Traditionelle Vermessung vs. Drohnenvermessung bei Bauprojekten


Die Fortschritte in der Technologie haben Drohnen zu einem erschwinglichen Werkzeug in der Bauindustrie gemacht. Tatsächlich ist das Baugewerbe die am schnellsten wachsende Branche, die Drohnen einsetzt. Drohnen können während des Lebenszyklus eines Projekts Tausende von Euro einsparen, indem sie schnell, sicher und genau wertvolle Daten sammeln, die vielen Bereichen des Bauprojekts zugutekommen.

Auf dieser Seite werden wir zwei UAV-basierte Lösungen untersuchen und vergleichen: Lidar mit dem DJI Zenmuse L1 und Photogrammetrie mit dem DJI Phantom 4 RTK, im Vergleich zu einer traditionellen Vermessungstechnik: GNSS-Rover, in einem topographischen Vermessungsszenario. In den Vergleichen werden wir Kosten, Zeit, Genauigkeit und Auflösung untersuchen. Epotronic hat einige wichtige Überlegungen für die Berechnungen angestellt, die auf geschätzten Durchschnittskosten basieren, wie unten dargestellt. Sollten diese Schätzungen nicht genau auf Ihr Unternehmen zutreffen, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung, damit wir einen genaueren Kostenvergleich erstellen können.


Das Fall-Szenario



Das Fallszenario entspricht einer topografischen Vermessung eines hügeligen Geländes, das größtenteils aus Freiflächen mit einigen Bäumen und baufälligen Gebäuden besteht. Ein DEM des Gebiets ist in Abbildung 1 dargestellt. Für die Zeit- und Kostenberechnungen werden drei verschiedene Maßstäbe verwendet: 500x500m, 1000x1000m und 2000x2000m. Dadurch wird die Beziehung zwischen der Effizienz der verschiedenen Methoden und der Vermessungsfläche deutlich.

Für die topografische Vermessung gibt es eine Vermessungsspezifikation (siehe unten), die sicherstellt, dass jede Methode die erforderliche Mindestgenauigkeit erreicht.

Vermessungsspezifikation:

  • Ausgabe im Maßstab 1:200 (topografische Vermessung)
  • Genauigkeit (95%): Hz +/- 10 cm, V +/- 10 cm (harte Details), 20 cm (weiche Details)
  • 10 cm Mindestgröße des zu erfassenden Objekts

Methoden und Ergebnisse


GNSS Rover

Bei einer der traditionelleren Methoden nimmt ein GNSS-Rover Satelliteninformationen auf, um eine Position zu erfassen. Er muss einige Sekunden lang auf den Zielpunkt ausgerichtet werden, um ihn zu erfassen. Zur Verbesserung der Genauigkeit muss auch eine Basisstation eingerichtet werden, oder es kann Netzwerk-RTK verwendet werden. Bei den topografischen Vermessungen werden die Punkte etwa bei jedem Höhenunterschied von 1 m oder an oder entlang von Merkmalen wie Wegen, Mauern oder Bäumen aufgenommen. Die Punktdaten können dann in AutoCAD importiert und zum Zeichnen vorbereitet werden.

In unserem Beispielszenario wird davon ausgegangen, dass zwei Vermessungsingenieure jeweils einen GNSS-Rover verwenden, um das Gelände zu erfassen, wobei beide die Daten mit einer einzigen Basisstation korrigieren. Im Allgemeinen kann eine Genauigkeit von etwa 1 cm horizontal und 2 cm vertikal erreicht werden. Wir gehen davon aus, dass das Gelände 2000 Punkte pro 1 km2 erfordert und dass ein einzelner Vermesser 1000 Punkte pro Tag messen kann.

Kosten- und Zeitberechnungen

Hardware:

  • Leica Viva GS16 (two rovers and one base station): Approx. 3* €12 500 = €37 500

Software:

  • Data acquisition: Leica Captivate €1 234 perpetual
  • Post-processing: AutoCAD €2 303 per year

Acquisition cost: €42 648

Recurring cost per year: €2 303

Total equipment cost per year: €10 833

Vorteile

  • Hohe Genauigkeit (für jeden Punkt selbst)
  • Breiter verfügbar.
  • Keine UAV-Ausbildung oder Erfahrung erforderlich.
  • Kann bei jeder Witterung durchgeführt werden.
  • Datenerfassung und -verarbeitung können gleichzeitig durchgeführt werden.

Nachteile

  • Far fewer data points in contrast to UAV options, so it provides a less accurate representation of the topography.
  • Takes much longer to complete the survey compared to UAV options.
  • Limited performance under canopy or ‘urban jungle’.

