Pfennigbauer, Martin

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Article, Published VersionPfennigbauer, MartinBathymetrischer Tiefenmesser zur UAV-gestütztenErzeugung von GewässerprofilenHydrographische NachrichtenVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/107869Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Pfennigbauer, Martin (2018): Bathymetrischer Tiefenmesser zur UAV-gestützten Erzeugungvon Gewässerprofilen. In: Hydrographische Nachrichten 109. Rostock: DeutscheHydrographische Gesellschaft e.V.. S. 12-15. https://doi.org/10.23784/HN109-02.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.12 Hydrographische NachrichtenLaserbathymetrieeines nicht abgelenkten, sichtbaren grünen Lasers zu ermöglichen, der aus geringer Höhe betrie-ben wird. Drittens wurde eine Aufzeichnung der Echowellenform für den gesamten Messbereich implementiert, was eine Mittelwertbildung vor der Anwendung einer Entscheiderschwelle (pre-detection averaging) in der Nachverarbeitung der Daten erlaubt und somit eine Leistungssteigerung ermöglicht, die die moderate Laserleistung und Empfängerapertur ausgleicht. Diese drei Maßnah-men führen zu einem Leistungsumfang, der mit der Klasse der sogenannten topobathymetrischen Laserscanner vergleichbar ist. Abhängig vom Bo-denreflexionsgrad und der gewählten Wellenform wird eine mittlere Eindringtiefe deutlich über einer Secchi-Tiefe erreicht. 2 Messgerät2.1 Bathymetrischer   LaserentfernungsmesserDer RIEGL BDF-1 ist ein Laserentfernungsmes-ser, der speziell für die Profilgenerierung bei bathymetrischen Vermessungsaufgaben entwi-ckelt wurde (Riegl 2017a). Das Gerät ist kompakt und leicht genug, um von einem UAV aus betrie-ben werden zu können. Das Instrument besteht aus einem Laserentfernungsmesser mit Neigungs-kompensator, einer IMU (Inertial Measurement Unit) und GNSS (Global Navigation Satellite Sys-tem) und kann mit bis zu zwei externen Digitalka-meras ausgestattet werden.Das Gerät sendet Laserpulse mit einer Wellen-länge von 532 nm bei einer Pulswiederholrate von 4 kHz aus. Der BDF-1 ist für den Betrieb aus nied-rigen Höhen bei moderaten Fluggeschwindigkei-ten konzipiert, wie sie bei Vermessungseinsätzen mit UAV oder RPAS (Remotely Piloted Aircraft Sys-tem) vorkommen. Der Abstand der Messungen 1 EinleitungDie fluggestützte Laserbathymetrie ist ein sehr an-spruchsvolles Gebiet innerhalb des Laserscanning. In den letzten Jahren hat sich eine deutliche Ver-schiebung von großen Instrumenten, die auf maxi-male Tiefenleistung abzielen, hin zu kompakteren Lösungen vollzogen, die ihre begrenzte Eindring-tiefe durch deutlich höhere räumliche Auflösung und Flexibilität kompensieren. Dies ermöglicht auch den Betrieb von kleineren Flugzeugen aus. Der Einsatz auf unbemannten Flugzeugen ist der nächste wichtige Schritt und wurde bereits er-folgreich demonstriert (z. B. Pfennigbauer 2013; McLean 2015). Im Jahr 2015 präsentierte RIEGL eine neuartige Lösung für die hydrographische Vermes-sung mit einem sUAV (small UAV), den RIEGL  BDF-1. Um den Anforderungen an geringes Gewicht und Volumen gerecht zu werden, wurden spezifische Konstruktionselemente eingesetzt. Zum einen beschränkt sich die Ablenkung des Laserstrahls auf eine aktive Neigungskompensation, die zu einem mehr oder weniger konstanten Einfalls-winkel des Laserstrahls auf die Wasseroberfläche führt. Zweitens wurde ein innovatives optisches