Erstellung von Orthofotos und Digital Twins

Grundlagen

Eine Besonderheit neben den schönen Perspektiven, unvergesslichen Momenten aus der Luft und der vereinfachten Gebäude-Inspektion ist die Möglichkeit, mithilfe von Drohnen Luftbilder zur Kartographie bzw. zur Erstellung von virtuellen Abbildern der Realität anzufertigen. Orthofotos sind einfach gesagt verzerrungsfreie Luftbilder, die sich zur Kartierung eignen. Aus diesen können wiederum Punktwolken mit Höhenprofilen errechnet und erstellt werden, die im späteren Verlauf zum Beispiel in virtuellen Welten Anwendung finden.

Die Erstellung von Orthofotos und die Georeferenzierung mittels Triangulation sind zwei wichtige Prozesse in der Kartografie und der Geoinformationstechnologie. Folgend ein kurzer Überblick:

Was ist ein Orthofoto und wie wird es erstellt?

Orthofotos sind hochauflösende Luftbilder oder Satellitenbilder, die geometrisch korrigiert wurden, um eine verzerrungsfreie Darstellung der Erdoberfläche zu erzeugen. Der Prozess der Orthofotoerstellung beinhaltet in der Regel folgende Schritte:

1. Erfassung der Bilddaten: Dies kann entweder durch Luftbildaufnahmen mit speziellen Kameras, UAVs (ugs. Drohnen) oder durch Satellitenaufnahmen erfolgen. Die Bilder sollten eine ausreichende Überlappung aufweisen, um eine präzise Bildkorrelation zu ermöglichen. Mit der Aufnahme und dem Überflug der Location ist nun der erste Schritt getan.
2. Bildkorrelation: In diesem Schritt werden (manuell oder durch professionelle Kartierungssoftware) markante Punkte in den Bildern identifiziert, um die räumliche Beziehung zwischen ihnen zu bestimmen. Dies wird durch die Verwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen erreicht, die auf Texturmerkmalen oder spezifischen Mustern basieren.
3. Erstellung einer Punktwolke: Mithilfe der Bilder kann in einem umfangreichen Rechenprozess eine virtuelle Punktwolke erzeugt werden. Diese stellt maßstabsgetreu die einzelnen Eckpunkte dar.
4. Erstellung eines Digitalen Oberflächenmodells (DOM): Durch die Kombination der Bildkorrelationsergebnisse und der Punktwolke wird ein digitales Oberflächenmodell erstellt, das die dreidimensionale Geometrie des Geländes oder Gebäudes darstellt. Dieses Modell enthält Informationen über die Höhe einzelner Punkte in der Szene.
5. Orthorektifizierung: Mit Hilfe des DOMs und anderer geodätischer Informationen werden die Bilder perspektivisch entzerrt und auf eine topografische Karte oder ein digitales Geländemodell (DGM) abgebildet. Dadurch werden geometrische Verzerrungen, die durch die Neigung und die Oberflächenunebenheiten verursacht werden, korrigiert.

Georeferenzierung mittels Triangulation

Um diese Informationen nun in einem Koordinatensystem (GPS, GLONASS etc.) darstellen zu können, sind eindeutige Zuordnungen der Einzelpunkte notwendig. Anhand der Entfernung der Kameralinse zum Objekt, der Brennweite, dem Aufnahmewinkel und der idealerweise aufgezeichneten GPS/GLONASS-Koordinate des Einzelbildes kann nun durch die Überlappung mehrere Bilder eine Referenzierung im Koordinatensystem erfolgen.

Die Georeferenzierung ist der Prozess der Zuweisung von geografischen Koordinaten zu räumlichen Daten, wie zum Beispiel Bildern oder Karten. Die Triangulation ist eine Methode, die häufig zur Georeferenzierung von Bildern oder zum Beispiel im Mobilfunk und WLAN zur Positionsbestimmung der Netzteilnehmer verwendet wird. Folgend ist der Ablauf des Triangulationsverfahrens im Bezug auf die Kartierung dargestellt:

1. Referenzpunkte identifizieren: Zu Beginn müssen mindestens drei Referenzpunkte in der zu georeferenzierenden Abbildung und auf einer georeferenzierten Karte oder einem georeferenzierten Bild identifiziert werden. Diese Referenzpunkte sollten gut sichtbar und eindeutig identifizierbar sein. Je mehr Punkte vorhanden sind, desto genauer kann die Position bestimmt werden, allerdings dauert die Ermittlung dann auch erheblich länger, wenn deutlich mehr Punkte referenziert werden müssen.
2. Koordinaten der Referenzpunkte bestimmen: Die geografischen Koordinaten der Referenzpunkte auf der Karte oder dem Bild mit bekannten Koordinaten werden erfasst. Dies kann durch Messungen vor Ort oder durch die Verwendung von Vermessungsdaten erreicht werden.
3. Triangulation berechnen: Mit den bekannten Koordinaten der Referenzpunkte und den entsprechenden Bildkoordinaten wird die Triangulation berechnet. Dies beinhaltet die Bestimmung von Transformationsparametern, die die Beziehung zwischen den Bildkoordinaten und den geografischen Koordinaten darstellen.
4. Georeferenzierung der Daten: Nachdemdie Triangulation durchgeführt wurde, können die restlichen Punkte im Bild durch Anwendung der Transformation auf ihre geografischen Koordinaten georeferenziert werden. Dadurch werden die räumlichen Daten des Bildes an die geografische Realität bzw. das jeweilige Koordinatensystem angepasst.

Die Genauigkeit der Georeferenzierung ist von verschiedenen Faktoren stark abhängig. Dazu zählen z.B. die Qualität der Referenzpunkte, der Präzision der Vermessungsdaten und der gewählten Triangulationsmethode und die Qualität der Aufnahmen an sich. Eine sorgfältige Durchführung dieser Schritte ist erforderlich, um hochwertige und präzise georeferenzierte Daten zu erhalten.

Anwendungsgebiete – “Digital Twins”, Metaverse & co.

Die oben beschriebenen Techniken werden in verschiedenen Bereichen wie Kartografie, Fernerkundung, Geoinformationssystemen und Landvermessung eingesetzt, um präzise geografische Daten zu erzeugen. Ein Beispiel der Weiterverarbeitung dieser Daten wären die sogenannten “digitalen Zwillinge” (engl. “digital twin”), die ein virtuelles Abbild der reellen Welt darstellen sollen. Diese wiederum können verwendet werden für virtuelle Führungen in Räumen, eine digitale, interaktive Karte und weiteren virtuellen Welten wie Spielen, dem Metaverse oder anderen Virtual Reality-Erlebnissen.

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