UAV-Photogrammetrie

Bei dieser drohnengestützten Lösung werden überlappende Bilder, die aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen wurden, verarbeitet, um eine Punktwolke zu erstellen. Dies kann durch die Anbringung einer Kamera an einer Drohne erreicht werden, die in vordefinierten Intervallen Bilder aufnehmen kann und diese mit GNSS- und IMU-Daten der Drohne ausrichtet. Die Drohne fliegt einen vorgefertigten Flugplan ab, um sicherzustellen, dass das Zielgebiet kartiert wird. Abhängig von den Flugparametern und den Kameraspezifikationen können unterschiedliche Qualitätsergebnisse erzielt werden. In diesem Szenario nehmen wir eine Phantom 4 RTK mit einem Nadir-Flugplan in 100 m Höhe über Grund (AGL), 7,9 m/s und mit 60 % Seitenüberlappung.

Die P4RTK kann dank ihres RTK-Moduls viele Details mit hoher Genauigkeit erfassen und erreicht eine absolute horizontale und vertikale Genauigkeit von ca. 2 cm sowie einen Bodenabtastabstand (GSD) von 2,74 cm. Auf der Grundlage der Standardverarbeitungsparameter sind etwa 1,2 Milliarden Punkte pro km2 (1200 pro m2) zu erwarten. Die Fotos würden in DJI Terra verarbeitet werden und eine Punktwolke erzeugen, die in AutoCAD importiert werden kann, um Zeichnungen zu erstellen.

Um zu sehen, wie die Verarbeitung in DJI Terra erfolgt, können Sie sich das Tutorial von Epotronic unter dem folgenden Link ansehen:

DJI Terra Photogrammetrie-Tutorial 

Kosten- und Zeitberechnungen

Hardware:

  • DJI Phantom 4 RTK €5 900
  • Battery €189

Software:

  • Data Acquisition: DJI GS RTK (free)
  • Processing: DJI Terra €4399 perpetual
  • Post-processing: AutoCAD €2303 per year

Acquisition cost: €12 442 - 13 009 (more batteries needed for bigger surveys)

Recurring cost per year: €2 552

Total equipment cost per year: €5 000

Vorteile

  • Äußerst effiziente Datenerfassung.
  • Erfasst Daten aus der Draufsicht, z. B. von Dächern
  • Ziemlich einfache Datenverarbeitung
  • Sehr genau
  • Erfasst Echtfarbdaten 

Nachteile

  • Datenintensiv, unser kleinstes Szenario für einen Erhebungsstandort würde etwa 6,8 GB Daten erfordern.
  • Die Genauigkeit hängt von den Lichtverhältnissen und dem Terrain ab.
  • Dynamische Risikobewertung und entsprechende Luftraumgenehmigungen erforderlich.
  • Lange Verarbeitungszeit.
  • Beschattete Bereiche und Bereiche unter dem Kronendach werden nicht gut rekonstruiert.

UAV LiDAR

Die alternative Drohnenlösung, bei der ein leichter Lidar-Scanner zum Einsatz kommt. Wie bei der Photogrammetrie kann die Drohne mit einem automatischen Flugplan geflogen werden. Im Gegensatz dazu wird jedoch sofort eine Punktwolke erzeugt, die im Post-Processing nur noch georeferenziert werden muss, indem sie mit den von der Drohne erfassten GNSS- und IMU-Daten kombiniert wird.

In diesem Szenario nehmen wir eine DJI Zenmuse L1, die an einem DJI M300 RTK befestigt ist und in 100 m AGL, 5 m/s und mit 50 % Seitenüberlappung geflogen wird. Die Zenmuse L1 ist DJIs erster Lidar-Sensor, der offiziell in der Lage ist, eine horizontale und vertikale absolute Genauigkeit von 10 cm bzw. 5 cm zu erreichen. In Tests, die von Epotronic durchgeführt wurden, haben wir jedoch eine absolute vertikale Genauigkeit von 2,1 cm bei einem Flug in 50 m AGL und 5,1 cm bei einem Flug in 100 m AGL gemessen, zusammen mit einer vertikalen Präzision von +/- 3 bis 5 cm bzw. +/- 7 bis 11 cm. Diese Lidar-Lösung bietet einige Vorteile gegenüber der Photogrammetrie, z. B. die Möglichkeit, bei schwachem oder gar keinem Licht zu arbeiten, geringere Anforderungen an die Verarbeitung und die Datenspeicherung und die Möglichkeit, Details hinter bestimmten Objekten, z. B. Glas oder Bäumen, zu erfassen. Es könnte eine Punktdichte von etwa 250 Millionen pro km2 erwartet werden (250 pro m2). Die Verarbeitung erfolgt ebenfalls mit DJI Terra und kann innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden.

