Creek 4D Automatisierte hochauflösende Erfassung gewässermorphologischer Parameter kleiner Gewässer zur Unterstützung des Hochwasserrisikomanagements sowie der Erreichung des guten ökologischen Zustandes
Projektträger
Technische Universität Dresden Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung Juniorprofessur für GeosensorsystemeHelmholtzstr. 10
01069 Dresden
Telefon: 004935146332737
Zielsetzung
Die geodätische Dokumentation und gewässermorphologische Klassifizierung von Gewässern ist besonders bei „kleinen“ Gewässern zweiter und dritter Ordnung aufgrund ihrer Vielfältigkeit, Vielzahl und Zugänglichkeit sehr aufwendig und kostenintensiv. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines kombinierten Mess- und Auswerteverfahrens welches eine effiziente Vermessung von Kleinstgewässern sowie die Ableitung von gewässerspezifischen Parametern aus den akquirierten Messdaten ermöglicht
Arbeitsschritte
Im Bereich der Sensorentwicklung und Datenakquise erfolgte die Entwicklung eines Konzepts für eine mobile Sensorplattform und ein passender Workflow für die Datenaufnahme. Die Entwicklung wurde über die Konstruktion und Weiterentwicklung von Prototypen vorangetrieben. Bei der ersten Stufe des Prototypens wurde auf bereits vorhanden Hardware zurückgegriffen. Mittels der Prototypen konnten erste Testmessungen durchgeführt und ein Kalibrierkonzept entwickelt werden. Nach dem Umstieg auf eine fertige Messplattform verschob sich der Schwerpunkt der Sensorentwicklung. Neben der Akquise von Messdaten, der Überprüfung des Aufnahmekonzepts und der Durchführung von Validierungsmessungen, lag der Fokus auf der Untersuchung der Orientierung zwischen der Plattform und der Kamera.
Die algorithmischen Entwicklungen konzentrierten sich zunächst auf die Auswertung von Punktwolken. Neben der Erstellung einer grafischen Nutzeroberfläche wurde eine Abfolge von Methoden entwickelt, mit welchen in den Punktwolken Gelände- und Vegetationspunkte extrahiert und klassifiziert werden können. Um die klassifizierten Punkte in eine 2D-Kartendarstellung zu überführen wurden zudem Methoden entwickelt welche eine Rasterung und Vektorisierung der Daten ermöglichen. Im nächsten Schritt erfolgte die Integration und Nutzung von Bilddaten zur Messung von Linien- und Punktobjekten. Dazu wurde die grafische Nutzeroberfläche erweitert, um eine gemeinsame Visualisierung von Bild- und Laserscannerdaten zu ermöglichen. Für die Kartierung von Punkt- und Linienobjekten wurden zunächst semiautomatische Methoden entwickelt und in die Software integriert. Parallel dazu wurden aber auch Ansätze zur Automatisierung untersucht. Die Validierung der entwickelten prototypischen Software erfolgte mittels Genauigkeitsanalysen des Messystems, Vergleichsmessungen und einer Effizienzanalyse.
Ergebnisse
Im Bereich Sensorik wurde ein Prototyp bestehend aus Laserscanner, Kamera, einer inertialen Messeinheit (IMU) und einer Trägerplattform entwickelt. Die erste Version wurde als tragbares Messsystem konzipiert, mit welchem 2D-Laserscannerprofile und RGB-Bilder aufgenommen, sowie die Rotationen des Trägers bestimmt werden können. Zum Messsystem wurde parallel ein entsprechender Messablauf für die Datenaufnahme konzipiert. Die Messung der Bachabschnitte erfolgt hier in Schleifenform in Hin- und Rückmessung. Der Prototyp wurde weiterentwickelt und die Integration der einzelnen Sensoren am ersten Testträger abgeschlossen. Dabei wurde neben der Sensorik auch die Steuerung der Plattform verbessert. So konnten erste Outdoor-Daten (Kamera) und Indoor-Daten (Kamera + Laserscanner) aufgenommen werden. Nach dem Wechsel zur bereits fertigen Hardwarelösung, bestehend aus Laserscanner, IMU und Kamera konnten anschließend Messdaten erhoben werden. So wurden an ausgewählten Referenzgewässerabschnitten Testdatensätze aufgenommen und ausgewertet. Neben dem Einsatz der Daten als Testdaten für die Softwareentwicklung konnte der erstellte Workflow zur Datenakquise getestet und angepasst werden. Die Georeferenzierung der Daten wurde über eine simultane RTK-GNSS Messung umgesetzt. Sie kann zeitsparend angewendet werden und ist auch für die Geodatensensorfusion mit Daten einer UAV-gestützten Messung nutzbar. Neben der Datenaufnahme mit der mobilen Plattform erfolgte die Analyse der von der Plattform generierten Daten und die Erstellung eines Konzepts zur Bestimmung der relativen Orientierung von Plattform zur Kamera.
