Infrastruktur aus der Luft erfassen

Die Veränderung der Infrastruktur durch das Bevölkerungswachstum, den zunehmenden Verkehr oder den Klimawandel macht eine verlässliche und effiziente Überprüfung zunehmend wichtiger. Oftmals ist eine Vermessung vom Boden aus nicht möglich, nicht schnell genug oder sehr aufwändig. Geometrische Messungen großer Gebiete werden daher bereits heute von Hubschraubern, Flugzeugen oder Satelliten aus durchgeführt. Die dadurch entstehenden Kosten sind erheblich. Mit neuen, leichtgewichtigen Mess­systemen, getragen von Unmanned Aerial Vehicles, könnten die Kosten für solche Infrastrukturmessungen in Zukunft deutlich gesenkt werden.

Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts entwickeln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik deshalb besonders leichte Laserscanner und Multi-Kamerasysteme, die auf kleine, unbemannte Luftfahrzeuge montiert werden können. Sie sollen dreidimensionale Daten großer, mitunter schwer zugänglicher Infrastrukturgebiete liefern. Damit das Messsystem von UAVs getragen werden kann, sollte es nicht mehr als zwei Kilogramm wiegen und nicht größer als ein Schuhkarton sein.

Aufbauend auf den Erfahrungen bei der Umsetzung mobiler Laserscanner für den Einsatz auf unterschiedlichen Plattformen, arbeitet das Team derzeit daran, das Gesamtkonzept so anzupassen, dass der Einsatz auf UAV einfach und flexibel möglich ist. Die Messeinheit ist unabhängig von der UAV-Plattform und kann daher problemlos für unterschiedliche Herstellerfabrikate an­ge­passt werden. Im Projekt wird ein UAV des Projektpartners Airrobot verwendet. Das kommerziell erhältliche UAV wird durch eine spezielle Montagevorrichtung, Positionierungs- und Orientierungssensoren und eine Datenverbindung zur Bodenstation erweitert.

Das Laser-Scanmodul misst die Entfernung zum Objekt 40.000 Mal pro Sekunde auf Basis von Lichtlaufzeitmessungen. Aus der Zeit, die der Licht­puls benötigt, um vom Messsystem zu einem Objekt und wieder zurück zu gelangen, lässt sich die Entfernung zum Objekt errechnen. Ein sich schnell drehender Polygonspiegel bewegt den Laserstrahl zwanzig Mal pro Sekunde über einen Winkelbereich von neunzig Grad und sorgt so dafür, dass der Strahl nur kurz auf einem Punkt verweilt. So wird die Augensicherheit des Laser-Scanners garantiert und eine hohe Rate an Messpunkten erreicht, aus denen sich ein präzises 3D-Modell der Oberfläche ergibt.

Der Arbeitsbereich des Laser-Scanners liegt bei etwa 250 Metern, die er­reich­bare relative Genauigkeit abhängig von den äußeren Bedingungen im Bereich weniger Zentimeter. Das kommerziell erhältliche Laser-Messmodul wurde im Hinblick auf die Anwendungen stark angepasst und mit ent­spre­chender Elek­tronik erweitert. Unter anderem wurde es mit einem Speicher-BUS aus­ge­rüstet. Dadurch wird eine Koppelung mit einem Multi-Kamerasystem zur schnellen und satellitenunabhängigen Positionierung und Orientierung möglich. Aus diesem Grund eignet sich das Gesamtsystem besonders für den Einsatz in abgelegenen Gebieten ohne Satelliten-Empfang. Durch die Befestigung an den kleinen Plattformen können nun erstmals Bereiche vermessen werden, in denen ein Vordringen mit vom Boden aus arbeitenden Messsystemen unmöglich wäre. Die Sicher­heits­über­wachung der Infra­struktur kann auf diesem Wege verbessert werden.

Am Ende einer entsprechenden Messung steht eine 3D-Punktwolke zur Verfügung. Die gewonnenen Daten werden an eine Datenbank übermittelt, gespeichert und analysiert. Eventuelle Unterschiede zwischen Ist- und Soll-Werten oder zwischen Messungen, welche zu unterschiedlichen Zeit­punkten erfasst wurden, können analysiert werden.

Fh.-IPM / RK