Flugdynamik verstehen
Bei jeder Art von Flug ist es wichtig, die Ausrichtung der Luftplattform, die Art ihrer Bewegung und die Richtung, in die sie sich bewegt, zu verstehen. Im Zusammenhang mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) können diese Flugeigenschaften vom Piloten allein durch die Beobachtung der Bewegung der UAV-Plattform beim Fliegen in Sichtweite verstanden werden. Um menschliche Fehler beim Fliegen im manuellen Betrieb zu reduzieren, kann eine Reihe von Sensoren auf der UAV-Plattform dem Fluglotsen des Piloten eine Rückmeldung geben. Bei anderen Flugmethoden werden Informationen über die Flugbewegung neben den Standortinformationen von globalen Navigationssensorsystemen wie dem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS oder GPS) während des automatischen Autopilotbetriebs zu einer Notwendigkeit.
Die Art von System, die typischerweise zur Messung dieser Bewegung verwendet wird, ist eine inertiale Messeinheit (IMU). Typischerweise aus Gyroskopen und Beschleunigungsmessern zusammengesetzt, charakterisieren die Informationen der IMU die Dynamik der Bewegung einer Plattform in Form eines kontinuierlichen Datenstroms, der sich auf die lineare Beschleunigung des Fahrzeugs auf drei Hauptachsen sowie auf Rotationsparameter entlang der drei Hauptachsen (Neigung, Rolle und Steuerkurs) bezieht. Viele UAV-Flugsteuerungssysteme werden eine Form von IMU enthalten, um sowohl einem Autopiloten als auch der Flugsteuerungssoftware des Piloten am Boden die notwendige Rückmeldung zu geben. Bei der Verwendung eines UAV zur Datenerfassung für Vermessungszwecke liefert ein Datenstrom vom IMU jedoch nur einen Teil.
Flugdynamik und Erfassung von Luftdaten
Wenn es um die Vermessung geht, ist es wichtig, die Beziehung zwischen der UAV-Plattform, der äußeren Geometrie des darauf montierten Bildsensors und dem Boden darunter zu verstehen. Die Welt ist nicht flach, auch wenn das Ergebnis einer Vermessung ein zweidimensionaler Plan sein mag, Landschaften und ihre Vermessung sind von Natur aus 3D. Auf der einfachsten Ebene muss bekannt sein, ob die Wellen im Boden unter der Oberfläche von der Landschaft oder von der Flugbahn des UAVs abhängen. Um Daten zu sammeln, die im Rahmen einer Vermessung verwendet werden sollen, wird ein UAV mit einem bildgebenden Sensor ausgestattet, bei dem es sich um eine Kamera oder ein Laser-Scanning-System (LiDAR) handeln kann.
Im Falle von Luftaufnahmen muss der Effekt der Bodenhöhe berechnet werden, um das, was man am Boden sieht, am besten auf ein im Wesentlichen "flaches Foto" im Falle einer Orthofotografie zu projizieren.
Wenn Genauigkeitstoleranzen häufig in wenigen Metern oder (häufiger) Zentimetern gemessen werden, kann es wichtig sein, die geringste Winkelabweichung in der Bewegung und Richtung des an der UAV montierten Bildsensors zu berechnen. Im Zusammenhang mit der Laserabtastung werden die Daten von einem pulsierenden Lasersensor erfasst, der misst, wie lange es dauert, bis der Puls nach dem Auftreffen auf eine Oberfläche auf dem Boden zurückkehrt. Dieser Rücklauf kann entweder die Spitze einer Oberflächenstruktur oder der Boden selbst sein und kehrt in Richtung des Sensors zurück. Die Laserrückläufe werden über einen Bereich gesammelt, da sich der Lasersensor häufig dreht (im Wesentlichen "sprüht" er Laserimpulse entlang einer Ebene) und sich die UAV-Plattform, an der der Sensor montiert ist, ebenfalls bewegt.
In einem früheren technischen Hinweis mit dem Titel "Warum ist ein inertiales Navigationssystem (INS) wichtig für die Vermessung und Kartierung mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAV)? " wurden Unterschiede zwischen passiven (nur über Bodenkontrollpunkte (GCPs)) und direkten Georeferenzierungstechniken beschrieben. Die direkte Georeferenzierung nutzt ein inertiales Navigationssystem (INS), um einen effizienteren und konsistenteren Arbeitsablauf für die Zuordnung von Raumkoordinaten zu den vom UAV gesammelten Daten zu ermöglichen. Aufgrund von Kostenüberlegungen und des aktuellen Stands der Leichtgewicht-Kameras ist die passive Georeferenzierung in der UAV-Photogrammetrie aufgrund der noch immer verwendeten Kameras in Verbraucherqualität immer noch üblich, auch wenn sie bei der bemannten Luftbildvermessung vor 10 bis 20 Jahren ausgelaufen ist. Wenn jedoch in ähnlicher Weise, wie heute die Luftbildfotogrammetrie aus bemannten Flugzeugen, die direkte Georeferenzierung eingesetzt wird, würde sie es ermöglichen, photogrammetrische UAV-Vermessungen mit weniger GCPs durchzuführen. Im Fall von LiDAR ist die Verwendung eines INS eine Notwendigkeit, da Koordinaten von typischerweise 100.000 Punkten pro Sekunde individuell berechnet werden müssen.
