Passpunkte

Bei der Verarbeitung in Drone2Map werden die GPS-Metadaten aus Bildern, die Kameraparameter aus der Kameradatenbank und die aus dem automatischen Feature-Abgleich gewonnenen Verknüpfungspunkte verwendet, um die 3D-Koordinaten einer Szene zu triangulieren. Im Idealfall laufen die Strahlen aus den triangulierten Verknüpfungspunkten in einer einzigen 3D-Koordinate zusammen. Häufig besteht jedoch eine Unsicherheit hinsichtlich der Position der triangulierten Punkte, was als Reprojektionsfehler bezeichnet wird.

Nach der Triangulation der Punkte wird die Position der 3D-Koordinaten durch einen Bündelausgleichungsprozess optimiert. Dabei werden die geschätzten 3D-Koordinaten mit einer optimalen Lösung ausgeglichen, durch die der Reprojektionsfehler vermieden wird, während gleichzeitig die definierten Kameraparameter eingehalten werden. Das Ergebnis ist eine rekonstruierte Szene mit einer ausgeprägten relativen Genauigkeit und einer absoluten Genauigkeit, die von der Genauigkeit der georeferenzierten Bilder abhängt.

Bei der Verarbeitung werden in den einzelnen Bildern Schlüsselpunkte (grün) erkannt und zur Erstellung von Verknüpfungspunkten an die umgebenden Bilder angepasst. Diese Verknüpfungspunkte werden zu einer geschätzten 3D-Koordinate (rot) trianguliert. Anschließend wird diese geschätzte 3D-Koordinate mithilfe der Kameraparameter erneut auf das Quellbild (orangefarben) projiziert. Die Entfernung zwischen dem erkannten Schlüsselpunkt und dem neu projizierten Punkt ergibt den Reprojektionsfehler. Beim Bündelausgleichungsprozess wird die geschätzte 3D-Koordinate so weit verschoben, bis eine optimale Lösung erzielt wird, mit der der Reprojektionsfehler für alle Kameras vermieden wird.

Für manche Projekte ist eine absolute Genauigkeit erforderlich, die georeferenzierte Bilder nicht bieten können. Sie können Ihrem Projekt Passpunkte hinzufügen, um die Genauigkeit zu erhöhen. Passpunkte sind Punkte mit bekannten XYZ-Bodenkoordinaten, die häufig aus Landvermessungen übernommen werden. Sie werden verwendet, um die absolute Genauigkeit des Projekts zu erhöhen.

Mit den Passpunkten werden in den Bündelausgleichungsprozess Beschränkungen hinsichtlich der Position aufgenommen, mit denen die optimale Lösung weiter optimiert wird. Es ist jedoch zu beachten, dass die optimale Lösung aus dem Bündelausgleichungsprozess selbst bei einem Passpunkt mit hoher Genauigkeit den Kameraparametern gehorchen muss. Gelegentlich kann die Ausgabeposition von Passpunkten von der jeweils erfassten Position abweichen. Durch eine sorgfältige Bildsammlung und Passpunktplatzierung lassen sich diese Abweichungen minimieren.

Bildqualität

Unzureichende Bildsammlungstechniken können zur Fehlerfortpflanzung führen, wodurch sich die Wirksamkeit des Passpunktes verringert. Die absolute Genauigkeit Ihres Modells hängt zum einen von der Genauigkeit des gemessenen Passpunktes und zum anderen davon ab, wie gut der Fehler beim Bündelausgleichungsprozess in der optimalen Lösung vermieden werden kann. Zu den Faktoren, die im Bündelausgleichungsprozess zu Fehlern führen können, gehören eine unzureichende Überlappung zwischen Bildern, verschwommene Bilder, ungleichmäßige oder unzureichende Lichtverhältnisse, Vegetation und vieles mehr. Daher beginnt die Maximierung der absoluten Genauigkeit Ihres Projekts mit guten Bildsammlungstechniken.