Design gewählt, um einen augensicheren Betrieb Ein Beitrag von MARTIN PFENNIGBAUERDer Laserentfernungsmesser RIEGL BDF-1 wurde speziell für bathymetrische Vermes-sungsaufgaben entwickelt. Von einem UAV aus betrieben, ist das kompakte und leichte Gerät dafür geeignet, Wasseroberfläche und Boden für die Erstellung von Gewässer-profilen zu erfassen. Der Sensor besteht aus einem Laserentfernungsmesser, einer Nei-gungskompensation, einer IMU/GNSS-Einheit mit Antenne, einer Steuereinheit und er unterstützt die Ansteuerung externer Kameras. Der Laserentfernungsmesser sendet Laserpulse mit einer Pulswiederholrate von 4 kHz aus. Das Echosignal für jeden Laser-puls wird digitalisiert und aufgezeichnet. Nach der Datenerfassung werden die Wellen-formen von einem Al-gorithmus verarbeitet, der auch automatisch Wasseroberfläche, Was-sersäule und Bodenzie-le klassifiziert. Das Gerät liefert auch bei gerin-gen Wassertiefen zuver-lässige Messergebnisse mit hoher Genauigkeit.Bathymetrischer Tiefenmesser zur UAV-gestützten Erzeugung von GewässerprofilenLaserbathymetrie | Laserentfernungsmesser | BDF-1 | RiCOPTER | BathyCopter | WellenformverarbeitungAutorDr. Martin Pfennigbauer ist Produktmanager bei der RIEGL Laser Measurement Systems GmbH in Horn, Österreich. mpfennigbauer@riegl.comDOI: 10.23784/HN109-02Spezifikationen des RIEGL BDF-1Laserklasse Klasse 2M nach IEC 60825-1:2014Betriebsflughöhe 10 bis 40 m über dem WasserspiegelMessrichtung abwärts gerichtet, 15° vom Nadir entferntAktive Neigungskompensation 24°-BereichErreichbare Secchi-Tiefe vs. Messrate in 15 m Flughöhe über der Wasseroberfläche für hohen Reflexionsgrad des Bodens> 1,0 @ 4000 Messwerte/Sekunde (Einzelimpuls)> 1,2 @ 400 Messwerte/Sekunde (10 Impulse gemittelt)> 1,5 @ 40 Messwerte/Sekunde (100 Impulse gemittelt)Kamera(s) Sony Alpha 6000IMU/GNSS-Einheit Applanix APX-15 UAVBetriebstemperatur +10 °C bis +40 °CHN 109 — 02/2018 13LaserbathymetrieOnline-Wellenformverarbeitung ausgewertet. Die gesamten digitalisierten Echosignale für alle Messungen werden für die gesamte Reichweite von 50  m ohne Anwendung einer Schwelle ge-speichert. Das bedeutet, dass die Mittelung der Wellenformen vor der Detektion in der Nachbe-arbeitung durchgeführt werden kann, was die Tie-fenleistung erhöht.2.2 UAV-PlattformDas für die in diesem Beitrag vorgestellten Experi-mente eingesetzte UAV ist der RIEGL RiCOPTER, ein batteriebetriebener Octocopter mit einer maxima-len Startmasse (MTOM) von 25 kg und einer Flug-dauer von bis zu 30 Minuten bei voller Nutzlast. Es verfügt über eine redundante Flugsteuerung mit separaten, von der Sensor-Nutzlast unabhängigen Sensoren zur Positions- und Lageregelung. Die Sensor-Nutzlast beträgt bis zu 6 kg. Der BDF-1 und der RiCOPTER mit der Nutzlast des BDF-1-Sensors im Betrieb sind in Abb. 2 dargestellt.2.3 Lasermessgerät für   ergänzende 3D-DatenFür die in diesem Beitrag vorgestellten Experi-mente werden die bathymetrischen Profile durch einen konventionellen topographischen Laser-scanning-Datensatz ergänzt, der ebenfalls von der-selben UAV-Plattform stammt. Dazu wird unmittel-bar vor oder nach den Flügen mit dem BDF-1 ein RIEGL VUX-1UAV (vgl. Abb.  2), ein hochmoderner UAV-Laserscanner für Vermessungsaufgaben (Riegl 2017c), mit demselben RiCOPTER geflogen. Dies lie-fert 3D-Referenzdaten des den Wasserkörper um-gebenden Gebietes, was für die Interpretation und Verortung der