Vertrauensmarketing

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TECHNIK
1 | EINLEITUNG
Dieser Beitrag zeigt eine Prototyplösung auf, mit der Videoaufnahmen
aus Mini- oder Mikrodrohnen in Echtzeit oder offline
in einen virtuellen Globus integriert werden können. Dabei
wurde der Fokus speziell auf die Verwendung von kostengünstigen
und rasch verfügbaren Mini- und Mikrodrohnensystemen
gelegt. Gerade auf Plattformsystemen dieser Kategorie
können wegen Gewichtslimitierungen und aus Kostengründen
zur Fluglagebestimmung nur Sensorsysteme geringer Qualität
verwendet werden. Diese Einschränkungen limitieren die Georegistrierungsgenauigkeit,
mit welcher die Videodaten in die
virtuelle Welt integriert werden können. Die Prototyp-Entwicklung
erfolgte im Rahmen des KTI-Projekts »Virtual Monitoring«
[1] am Institut Vermessung und Geoinformation der Fachhochschule
Nordwestschweiz. Der in diesem Beitrag präsentierte
Ansatz unterscheidet sich in mehrfacher Hinsicht von
mini- und mikrodrohnenbasierten photogrammetrischen Anwendungen
wie sie u. a. in [2] vorgestellt werden. So liegt der
Fokus bei der hier vorgestellten Lösung im Speziellen bei der
Echtzeit-Georegistrierung und -Geodatenintegration von Bilddaten
in virtuelle Globen. Für die Echtzeit-Georegistrierung
werden die standardmäßig verfügbaren Geosensoren auf den
unbemannten Plattformen sowie die bestehende Geodatenbasis
des virtuellen Globus verwendet. Vertiefende Informationen
über die realisierte Lösung sind in der Veröffentlichung
[3] zu finden.
2 | VERWENDETE BASISTECHNOLOGIEN
Heute existiert eine große Anzahl verschiedener unbemannter
Flugsysteme für unterschiedliche Anwendungen und in unterschiedlichen
Ausführungen auf dem Markt. Gerade Mini- und
Mikrodrohnen werden zunehmend als kostengünstige und effiziente
Aufnahmeplattformen für Geodaten eingesetzt. Die
europäische Assoziation für unbemannte Flugsysteme (EU-
ROUVS) klassiert diese Kleinstflugsysteme wie folgt:
Kategorie Maximales
Startgewicht
Mikro
Mini
< 5 kg
< 30 kg
Diese Fluggeräte verfügen meist über einen integrierten Fluglagekontroller,
der eine automatische Stabilisierung sowie eine
ferngesteuerte Navigation erlaubt. Einige Plattformen verfügen
zusätzlich über einen Autopiloten, der vollständig auto-
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Maximale
Flughöhe
250 m
150–300 m
Flugdauer Datenlink-
Reichweite
1 h
< 2 h
Tabelle 1 | Klassifikation Mini- und Mikrodrohnensysteme
< 10 km
< 10 km
nome Flüge ermöglicht. Die für die Fluglagedatenbestimmung
notwendigen Sensordaten werden meist mittels MEMS- (Micro-Electro-Mechanical
System) basiertem Inertialnavigationssystem
(INS), Navigations-GPS-Empfänger, Magnetkompass
und Barometer erfasst. Dabei werden die Fluglagedaten bestehend
aus Position, Ausrichtung und Geschwindigkeit aus den
einzelnen Sensoren vom Fluglagekontroller durch Sensordatenfusions-Algorithmen
optimal geschätzt. Die Prototyplösung
verwendet das Mikrodrohnensystem »microdrones md4-200«
(vgl. Abb. 1) mit den folgenden Merkmalen:
Fluggerät Quadcopter
Max. Abfluggewicht
Max. Zuladung
Flugdauer
Genauigkeit Fluglagedaten
Lage
Höhe
Nick- und Rollwinkel
Gierwinkel
0,9 kg
0,3 kg (für Bildsensoren)
~20 min
3,5 m CEP
5 m SEP
1–2°
3–5°
Für die Videodatenerfassung wird eine nichtmetrische PAL-
Videokamera mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixel verwendet.
