Qualitätsanalyse einer passpunktfreien photogrammetrischen 3D-Rekonstruktion von Schloss Wolfstein in Freyung

Die Möglichkeiten ein 3D-Modell eines Gebäudes zu erstellen, sind vielfältig. Je nach Sensorart und Auswertungssoftware erfreuen sich die neusten Technologien nicht nur im kommerziellen, sondern auch im privaten Bereich immer größerer Beliebtheit. Neben der Objektaufnahme mittels Laserscanning findet die digitale Bildaufnahme mit photogrammetrischer Auswertung vermehrt Anwendung. Die Photogrammetrie wird gerne an schwer zugänglichen Orten herangezogen, da die Bildaufnahme mittels Drohnen aus der Luft erfolgen kann. Viele Faktoren wie die unterschiedlichen Kombinationen von Aufnahmeparameter, Sensoreigenschaften, Software und Vorgehensweise beeinflussen das Ergebnis hinsichtlich der inneren und äußeren Genauigkeit.

In dieser Arbeit wird ein 3D-Modell von Schloss Wolfstein in Freyung erstellt und bezüglich der inneren und der äußeren Genauigkeit analysiert. Die Bildaufnahme erfolgte mit zwei verschiedenen Drohnen (DJI Mini 2 und Phantom 4 Pro), die über einen integrierten Global Navigation Satellite System (GNSS)- Positionierungssensor verfügen, mit dem für jedes Bild die Position der Aufnahme bestimmt wird. Ein Korrekturdienst wie beispielsweise SAPOS wird dabei nicht miteinbezogen. Diese Geoinformation wird verwendet, um primär die Kamerapositionen und sekundär das gesamte 3D-Modell zu georeferenzieren.

Die photogrammetrische 3D-Rekonstruktion erfolgte mit dem Programm 3DF Zephyr und wird in vier Phasen unterteilt: angefangen mit der Berechnung der dünnen Punktwolke, gefolgt von der dichten Punktwolke über die Oberflächenrekonstruktion bis zur finalen Texturierung entsteht das fertige, digitale 3D-Modell.

Abbildung 2: Amtliche Referenzdaten (braun) überlagert von einem horizontalen Ausschnitt aus der Punktwolke (blau).

Für die Validierung werden Referenzdaten aus dem Amtlichen Liegenschaftskatasterinformationssystem (ALKIS) und einer tachymetrischen Fassadenaufnahme verwendet. Aufgrund von dichter Vegetation um das Schloss fehlen stellenweise Bilddaten des Gebäudes, weswegen das erzeugte 3D-Modell an den entsprechenden Stellen Löcher und verschwommene Kanten aufweist (siehe Abb. 1). Im Gegensatz dazu konnten gut sichtbare Bereiche fehlerfrei rekonstruiert werden. Zur Bewertung der inneren Genauigkeit des Modells wird mit der dichten rekonstruierten Punktwolke eine Fehleranalyse auf Grundlage der Ausgleichungsrechnung durchgeführt. Die Standardabweichung der Punktwolke wird nur für die sichtbaren Bereiche des Modells berechnet und liegt bei verschiedenen Gebäudeseiten zwischen 7 mm und 3 cm. Die äußere Genauigkeit bewertet die Qualität der geographischen Lage, welche mit der GNSS-Positionierung (mit Hilfe von GPS, Galileo und GLONASS) berechnet wird und sich in Translation, Rotation und Skalierung unterteilen lässt. Unter Verwendung der Ausgleichungsrechnung werden die genannten Parameter aus dem Grundriss der dichten Punktwolke in Bezug auf die Referenzdaten ermittelt (siehe Abb: 2). Die Punktwolke ist in Bezug auf die Referenzdaten im Durchschnitt um lediglich 92 mgon nach links verdreht. Außerdem ist die Punktwolke um 20,6 cm nach Osten und um 103,8 cm nach Norden verschoben. Die Berechnung der Skalierung ergibt eine durchschnittliche Längendifferenz der beiden Datensätze von 0,057 m bei einer Gesamtlänge von 22,65 m. Die Gebäudeseiten sind in der Punktwolke somit um nur 2,5 ‰ kürzer als in den tachymetrischen Referenzdaten. Die innere Genauigkeit der Rekonstruktion liegt mit bis zu 3 cm Standardabweichung in einem besseren Genauigkeitsbereich als die Gebäudekoordinaten der amtlichen Referenzdaten, welche bis zu 30 cm aufweisen dürfen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein 3D-Modell mit im Vergleich zur Tachymetrie oder zum Laserscanning kostengünstigen Mitteln im Zentimeterbereich – mit Ausnahme einer möglichen Translation – rekonstruiert werden kann. Bereits ein Passpunkt oder die Verwendung eines GNSS-Korrekturdienstes würden diesen Versatz bereits entfernen. Dank der automatisierten Rechenverfahren in der Software 3DF Zephyr kann diese beachtliche Genauigkeit auch von Amateuren im Bereich der Vermessung erreicht werden. Der virtuelle Flug um Schloss Wolfstein (Abb. 1) zeigt anschaulich die Qualität des Modells und lässt erahnen, welche Möglichkeiten diese „Virtual Reality“ zukünftig eröffnet.