BDF-1-Profile sehr wertvoll ist.am Boden liegt im Bereich zwischen 1  cm und 10  cm, abhängig von der Fluggeschwindigkeit und der Mittelungsrate. Die wichtigsten Spezifika-tionen sind in der Tabelle aufgeführt (Riegl 2017b).Durch ein innovatives optisches Design kann das Gerät als Laserprodukt der Klasse 2M eingestuft werden. Anders als bei herkömmlichen koaxialen Ausführungen, bei denen sich der Sender in der Mitte des Empfängers befindet, ist der Sendestrahl des BDF-1 ein Ring, der die Empfängeröffnung umschließt. Der Strahl wird auf eine Spotgröße von 3 cm in ca. 20 m Entfernung fokussiert. Dies führt zu einem optimierten Kompromiss zwischen der Begrenzung der Leistungsdichte, um ein gewis-ses Maß an Augensicherheit bei gleichzeitig guter räumlicher Auflösung zu gewährleisten.Das Messprinzip des BDF-1 bei Betrieb mit ei-nem UAV ist in Abb.  1 dargestellt: Das UAV führt eine mäandernde Flugbahn über einem Binnen-gewässer (Fluss, Kanal oder See) oder einer Küs-tenregion durch, während der BDF-1 abwärts misst. Auf diese Weise werden Profile der Wasser-oberfläche, des Bodens sowie der umgebenden Landschaft erzeugt. Die Mehrzielfähigkeit des Ent-fernungsmessers wird nicht nur zur Trennung der Wasseroberfläche vom Boden, sondern auch zur Durchdringung der Vegetation genutzt.Das IMU/GNSS-Subsystem speist den Neigungs-winkel der Plattform in Echtzeit in die Steuerung der Neigungskompensation ein, um einen kon-stanten Winkel relativ zum Nadir in Richtung der Instrumentenachse (in der Regel die Flugrichtung) aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht eine geringe Variation des durch den Mechanismus definierten Einfallswinkels des Laserstrahls auf die Wasser-oberfläche und vermeidet somit spiegelnde Re-flexionen von der Wasseroberfläche. Starke Echo-signale von der Wasseroberfläche würden den Empfänger ansonsten sättigen und die Empfind-lichkeit gegenüber schwachen Signalen vom Ge-wässerboden verringern.Die Messdaten des Laserentfernungsmessers und des IMU/GNSS werden auf einer SD-Karte ge-speichert, die nach dem Flug entnommen werden kann, um die Daten zu übertragen. Jedes 100. Echosignal wird in einen Kanal mit reduzierter Empfindlichkeit eingespeist und sofort über eine Abb. 1: Messprinzip des BDF-1Abb. 2: RIEGL BFD-1 (links), RiCOPTER mit BDF-1 im Flug (Mitte), RIEGL VUX-1UAV (rechts)LiteraturGuenther, Gary C. (1985): Airborne laser hydrography, system design and per-formance factors; NOAA professional paper series, National Oceanic and Atmospheric Administration, 385 S.McLean, John W. (2015): Bathymetric Mapping from a Small UAV; Sea Technology, August 2015Pfennigbauer, Martin (2013): Laser scanner systems for hydrographic surveying – above and below water surface; Workshop bei der Ocean Business, Southampton, 9. bis 11. April 2013Phillips, D. M.; B. W. Koerber (1984): A theoretical study of an airborne laser technique for determining sea water turbidity; Australian Journal of Physics, Nr. 37, S. 75-90 Riegl (2017a): RIEGL BDF-1, Data Sheet; RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, 3. August 2017 Riegl (2017b): BathyCopter, Preliminary Info Sheet; RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, 8. September 2017Riegl (2017c): RIEGL VUX-1UAV, Data Sheet; RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, 1. September 2017Wagner, Wolfgang; Andreas Ullrich, Vesna Ducic, Thomas Melzer, Nick