Abbildung 1 | Mikrodrohnensystem »microdrones md4-200«
Als zweite wichtige Komponente verwendet die umgesetzte
Lösung 3-D-Geoinformationsdienste basierend auf virtuellen
Globen, prominente Beispiele für solche Dienste sind Google
Earth oder Microsoft Virtual Earth. Die meisten virtuellen Globen
bieten die Möglichkeit, große Mengen an Geodaten über
das Internet zu »streamen« und in Echtzeit darzustellen. Dabei
wird die virtuelle 3-D-Landschaft meist aus Höhenmodellen,
Orthophotomosaiken, 3-D-Modellen sowie POI (Points of Interest)
aufgebaut. Heutige Dienste weisen aber auch einige
Nachteile auf, so sind gerade die für Echtzeit-Überwachungen
oder Entscheidungssupport-Anwendungen sehr wichtigen
Orthobilddaten meist nicht aktuell. Weiter sind die verwendeten
geodätischen Referenzmodelle im Allgemeinen nicht
publiziert, womit die Integration von Geodatenbeständen mit
ausreichender Georeferenzierungsgenauigkeit ohne manuelle
Nachbearbeitung problematisch ist. Gerade die Kenntnis des
verwendeten geodätischen Bezugssystems ist für die Umsetzung
einer Echtzeit-Video- und Bilddatenintegration zentral.
Zudem bieten die verfügbaren Programmierschnittstellen der
meisten virtuellen Globen keine Möglichkeit, Bild- bzw. Videodaten
in Echtzeit zu integrieren. Aus den genannten Gründen
verwenden wir für die Prototyplösung unseren eigenen an der
Fachhochschule Nordwestschweiz entwickelten virtuellen Globus
i3D (vgl. Abb. 2). Die i3D-Technologie stellt die gängige
Funktionalität heutiger virtueller Globen zur Verfügung und
ist darüber hinaus speziell optimiert für die Echtzeit-Integration
von Geodaten mit Submetergenauigkeit. Als geodätisches
Bezugssystem verwendet i3D das WGS-84-Referenzellipsoid.
Zusätzlich stellt die i3D-Technologie eine kollaborative virtuelle
Umgebung zur Verfügung, in welcher die Inhalte des virtuellen
Globus neu von vielen Benutzern gleichzeitig erfasst, ausgetauscht,
visualisiert und beurteilt werden können. Mit Hilfe der
verfügbaren Programmierschnittstelle können auf sehr einfache
Weise unterschiedliche Dienste und Anwendungen auf
Basis der i3D-Technologie realisiert werden. Informationen
über den virtuellen Globus i3D sind verfügbar unter [4].
Abbildung 2 | i3D-Editor und -Viewer
3 | SYSTEMARCHITEKTUR UND
VIDEODATENINTEGRATION
TECHNIK
Nachfolgend werden die Architektur und im Speziellen die
Videodatenverarbeitung und -integration der realisierten Lösung
vorgestellt. Das mittels Mini- oder Mikrodrohnensystem
aufgenommene Video lässt sich in Echtzeit- oder im Offline-
Modus in die i3D-Technologie integrieren. Die Integration kann
in zwei unterschiedlichen Varianten durchgeführt werden. Bei
der ersten Variante, dem Augmented Monitoring, werden die
georeferenzierten Videodaten mit den Objekten aus dem virtuellen
Globus überlagert. Der zweite Ansatz, das Virtual Monitoring,
erlaubt die Visualisierung des erfassten Videos in einem
Graphikfenster und synchron dazu in einem zweiten Fenster
die Darstellung der aktuellen Ausrichtung und Position des Aufnahmekegels
der Videokamera in der virtuellen Welt. Abbildung
3 und 4 zeigen die beiden Integrationsansätze und verdeutlichen
die beschriebenen Konzepte.
Abbildung 3 | Beispiel Augmented-Monitoring-Integrationsansatz
Abbildung 4 | Beispiel Virtual-Monitoring-Integrationsansatz
Sämtliche in der Prototyplösung involvierten Hardwarekomponenten
sowie die gesamte entwickelte Datenverarbeitungskette
sind in Abbildung 5 aufgezeigt. Am Anfang befindet sich
die Aufnahmeplattform, die mit Fluglagekontroller, Videoka-
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