodell aus digitalen Luftbildern zu kombinieren. Die Leitungsdaten aus dem
Laserscan ermöglichen die Visualisierung und Analyse der Leitungen ohne approximative
Rekonstruktion aus 3D-Punkten in Photomodeler. Der Durchhang der Leitungen ist in den
Laserscans ersichtlich.
Das UAV ist durch den flexiblen Einsatz und den Gewinn an zusätzlichen Informationen
bezüglich der Gleisleitungen und deren Umgebung eine interessante Ergänzung zu der
klassischen Gleisleitungsvermessung. Ein Ersatz der bisherigen Messungen wird es aktuell
nicht sein, aber bei einer Weiterentwicklung der Software ist es möglich die Resultate zu
optimieren.
53

8 Literaturverzeichnis
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55

Anhang
A Orthofoto
Anhang
56

B Auszug aus Orientierungsprotokoll LPS
Anhang
57

C Kalibrierungsprotokoll Australis
Anhang
58

D Inhalt Abgabe-CD
Aufgabenstellung
Bericht
Literatur
Luftbilder
Poster
Präsentation
Resultate
Website
Anhang
59