DGM-Erstellung eines Steinbruchs aus Drohnendaten und Vergleich mit Bestandsmodellen

Projektüberblick

Für den Entsorgungsbetrieb der Stadt Mainz durften wir ein spannendes Projekt bearbeiten. Im Rahmen des Projekts erhielten wir photogrammetrische Daten des Steinbruchs Mainz Laubenheim. Ziel war die Erstellung eines Digitalen Geländemodells (DGM) aus einer Punktwolke, die die Firma LOGXON GmbH & Co. KG zuvor durch eine Drohnenbefliegung erzeugt hatte.

Luftaufnahme des SteinbruchsLuftaufnahme des Steinbruchs

 

Im Anschluss an die DGM-Erstellung erfolgte der Vergleich der aktuellen DGM-Daten mit dem Modell des Vorjahres und dem Modell des Planungsziels. Wichtig war dabei die Aussage, wie der Auf- und Abtrag im Steinbruch erfolgte und wie der Ist-Bestand verändert werden muss, um das Planungsziel zu erreichen.

Begriffserklärung: Ein Digitales Geländemodell (DGM) zeichnet die reale Erdoberfläche als trianguliertes Netz (TIN – Triangulated Irregular Network) ab. Hierbei bezieht es sich auf die wirklichen Geländehöhen. Vom DGM ausgeschlossen sind Höhen, die durch die Aufnahme von Bäumen oder Dächern zu Stande kommen.

Projektablauf

Zielsetzung

Nach Absprache mit dem Kunden und Sichtung der Daten aus dem Vorjahr wussten wir, welche Ergebnisse vom Kunden erwartet werden:

  • Triangulation (Dreiecksvermaschung) in den Datenformaten DWG und PDF
  • Höhenlinienplan in den Datenformaten DWG und PDF
  • Höhenkarte in den Datenformaten DWG und PDF
  • Auf- und Abtragsberechnung zum Modell des Vorjahres
  • Auf- und Abtragsberechnung zum Modell des SOLL-Zustandes
  • Erstellung von Profilplänen an definierten Achsen und Darstellung der Auf- und Abtragsinformationen

Aufnahme der 3D-Daten per Drohne

Die Projektfläche wurde photogrammetrisch mit einer speziellen Vermessungsdrohne (LOGXON Porter) erfasst. Vor der UAV-Befliegung der 60 Hektar wurden Pass- und Kontrollpunkte markiert und mit einem GPS-Rover eingemessen. Die Passpunkte dienen zur Georeferenzierung und die Kontrollpunkte zur Dokumentation der gelieferten Genauigkeiten.

Im Anschluss wurden in einer Flughöhe von 95 m über Grund ca. 1.300 hochauflösende Messbilder mittels 42-Megapixel-Kamera aufgenommen. Dabei betrug die Bodenauflösung 1,15 cm. Der vorab geplante Flug über den Steinbruch erfolgt teilautomatisiert mit Hilfe einer präzisen GPS-Steuerung. Der Pilot startete und landete manuell und hielt während des autonomen Flugs dauerhaft den Sichtkontakt zur Drohne.

Befliegung des Steinbruchs mit dem LOGXON PorterBefliegung des Steinbruchs mit dem LOGXON Porter

 

Photogrammetrische Auswertung

Eine professionelle Prozessierung der texturierten Punktwolke, gestützt auf Passpunkte wie auch GPS-Daten aus der Luft, erfolgte in der Software Agisoft Metashape Professional anhand der Messbilder. Auf Basis der Punktwolke wurden darüber hinaus zur Weiterverarbeitung und visuellen Dokumentation sehr detaillierte Orthofotos mit 1,15 cm, 5 cm und 10 m Auflösung erstellt. Die Ergebnisse werden mit einem Bericht über die Erfassung und Prozessierung übergeben, in dem alle relevanten Parameter und Genauigkeiten dokumentiert sind.

Projektumsetzung

Nach Formatierung der Ausgangsdaten (LAS-Datei) in das notwendige Format und der Reduzierung der Daten auf einen Rasterabstand von 5 cm erfolgte die Bereinigung der Punktwolke in Autodesk ReCap. Hierbei wurden alle Objekte gelöscht bzw. klassifiziert, die nicht zum Gelände gehören (z. B. Autos, Häuser, Bäume, …).

Anschließend haben wir aus der störungsfreien und sauberen Punktwolke ein Modell des Steinbruchs erzeugt; hierfür verwendeten wir die Software Autodesk InfraWorks. Durch die sehr steilen Böschungen und die Abdeckungen durch die Vegetation konnte das Modell nicht vollständig korrekt erzeugt werden. Die fehlenden Bereiche korrigierten wir durch die Erzeugung von Bruchkanten.

Begriffserklärung: Bruchkanten sind lineare Objekte, die bei Geländeänderungen entstehen, wie zum Beispiel an der Oberkante einer Böschung oder an Straßenrändern.

Die Auswertung des Modells und der Vergleich mit den vorhandenen Daten des Kunden erfolgten in Autodesk Civil3D.

HöhenplanHöhenplan

 

Mit der Mengenberechnung wurde der Auf- und Abtrag zwischen den Modellen ermittelt. Das Ergebnis konnten wir sowohl grafisch als auch numerisch an unseren Kunden übergeben. Weiterhin erstellten wir an verschiedenen Achsen in NS- und OW-Richtung Höhenprofilpläne. Der Auf- und Abtrag ist durch die Vektorisierung der beiden Geländemodellachsen und der Angabe der Höhendifferenz noch besser ersichtlich und unterstützt die Aussagekräftigkeit der Berechnung.

Das Programm Civil3D bietet zusätzlich zur Datenauswertung viele verschiedene Visualisierungsmöglichkeiten.

DreiecksvermaschungDreiecksvermaschung

 

Höhenlinie & HöhenkarteHöhenlinie & Höhenkarte

 

Dreiecksvermaschung mit OrthofotoDreiecksvermaschung mit Orthofoto

 

Fazit

Im Rahmen des Projekts konnten wir unseren Workflow zur DGM-Erstellung und zum DGM-Vergleich festigen und optimieren. Der Fokus bei der Erstellung von Digitalen Geländemodellen aus Scandaten liegt zwingend in der Bereinigung der Daten und der sinnvollen Ausdünnung (Rasterung) der Punktwolke. Besonders bei schwierigem Gelände sind eine Prüfung und ggf. auch eine Korrektur der erzeugten Modelldaten durch den Bearbeiter erforderlich. Durch ein hochauflösendes Orthofoto ist der Bearbeiter in der Lage, sich die Gegebenheiten vor Ort anzusehen und kann die automatisch erzeugten Daten sehr gut bewerten.

 

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