Hinweis:

• Es hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit von Passpunkten im Vergleich zur Bodenpixelgröße (Ground Sample Distance, GSD) des endgültigen Produkts dreimal besser sein muss. Aufgrund der hohen Auflösung kommerzieller Drohnenbilddaten lässt sich diese Maxime jedoch möglicherweise nur schwer erreichen. Daher weisen die entsprechenden Produkte im Vergleich zum Passpunkt eine etwas geringere Genauigkeit auf.
• Die absolute Genauigkeit eines Modells kann nicht höher sein als die Genauigkeit des Passpunktes. Bei guten Bildsammlungstechniken und einer sorgfältigen Passpunktplatzierung beträgt die absolute Genauigkeit des Modells in der Regel

  1 – 3 x GSD

  in horizontaler Richtung und

  1 – 4 x GSD

  in vertikaler Richtung.

Verteilung von Bodenpasspunkten

Neben geeigneten Bildsammlungstechniken spielen auch die Anzahl und die Verteilung der Passpunkte in Ihrem Projekt eine wichtige Rolle bei der endgültigen absoluten Genauigkeit des Modells.

Durch Hinzufügen von Passpunkten wird der Bündelausgleichungsprozess auf die gemessene Position des Passpunktes beschränkt. Je größer die radiale Entfernung vom Mittelpunkt eines Passpunktes wird, umso stärker leidet die Genauigkeit. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Passpunkte in einem Dreiecksnetz im gesamten Projekt zur Reduzierung der Entfernung zwischen Passpunkten wird eine konstante Genauigkeit im gesamten Modell gewährleistet. Die Platzierung eines einzelnen Passpunktes beispielsweise am Rand einer Straße oder entlang eines Korridors führt zu einer geometrischen Entzerrung der Endprodukte.

Je häufiger ein Passpunkt in mehreren Bildern erscheint, umso besser das Ergebnis. An der Kante des Projekts sollten keine Passpunkte platziert werden, da sich hier die Bildüberlappung verringert. Versetzen Sie den Passpunkt stattdessen von der Kante Richtung Mittelpunkt des Projekts, um die Überlappung zu maximieren.

Verteilen Sie Passpunkte in einem dreieckigen Gitternetzmuster gleichmäßig über das gesamte Projekt. Platzieren Sie möglichst keine Passpunkte an der Kante des Projekts, da dort die Wirksamkeit eines Passpunktes aufgrund unzureichender Überlappung abnimmt. Bei diesem Projekt wurde im Verarbeitungsbericht ein Bereich mit geringer Überlappung dargestellt, durch den die absolute Genauigkeit des Projekts möglicherweise beeinträchtigt wird. Fügen Sie Verknüpfungspunkte oder zusätzliche Bilder hinzu, um den problematischen Bereich zu korrigieren.

Es gibt keinen Konsens über die Anzahl der in einem Projekt zu verwendenden Passpunkte. Durch mehr Passpunkte erhöht sich jedoch die absolute Genauigkeit des Projekts, wobei der Erfolg abnimmt, je mehr sich die absolute Genauigkeit annähert an

1 – 3 x GSD

Für Drone2Map werden mindestens fünf bis zehn Passpunkte empfohlen. Wenn Sie in den Bündelausgleichungsprozess komplexere Geometrien – dichte Vegetation, Unebenheiten im Terrain und entsprechende Bauwerke – einbinden, müssen Sie möglicherweise die Passpunktdichte erhöhen.

Hinweis:

• Sie müssen mindestens drei Passpunkte einfügen, damit Passpunkte während der Verarbeitung verwendet werden. Empfohlen werden mindestens fünf bis zehn Passpunkte.
• Platzieren Sie Passpunkte in ebenem Terrain in Bodennähe mit Abstand zu Objekten wie Vegetation oder Bauwerke, die die Sicht von der Kamera aus behindern können.
• Optimale Ergebnisse erzielen Sie mit vermessenen Passpunktzielen. Sind diese nicht verfügbar, können Sie in den Bilddaten erkennbare Objekte als Passpunkte verwenden (sekundäre Passpunkte).

Verarbeitungseinstellungen

Mit den beim automatischen Feature-Abgleich während der anfänglichen Verarbeitung gewonnenen Verknüpfungspunkten werden die 3D-Koordinaten der Szene geschätzt, die im Bündelausgleichungsprozess zur Optimierung des Modells verwendet werden. Zur Maximierung der absoluten Genauigkeit der Produkte müssen die einzelnen Schlüsselpunkte, aus denen die Verknüpfungspunkte bestehen, möglichst genau sein. Wenn Sie die Genauigkeit der Schlüsselpunkte maximieren möchten, müssen Sie den Bildmaßstab der Schlüsselpunkte auf Vollständig festlegen.