Ein INS umfasst ähnliche Gyroskope und Beschleunigungsmesser, die auf einer IMU zu finden sind, um die Bewegungsdynamik des UAVs zu berechnen, zusammen mit einem Rechensystem, das als Eingabe GNSS-Daten erfassen kann, und wendet eine Reihe von statistischen Filtern an, um eine beste Positionsschätzung auf der Grundlage der verfügbaren Daten zu berechnen. Durch die Verwendung eines INS kann die Position des UAV (und seiner Sensoren) mit einer höheren Frequenz berechnet werden als durch GPS allein. Es berücksichtigt die Bewegung des UAV und kann durch die Anwendung statistischer Filter eine bessere Positionsschätzung liefern, falls die Informationen von einem der Eingangssensoren nicht optimal sind. Darüber hinaus bedeutet die Aufzeichnung der Flugbahn der Plattform (und damit der Bildsensoren) während der gesamten Mission, dass es eine Positionsaufzeichnung gibt, die nachbearbeitet und verfeinert werden kann, um noch bessere Positionsdaten für die während des Fluges gesammelten Daten zu liefern. Gerade diese Integration von Positionierungsdaten veranschaulicht, warum bei Berücksichtigung der Bewegung des UAV zur Erfassung von Daten für Vermessungszwecke diese Informationen nur von einem IMU- oder GNSS-Empfänger nicht ausreichen.
Wozu brauchen Sie also wirklich ein inertiales Navigationssystem in Vermessungsqualität?
Der Aufstieg der UAV-Technologie hat dazu geführt, dass jetzt eine breite Palette von UAV-Plattformen zur Verfügung steht. Diese reichen von Systemen der Verbraucher- bis hin zu Systemen der Profi-Klasse, haben ein breites Spektrum an Preis-Leistungs-Verhältnissen und eine große Vielfalt an funktionalen Fähigkeiten der Komponenten dieser Systeme, einschließlich der eingesetzten Autopilot- und Flugbetriebssysteme. Aufgrund der Arten von Materialien und Technologien, die in professionellen 3D-Bildgebungssystemen wie LiDAR-Nutzlasten verwendet werden, bedeutet dies auch, dass der Geldwert des Bildgebungssensors oft das 2- bis 6-fache des Wertes der UAV-Plattform selbst betragen kann.
Ein Prinzip jeder umfragebezogenen Methodik ist das der Konsistenz. Aufgrund der Vielfalt der verfügbaren Plattformen bedeutet dies, dass die Qualität und die Leistungsfähigkeit der Komponenten, die in den Flugsteuerungssystemen von zwei beliebigen UAV-Plattformen verwendet werden, sehr unterschiedlich sein können. Die Navigationsfähigkeiten eines Flugkontrollsystems sind oft so ausgelegt, dass sie mit einem anderen Grad an räumlicher Toleranz arbeiten als die eines Systems, das für die Vermessungskontrolle entwickelt wurde. Um ein Beispiel zu nennen: Daten, die von einem sich bewegenden Geodatenerfassungsfahrzeug (z. B. einem UAV oder einem mobilen Kartierungsfahrzeug) gesammelt werden, müssen in der Regel auf /- 5 cm genau positioniert werden, damit sie als "vermessungsrelevant" gelten können. Das Autopilotsystem eines Oktokopter-UAVs, das im professionellen Einsatz häufig zum Tragen einer bildgebenden Nutzlast verwendet wird, hat in der Regel eine Schwebepositionsspezifikation von etwa /- 0,5 m-1,5 m. Ein INS in Vermessungsqualität, wie das OxTS xNAV550 Inertial GNSS-System, berechnet die räumliche Flugbahn einer UAV-Plattform mit einer Genauigkeit von /- 2 cm.
In einem Zeitalter, in dem UAV-Anwender in der Lage sein müssen, ihre Nutzlasten zu mischen und anzupassen, ist es verständlich, warum die Anforderungen an das Tragen einer Nutzlast für Vermessungszwecke anders sein können als die Verwendung derselben UAV-Plattform für andere Zwecke. Die Verwendung eines INS in Vermessungsqualität bei Projekten, die dies erfordern, bedeutet jedoch, dass der Anwender eine Technologie verwendet, die ihm eine höhere Produktivität ermöglicht, aber auch eine validierte Methode zur Positionierung der gesammelten Daten anwendet, die die für Vermessungsprojekte erforderlichen feineren Toleranzgrenzen erfüllt.