Studnicka (2006): Gaussian decomposition and calibration of a novel small-footprint full-waveform digitising airborne laser scanner; ISPRS Journal of Photogram-metry and Remote Sensing, Vol. 60, Nr. 2, S. 100-11214 Hydrographische Nachrichten3 WellenformverarbeitungEin Laserstrahl, der aus einer Folge von Pulsen besteht, wird von einer luftgetragenen Plattform ausgesendet und auf den Boden gerichtet, wo er schließlich gestreut wird. Teile der rückgestreuten Pulse werden vom Empfänger des Instruments erfasst und in elektrische Signale umgewandelt, welche digitalisiert werden. Die Zeit, in der ein ein-zelner Impuls von der Plattform zu den Zielen und zurück zum Instrument wandert, ist aufgrund der bekannten Lichtgeschwindigkeit ein Maß für die Entfernung. Bei der Messung von Profilen von Gewässern sind die Echosignale vom Boden typischer-weise sehr schwach und haben ein kleines Sig-nal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), das je nach De-tektorausführung eine hohe Wahrscheinlichkeit für falsche Zielerfassungen oder eine geringe Erkennungswahrscheinlichkeit zur Folge hat. Die Detektion und die weitere Zielabschätzung kön-nen durch Aufsummierung der empfangenen Sig-nale vor der Detektion deutlich verbessert werden. Dies setzt die Fähigkeit des Messsystems voraus, digitalisierte empfangene Wellenformen zu spei-chern. Der Schlüssel zu dieser Methode ist, dass die Standardabweichung der Abtastwerte infolge Rauschen proportional zu der Anzahl der gemes-senen und gemittelten Wellenformen reduziert wird (Abb. 3). Voraussetzung für diesen Prozess ist, dass sich die Zielsituation während der Erfassung der konstituierenden Wellenformen nicht wesent-lich verändert.Die empfangene Wellenform kann mathema-tisch durch die Faltung des verteilten Rückstreu-querschnitts (distributed backscatter cross section, dBCS) des Ziels mit der Systemwellenform (Wag-ner et al. 2006) dargestellt werden. Der Rückstreu-querschnitt wird als Summe einer Kombination aus drei verschiedenen Komponenten, die jeweils unterschiedliche physikalische Zielmodelle reprä-sentieren, modelliert. Das dBCS einer homogen streuenden Wassersäule zeigt ein exponentielles Abklingverhalten (Guenther 1985; Phillips u. Koer-ber 1984). Eine rechteckförmige Funktion, die ein Ziel mit konstantem dBCS über einen bestimmten Bereich darstellt, gibt z. B. die Eigenschaften einer geneigten Fläche wieder, die aufgrund des Durch-messers des Laser-Footprints über eine Reihe von Entfernungen hinweg verschmiert erscheint, ins-besondere bei der Anwendung der Mittelwert-bildung von Wellenformen. Eine Dirac-förmige Funktion wird verwendet, um Ziele ohne Ent-fernungsausbreitung zu beschreiben, z. B. kleine punktförmige Ziele oder ebene Flächen senkrecht zum Laserstrahl. Das Modell des gesamten dBCS ergibt sich schließlich aus einer Kombination die-ser drei Modelle.Ein Beispiel für eine typische empfangene Wel-lenform ist in Abb. 4 dargestellt. Die Zielsituation wird durch einen schmalen Echobeitrag von der Wasseroberfläche, einen exponentiellen Zerfall von der Wassersäule und ein schmales Echo vom LaserbathymetrieAbb. 4:  Beispiel für eine gemittelte Wellenform (rot), geschätztes Modell für den dBCS der Wasseroberfläche, des Bodens und der Wassersäule (blau), sowie die rekonstruierte Echowellenform. Der wichtige Unterschied in der Entfernung zum Maximum der Echowellenform (rM) und der geschätzten Entfernung zur Wasseroberfläche (rW) ist ebenfalls dargestelltAbb. 