Hinweis:

• Gelegentlich – beispielsweise bei Modellen mit dichter Vegetation – lassen sich durch Verkleinerung oder Vergrößerung des Bildmaßstabs der Schlüsselpunkte genauere Ergebnisse erzielen. Daher sollten Sie beim Erstellen der endgültigen Produkte den Bildmaßstab der Schlüsselpunkte zunächst auf Vollständig festlegen und anschließend ggf. verkleinern oder vergrößern.
• Durch Festlegen eines größeren Wertes für die Einstellung Bildmaßstab der Schlüsselpunkte lässt sich die Genauigkeit der Produkte verbessern, gleichzeitig verlängert sich jedoch die Verarbeitungszeit.

Je mehr Schlüsselpunkte einen Verknüpfungspunkt bilden, umso genauer wird die geschätzte 3D-Koordinate. Mit der Einstellung Übereinstimmende Bildpaare werden die Bilder angegeben, die für die Suche nach übereinstimmenden Schlüsselpunkten verwendet werden sollen. Mit der vordefinierten Einstellung Übereinstimmende Bildpaare werden im Allgemeinen genügend Bilder für genaue Verknüpfungspunkte angegeben. Möglicherweise können Sie die Genauigkeit Ihrer Produkte jedoch verbessern, indem Sie die Werte mit einer benutzerdefinierten Abgleichstrategie erhöhen.

Verknüpfen von Passpunkten

Beim Einbinden eines Passpunktes in ein Projekt wird die Position des Passpunktes in den einzelnen Bildern mit dem Editor für Links zu Bildern manuell gekennzeichnet. Dabei korreliert die Sorgfalt bei der Kennzeichnung der exakten Position des Passpunktes in allen Bildern mit der absoluten Genauigkeit der endgültigen Produkte. Bei Projekten mit verschiedenen Bildern und Passpunkten kann dies durchaus eine Herausforderung darstellen. Dieser Vorgang lässt sich jedoch mit der Funktion Computergestützte Links beschleunigen.

Im Beispiel links wurde der Passpunkt in kleinem Maßstab im Editor für Links zu Bildern grob verknüpft, um Zeit zu sparen. Der Bild-Link scheint ordnungsgemäß platziert zu sein. Beim Vergrößern (das Beispiel rechts) zeigt sich jedoch, dass der Bild-Link einige Pixel vom Mittelpunkt des Passpunktes entfernt ist. Durch eine nicht ordnungsgemäße Platzierung von Passpunkt-Links nimmt die Genauigkeit von Passpunkten ab.

Bewerten der Genauigkeit Ihres Modells

Beim Bündelausgleichungsprozess wird das Modell in die Position des Passpunktes eingepasst. Daher ist die Genauigkeit der Produkte an den Passpunkten am höchsten. Je größer die radiale Entfernung vom Mittelpunkt eines Passpunktes wird, umso stärker leidet die Genauigkeit. Daher kann die Verwendung der Passpunkte als Maß für die absolute Genauigkeit zu oberflächlichen Ergebnissen führen.

Mit Kontrollpunkten kann die absolute Gesamtgenauigkeit des Produkts überprüft werden. Kontrollpunkte werden ähnlich wie Passpunkte gesammelt, jedoch nicht in den Blockausgleichungsprozess eingebunden. Stattdessen werden Kontrollpunkte verwendet, um die Genauigkeit des Modells nach Abschluss der Verarbeitung unabhängig zu bewerten.

Hinweis:

• Verteilen Sie Kontrollpunkte wie Passpunkte im gesamten Projekt.
• Zu wenige Kontrollpunkte können zu ungenauen Ergebnissen führen.

Quellen

Sanz-Ablanedo, E.; Chandler, J.H.; Rodríguez-Pérez, J. R.; Ordóñez, C. "Accuracy of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and SfM Photogrammetry Survey as a Function of the Number and Location of Ground Control Points Used" Remote Sensing. 2018, 10, 1606.