3D-Kartierung: Im Tandem geht es besser

Im Rahmen eines europäischen Projekts haben Forscher der EPFL Boden- und Luftkomponenten entwickelt, um Flächen und Städte im Tandem zu kartieren.

Eine gute, hochauflösende 3D-Kartierung ist heute meistens teuer und langwierig. Dabei scannt ein Fahrzeug die Umgebung vom Boden bis zu den Dächern (oder Bäumen). Eine Drohne vervollständigt das Bild mit Luftaufnahmen. Die neuartige Idee des europäischen Projekts mapKITE besteht darin, die Kartierung durch das Tandem Fahrzeug und Drohne zu erstellen. Innerhalb des Konsortiums*, das durch das Programm H2020 finanziert wird, haben Forscher der EPFL wesentliche Komponenten entwickelt, um diesen technologischen Durchbruch zu erzielen, insbesondere die Zielscheibe und weitere technologische Bestandteile, mit deren Hilfe sich die Drohne virtuell ans Fahrzeug „anhängen“ kann.

Der Nutzen der Kombination aus Boden und Luftkartierung wird deutlich, wenn man einen Blick auf die Lücken der aktuellen Systeme wirft. So ist die Drohne bei der Abbildung langer Korridore wie etwa Straßen, Flüssen oder Eisenbahnstrecken gezwungen, mit Unterstützung am Boden segmentweise vorzugehen. Aus regulatorischen Gründen muss sie immer im Blickwinkel des Bedieners bleiben. Damit die Sensoren richtig ausgerichtet bleiben, muss sie stets eine bestimmte Anzahl von Kontrollzielen „sehen“. Ein weiterer Schwachpunkt: Um aus der Luft schlecht texturierte Umgebungen wie Schnee, Sand und Wasser zu kartieren, muss die Ausrichtung des Sensors laufend korrigiert werden. Am Boden genügt ein Baum, eine Brücke oder ein Fahrzeug, um das Bild zu blockieren. Ganz zu schweigen von der Kompatibilität und Kohärenz der durch beide Methoden gesammelten Daten.

Virtueller Bezugspunkt

MapKITE kombiniert beide Techniken und deren Vorteile miteinander — ohne ihre Schwächen. Die Drohne ist mit Fernerkundungsinstrumenten und einem Navigations-, Steuerungs- und Kontrollsystem ausgerüstet. Das bemannte Landfahrzeug verfügt darüber hinaus über ein Echtzeit-Navigationssystem. Das Fahrzeug berechnet laufend die Strecke dank seines Positionierungssystems. Dadurch generiert es eine Vielzahl von Bezugspunkten, die der Drohne als Hinweise dienen, wobei die terrestrische Navigation (Zeit, Position, Geschwindigkeit und Verhaltensparameter) in Befehle in der Luft (Höhe und Richtungen) umgewandelt werden.

Eine solche Vorgehensweise schafft einen virtuellen Bezugspunkt, durch den die Drohne immer dem Fahrzeug folgt und im gleichen Maßstab arbeitet. Das Tandemkonzept geht somit weit über ein einfaches Verfolgen des Fahrzeugs durch die Drohne hinaus. Die hohe Qualität dieses virtuellen Bezugspunktes beruht auf zwei Dingen. Der erste Bestandteil ist eine von den Forschern des Topometrielabors (TOPO) der EPFL erarbeitete optische Zielscheibe, eine auf dem Dach des Fahrzeugs platzierte Fraktalzeichnung, durch die die Drohne optisch in Echtzeit (sowie mit grösserer Genauigkeit in Nachbearbeitung) ihre relative Entfernung zum Fahrzeug berechnen kann. So kann sich die Drohne ständig und an jedem Punkt ohne die Hilfe von Instrumenten der Satellitennavigation bewegen und die Zusammenführung der Daten vornehmen, ohne sich auf Ziele am Boden zu beziehen.

„Durch die Bildung dieses Tandems löst mapKITE auch das Problem der europäischen Reglementierungen, denn die Drohne kann jederzeit beim kleinsten Zwischenfall oder zum Batteriewechsel selbständig auf dem Fahrzeug landen“, so Jan Skaloud, Lehr- und Forschungsbeauftragter im TOPO.

Vorzüge des europäischen Systems Galileo

Der zweite Hauptaspekt des Systems ist die erstmalige Nutzung auf diesem Niveau des europäischen Navigationssystem Galileo. Es ist seit Dezember 2016 in Betrieb und liefert qualitativ bessere Signale als das amerikanische GPS, die es zudem ermöglichen, Fehler bei der Berechnung terrestrischer Positionen zu reduzieren. Mitte März wurde das System im BCN Drohne Center bei Barcelona getestet, mit spektakulären Ergebnissen: auf den Zentimeter genaue 3D-Karten, die viel präziser sind als ähnliche Produkte wie Google Streetview. „Mit einem Ziel von nur 90 Zentimetern Durchmesser haben die von der Drohne aus einer Höhe von 100 Metern aufgenommenen Bilder einen schiefen Winkel von weniger als 1 Prozent und aus 50 Metern von unter 0,25 Prozent“, so Davide Cucci, Postdoktorand im TOPO.

Anwendungen der Technologie sind zahlreich. Zunächst einmal ist die Kartierung langer Korridore, die mit diesem Instrument ermöglicht werden, von Bedeutung. In städtischen Räumen könnten außerdem Gebäude und andere Strukturen kontrolliert und überwacht werden. Ganz zu schweigen von den künftigen Entwicklungen, die diese Technologie bietet.

Europäische Jahreskonferenz über die Satellitennavigation an der EPFL:

Vom 9. bis 12. Mai 2017 trifft sich alles, was in der Welt der Satellitennavigation Rang und Namen hat, am Swiss Tech Convention Center der EPFL. Zehn Jahre nach Genf findet die jährliche European Navigation Conference (ENC) erneut in der Schweiz statt. Hochrangige Persönlichkeiten aus den Institutionen der Europäischen Gemeinschaft und der Raumfahrt, den Bundesämtern, der Industrie und Forschung, aber auch der amerikanischen, russischen, chinesischen, japanischen und indischen Navigationssysteme nehmen am Event teil. Star der diesjährigen Veranstaltung ist aber sicherlich das europäische Navigationssystem Galileo, das seit Dezember 2016 im Einsatz ist.

*mapKITE umfasst zehn Partner (GeoNumerics, TopScan, GRID-IT, ALTAIS, DEIMOS Engenharia, UAVision, CATUAV, EPFL, Engemap Engenharia, UNESP) aus sechs europäischen Ländern und Brasilien. Die EPFL ist der einzige akademische Partner. Ein Patent ist angemeldet worden.