Um zu sehen, wie die Verarbeitung in DJI Terra erfolgt, können Sie sich das Tutorial von Epotronic unter dem folgenden Link ansehen:

DJI Terra LiDAR-Anleitung


Kosten- und Zeitberechnungen

Hardware:

  • DJI Zenmuse L1: €12 318
  • DJI Matrice M300 bundle: €12 699

Software:

  • DJI Terra: €4399 perpetual
  • AutoCAD: €2303 per year

Acquisition cost: €30 059 - €35 039

Recurring cost per year: €2303

Total equipment cost per year: €9649

Vorteile

  • Äußerst effiziente Datenerfassung
  • Weniger datenintensiv
  • Geringe Verarbeitungszeit
  • Kann bei den meisten Wetterlagen/Tageszeiten geflogen werden.
  • Erfasst Daten aus der Vogelperspektive, z. B. von Dächern

Nachteile

  • Teure Anlaufkosten.
  • Nur ausgewählte UAVs können mit den Scannern arbeiten.
  • Dynamische Risikobewertung und entsprechende Luftraumgenehmigungen erforderlich.

Abschluss


Die hier gezeigten Berechnungen liefern viele nützliche Informationen darüber, welche Option für eine Erhebung an unserem Fallbeispiel am besten geeignet ist, und zeigen, für welche Anwendungen die verschiedenen Methoden am besten geeignet sind. Trotz der hohen Anfangskosten erweist sich der Einsatz der Zenmuse L1 aufgrund ihrer schnellen Verarbeitungszeit als die günstigste Option pro Vermessung, insbesondere bei größeren Vermessungen.

Beide Drohnentechniken bieten im Vergleich zu GNSS-Rovern erhebliche Vorteile in Bezug auf die Effizienz. Obwohl die Gesamtvermessungszeit bei der Photogrammetrie länger ist, wird diese Zeit größtenteils durch die automatische Verarbeitung verbraucht, so dass der Vermessungsingenieur sich anderen Projekten widmen kann, was sich in den Kosten pro Vermessung niederschlägt. Bei kleineren Vermessungen, bei denen z. B. nur wenige Punkte erfasst werden müssen, bietet die hohe Effizienz der drohnengestützten Verfahren jedoch keinen Vorteil, und der gesamte Prozess wäre wahrscheinlich weniger effizient.

In Bezug auf die Genauigkeit bleibt der GNSS-Rover an der Spitze. In Anbetracht der geringen Auflösung ist jedoch nicht zu erwarten, dass die Genauigkeit des Ausgabeprodukts in allen Bereichen so hoch ist, sondern nur bei den Punkten, die gemessen wurden. Darüber hinaus hat das L1 trotz seiner hohen Effizienz in diesem Szenario eine geringere Genauigkeit als das P4RTK und der GNSS-Rover, obwohl es immer noch in der Lage ist, die Vermessungsspezifikationen zu übertreffen. Darüber hinaus ist das L1 in der Lage, feine Details zu erfassen, was ideal für komplexe Objekte ist, die bei der Photogrammetrie eher geglättet werden, und es ist in der Lage, Gelände unter der Vegetation zu erfassen, was bei der Photogrammetrie nicht möglich ist. Darüber hinaus kann der GNSS-Rover nur Punkte messen, die physisch erreichbar sind, d. h. nicht die Spitzen von Bäumen oder unzugängliche Dächer.

Für dieses Szenario wäre der P4RTK wohl die beste Option, da er effizient ist, der Vermessungsstandort recht offen ist, was bedeutet, dass die Durchdringung der Vegetation nicht wichtig ist, und die Anlaufkosten relativ günstig sind. Natürlich hängt diese Schlussfolgerung von der Häufigkeit der Erhebungen ab; wenn häufige Erhebungen durchgeführt werden, dann wäre das L1 im Vorteil, da die Verarbeitungszeit der Photogrammetrie die Ergebnisse verzögern würde.

Im Allgemeinen ist der GNSS-Rover nur bei kleinräumigen Erhebungen von Vorteil, und die Photogrammetrie ist bei Erhebungen von Vorteil, die offen sind (ohne oder mit wenig Vegetation) und nicht sehr häufig durchgeführt werden. LiDAR ist vorteilhaft für Erhebungen mit dichter Vegetation, bei denen die Modellierung feiner Details erforderlich ist, z. B. Stromleitungen oder komplexe Objekte, und für Erhebungen, die häufig durchgeführt werden, z. B. täglich für kleine oder mittlere Erhebungsgebiete oder bei schlechten Lichtverhältnissen.

Um die hier beschriebenen Drohnenlösungen und mehr zu sehen, besuchen Sie bitte unseren Online-Shop unter epotronic.com, wo Sie auch viele relevante Informationen in unserem Blog finden. Wenn Sie Fragen haben, zögern Sie bitte nicht, sich mit uns in Verbindung zu setzen: info@epotronic.com.