3:  Roh-Abtastwerte von 100 aufeinanderfolgenden empfangenen Echosignalen (rot) sowie das gemittelte Signal (blau)Abb. 5: Der auf einen RiCOPTER montierte RIEGL BDF-1 (links) während der Aufnahme über einem gefluteten Steinbruch (rechts)HN 109 — 02/2018 15Laserbathymetriesicher erfasst werden. Der alternative klassische Ansatz, mit einem GNSS-Empfänger an einem Stab durch das Flussbett zu waten, birgt Risiken (siehe z. B. das Steilufer in Abb.  8) und liefert nur spärliche Profile. Die mit dem Infrarot-LiDAR RIEGL VUX-1UAV gewonnenen Daten ergänzen die Profi-le um wertvolle Informationen, indem sie Punkte auf der Wasseroberfläche sowie hochauflösende und genaue Informationen über Ufer und Vegeta-tion liefern. “Grund des Gewässers dargestellt. Oberflächen- und Bodenkomponenten werden als Dirac-Funk-tionen modelliert, die Wassersäule als exponen-tielles Segment. Das Modell des dBCS wird als durchgezogene blaue Linie dargestellt. Das durch Faltung des dBCS-Modells mit der Systemantwort abgeleitete Empfangssignal wird als durchgezoge-ne grüne Linie dargestellt, die gemittelten Abtast-werte der Echowellenform sind durch rote Punkte dargestellt.Bei der Zerlegung der Wellenform geht es dar-um, das optimale Modell für den dBCS des Ziels zu finden. Dieses Optimierungsproblem wird durch den Einsatz eines Levenberg-Marquardt-Algorith-mus gelöst.4 Experimentelle ErgebnisseExperimentelle Daten wurden an Flüssen, Tei-chen und in Küstengebieten sowohl in Europa als auch den USA erhoben. Die Wasserkörper wiesen Secchi-Tiefen von ca. 1  m bis 25  m auf. Bei allen Akquisitionen wurde der RIEGL BDF-1 mit einem RiCOPTER in 15 m bis 20 m Höhe über der Wasser-oberfläche betrieben (Abb. 5). Die Fluggeschwin-digkeiten lagen bei ca. 5 m/s. 3D-Daten der Umge-bung wurden jeweils mit dem RIEGL VUX-1 erfasst, der ebenfalls vom RiCOPTER aus betrieben wurde.Die während der Erfassung aufgezeichneten Daten werden in der RIEGL RiPROCESS-Software verarbeitet. Die Verarbeitungsschritte umfassen: Mittelwertbildung einer wählbaren Anzahl von Wellenformen, Wellenformanalyse, Klassifizierung der detektierten Ziele, Georeferenzierung der Daten entsprechend der vom im RIEGL BDF-1 in-tegrierten IMU/GNSS-Subsystem gelieferten Flug-bahn und Anwendung der Brechungskorrektur für Messungen unterhalb der Wasseroberfläche.Abschließend werden repräsentative Daten, die an verschiedenen Gewässern gewonnen wurden, vorgestellt. Die gewonnenen Daten über Flüsse in Niederösterreich und Oregon zeigen eine typische Anwendung des RIEGL BDF-1, wie in Abb.  6 und Abb.  7 dargestellt. Profile mit hoher räumlicher Dichte und hoher Genauigkeit können schnell und Abb. 6: Repräsentative Profile, gewonnen mit dem RIEGL BDF-1 gemeinsam mit 3D-Punktwolke, aufgenommen mit einem RIEGL VUX-1 LiDAR in einer Flusslandschaft in NiederösterreichAbb. 7: Daten von einem RIEGL BDF-1 (grün und cyan) in Kombination mit Daten von einem RIEGL VUX-1 (Graustufen) von einem Fluss in OregonAbb. 8: Detailliertes Profil mit steilen Uferböschungen

Bathymetrischer Tiefenmesser zur UAV-gestützten Erzeugung von Gewässerprofilen

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/107869/1/DOI_10.23784_HN109_02.pdf

Bathymetrischer Tiefenmesser zur UAV-gestützten Erzeugung von Gewässerprofilen

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