Hinsichtlich der Datenauswertung konnten folgende Ergebnisse erzielt werden: Es wurde ein Framework erstellt, welches für die Programmierarbeiten im Projekt zur Verfügung stand und welches auch für zukünftige Fragstellungen zu Datenerhebungen an Kleinstgewässern als Basis genutzt werden kann. Dieses beinhaltete u.a. die Integration ausgewählter nützlicher Programmbibliotheken, geeigneter Datenstrukturen, implementierte Methoden zur Parallelisierung von Rechenprozessen sowie eine grafische Benutzeroberfläche welche die Visualisierung von Bild- als auch 3D-Punktwolken ermöglicht und spezifische Nutzerinteraktion erlaubt. Im Ergebnis der algorithmischen Entwicklungen konnte ein durchgängiger Workflow für die Auswertung von großen Punktwolken fertig gestellt werden, mit dem eine automatisierte Klassifizierung von Flächen bestimmter Neigung und Vegetation bis hin zur Speicherung der Ergebnisse in einem GIS-fähigen Datenformat möglich ist. Dieser Workflow wurde um die Bilddatenauswertung erweitert, so dass auch punktuelle und lineare Objekte gemessen werden können. Dazu werden Linienobjekte im Bild kartiert und automatisch in den 3D-Raum übertragen. Sonderobjekte können mit visueller Unterstützung durch die Bilddaten manuell in der Punktwolke gemessen werden. Ein Konzept zur Organisation aller Daten eines Auswertevorgangs in Form eines Projektes wurde erstellt und implementiert, um Arbeitsstände und Zwischenergebnisse des Auswerteprozesses speichern und wiederherstellen zu können. So konnte ein praktisch einsetzbarer Softwareprototyp geschaffen und frei zur Verfügung gestellt werden, mit dem Mobile-Mapping-Daten verarbeitet und aus diesen grundlegende gewässerspezifische Objekte und Attribute abgeleitet werden können.
Öffentlichkeitsarbeit
Es wurden informelle Workshops mit dem Umweltamt der Stadt Dresden und dem Institut für Markscheidewesen und Geodäsie der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt. Das Projekt Creek4D wurde im Rahmen des virtuellen ISPRS Kongresses 2021 einem internationalen Publikum vorgestellt.
Es erfolgte eine Vorstellung der Projektarbeiten im Rahmen der Session „Digitalization in the German Water Sector“ des Forums Wasser/Abwasser auf der IFAT Messe in München.
Fazit
Nach den Arbeiten an einer eigenen Plattform konnte erfolgreich auf den Einsatz einer kommerziell verfügbaren Plattform umgestellt werden. Mit diesem mobilen Messsystem wurden, dem Projektziel entsprechend, Messdaten erhoben. Das System erwies sich während der durchgeführten Test- und Validierungsmessungen als geeignet für die Vermessung von Kleinstgewässern. Neben den durchgeführten Messungen zur Validierung des erstellten Workflows konnten auch ein Konzept zur Bestimmung von geräteinternen Parametern erstellt werden. Hinsichtlich der Methodenentwicklung konnte erreicht werden, dass für wesentliche geometrische Grundtypen von Gewässerbestandteilen ein durchgängiger Workflow existiert, um diese aus Bild- und/oder Laserscannerdaten automatisch bzw. interaktiv ableiten zu können. Die Methoden wurden in eine prototypische Software integriert, die frei genutzt und getestet werden kann. Damit ist die Basis geschaffen, um aus den mobil erfassten Datensätzen die wichtigsten Gewässerbestandteile extrahieren und mit Attributen versehen zu können. Der Zeitaufwand für die Aufnahme von Kleinstgewässern konnte gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich verringert werden.