III. Georeferenzierung und Photogrammetrie
Im Folgenden sind spezifische Ziele für photogrammetrische und Georeferenzierungsaufgaben im MiteSens-Projekt aufgeführt:
- Bereitstellung eines genauen Raumbezugs (Ort) für Objekte (Spinnmilben)
- Bereitstellung einer Orthomosaikkarte der Region of Interest (ROI), die als Basiskarte dienen kann, um andere räumliche Informationen anzuzeigen
- Bereitstellung von Höheninformationen zum Pflanzenwachstum
- Visualisierung symbolischer (klassifizierter) Bilder als Überlagerung auf einem Orthomosaik und als dreidimensionale klassifizierte Punktwolkenkarte (Voxel)
Darüber hinaus werden erweiterte photogrammetrische Produkte wie Punktwolken und Voxelmodelle intern für die autonome Navigation und die Vermeidung von Hindernissen verwendet. Solche Modelle werden insbesondere in Fällen unvermeidlich, in denen sich die Betriebsumgebung ändert.
Georeferenzierung von Punktwolken
Ein typischer Georeferenzierungs-Workflow umfasst die Verwendung einer Trajektorie, basierend auf dem aus der Navigation ermittelten Zustandsvektor y(t)Ist und der LiDAR-Punktwolken mit Zeitstempel, um die Position und Ausrichtung von Punkten in der Punktwolke zu ermitteln. Abb. 1 zeigt die paketbasierte Zeitreferenzierung eines typischen 3D-LiDAR-Mehrstrahlsensors. Obwohl auf einzelne Umdrehungen basierende Zeitstempel für sich langsam bewegende Plattformen (unter 1 m / s) ausreichen, wird im MiteSens-Projekt aufgrund der möglichen höheren Dynamik eine vollständige Georeferenzierung auf der Basis von Paketzeitstempeln implementiert.
Abb. 1: Draufsicht einer Punktwolke einer einzelnen Umdrehung, die mit eindeutigen Paketzeitstempeln eingefärbt wurde
Die Georeferenzierung eines einzelnen Punktes der Punktwolke erfolgt nach der Georeferenzierungsgleichung wie folgt
mit:
- PGe Koordinaten eines Einzelpunkts im globalen Referenzframe
- Pbe Koordinaten deszu navigierenden Bodys im globalen Frame
- Rbe Attitude (Roll, Pitch, Yaw) in Matrixform des Bodys im globalen Frame
- Rs,i,jb Rotation des LIDARs (Sensorindex i,j eines Multisensorsystems) im Body Frame
- rs Koordinaten des Laserpunkts im LIDAR Frame
- li,jb Koordinaten des LIDAR (Sensor i,j) im Body Frame
Abb. 2a: Georeferenzierte Punktwolke, dargestellt mit Satellitenbild
Abb. 2b: Perspektivische Ansicht der 3D-Punktwolke.
Abb. 2: Vorläufige Georeferenzierungsergebnisse basierend auf dem Open-Source-Datensatz NCLT (Carlevaris-Bianco et al., 2016).
Bild-Georeferenzierung
Oberflächenmodelle und Punktwolken können unter Verwendung eines lokalen Koordinatensystems ohne globale Referenzierung konstruiert werden. Um Bilddaten global zu referenzieren, muss eine Transformation des lokalen Koordinatensystems in ein globales Koordinatensystem (Georeferenzierung) angewendet werden. Standortinformationen im MiteSens-Projekt können entweder über eine hochgenaue Navigationszustandsschätzung verfügbar sein, die von der Flugsteuerung (Navigation) bereitgestellt wird, oder über die Verwendung von eingemessenen Bodenkontrollpunkten (Markern).
Bei zuverlässigen und genauen Positions- und Orientierungsdaten kann ein Datum für das Objektkoordinatensystem durch direkte Messung ohne Verwendung von Referenzpunkten definiert werden, was als direkte Georeferenzierung bezeichnet wird. Alternativ soll ein integrierter Georeferenzierungsansatz verwendet werden, bei dem Sensordaten mit Referenzpunkten kombiniert werden, beispielsweise über optische Markierungen.
Die Ausgabe einer Georeferenzierung ist ein Transformationsdatensatz, der die Konvertierung von Punktwolken und 3D-Modellen von lokalen in globale Koordinaten ermöglicht. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Transformationen, die am Georeferenzierungsverfahren beteiligt sind.
Abb. 3: Konzept zur Georeferenzierung von Bildpunkten
Referenzen
Carlevaris-Bianco, N., Ushani, A. K., & Eustice, R. M. (2016, August). University of Michigan North Campuslong-term vision and lidar dataset.The International Journal of Robotics Research,35(9), 1023–1035. doi:10.1177/0278364915614638
