Was vom Boden aus unsichtbar bleibt: Drohnenvermessung in der Praxis

Ein historisches Rathaus in Baden-Württemberg: ein verwinkeltes Dach mit einem Turm von über 30 Metern Höhe und eine Fassade voller Details. Vom Boden aus erfasst der Laserscanner davon nur einen Teil, der Rest bleibt unsichtbar.

Solche Situationen sind in der Gebäudevermessung keine Seltenheit. Die bodengestützte Erfassung mit 3D-Laserscanner und Tachymeter stößt immer dann an ihre Grenzen, wenn man an die zu vermessenden Bereiche nicht oder nur mit großem Aufwand herankommt. Hierzu zählen Szenarien wie ein historisches Dach mit verwinkelter Geometrie, das vom Boden aus nicht einsehbar ist, oder ein 50 Hektar großes Baufeld, dessen Geländeveränderung wöchentlich dokumentiert werden muss. Auch unsichere Bereiche, wie ein gerutschter Hang nach einem Starkregenereignis, können mit einer Drohne sicher vermessen werden.

In solchen Fällen ist die Drohne ein passendes und oft ergänzend verwendetes Vermessungsinstrument. Allerdings hat die Vermessung per Drohne ein klar umrissenes Profil, dessen Stärken und Grenzen dieser Beitrag beleuchtet.

Was ist Drohnenvermessung?

Drohnenvermessung bezeichnet die Erfassung räumlicher Daten aus der Luft mit Hilfe von unbemannten Fluggeräten, in der Fachsprache auch UAV-Vermessung genannt (Unmanned Aerial Vehicle). Die Drohne dient in der Regel als luftgestützte Trägerplattform für die eigentlichen Vermessungssensoren. Grundlegend finden dabei zwei verschiedene Vermessungsverfahren Anwendung: Photogrammetrie und Laserscanning aus der Luft.

Die Photogrammetrie arbeitet mit einer hochauflösenden Kamera und zählt zu den passiven Messverfahren. Mit Hilfe der Photogrammetrie wird das Aufnahmegebiet aus vielen verschiedenen Perspektiven fotografisch erfasst, und aus den überlappenden Bildern kann die räumliche Geometrie mit modernen geodätischen Verfahren rechnergestützt rekonstruiert werden.

Das Laserscanning aus der Luft (UAV-LiDAR) misst hingegen aktiv mit Laserimpulsen und kann lockere Vegetation teilweise durchdringen. Die Hardware kostet allerdings ein Vielfaches einer Photogrammetrie-Drohne und rechnet sich nur in Spezialanwendungen, etwa bei Geländemodellen unter Wald.

Bei GeodatIQ arbeiten wir im Bereich der Drohnenvermessung mit photogrammetrischen Messverfahren. Hierfür setzen wir eine DJI Mavic 3 Enterprise und eine DJI Matrice 4E ein, beide bestückt mit einem RTK-Modul (Real-Time-Kinematik) für eine direkte, satellitenbasierte Georeferenzierung der Aufnahmen im amtlichen Koordinatensystem. Um dem geodätischen Kontrollprinzip nachzukommen, messen wir bei jedem Projekt unabhängige Bodenpasspunkte ein. Das sind am Boden exakt eingemessene Zielmarken, mit denen wir die Positionsbestimmung der Drohne kontrollieren und die Genauigkeit verbessern.

Wie funktioniert die Vermessung mit einer Drohne?

Für die Geländevermessung wird in der Regel eine automatisierte Befliegung durchgeführt. Dabei fliegt die Drohne eine vorab definierte Route, bei der Flughöhe, Kamerawinkel und Flugrichtung im Vorfeld an das Objekt und die Messaufgabe angepasst eingestellt werden.

Bei besonders komplexen Messaufgaben, wie der Erfassung von Fassaden, Innenbereichen oder komplexen Bauteilen wie Schornsteinen, erfolgt die Befliegung hingegen manuell mit der Fernsteuerung durch einen zertifizierten und erfahrenen Drohnenpiloten. Die Flugbewegungen und Kameraeinstellungen werden dabei in Echtzeit händisch gesteuert und laufend an das zu vermessende Objekt angepasst.

Während der Befliegung nimmt die Drohne in kurzer Sequenz Bilder auf, um eine hohe Überlappung von einem zum nächsten Bild zu gewährleisten. Jeder Punkt am Boden wird dabei auf mehreren Bildern aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfasst, um eine genaue Koordinatenberechnung zu ermöglichen.

In der anschließenden Auswertung erkennt die Software identische Bildpunkte auf den überlappenden Aufnahmen. Aus den verschiedenen Perspektiven, unter denen derselbe Punkt erfasst wurde, lässt sich seine räumliche Lage berechnen.

Vom Prinzip her funktioniert das ähnlich wie das räumliche Sehen mit zwei Augen, nur eben mit hunderten Augen, die über das Aufnahmegebiet verteilt sind. Diesen Rechenschritt nennt man Aerotriangulation oder Bündelblockausgleichung: Die Software stimmt alle Sichtstrahlen von den Kamerapositionen zu den Objektpunkten gemeinsam so aufeinander ab, dass die Widersprüche zwischen ihnen möglichst klein werden. Das Ergebnis ist ein in sich stimmiges räumliches Modell.

Damit dieses Modell auch mit kontrollierter Genauigkeit im richtigen Koordinatensystem sitzt, in Deutschland also im amtlichen Lage- und Höhenbezug ETRS89/UTM und DHHN2016, kommen zwei Informationsquellen zusammen: die RTK-Position der Drohne und die unabhängig eingemessenen Bodenpasspunkte. Erst durch die Kombination beider Quellen ist die Aufnahme nicht nur in sich stimmig, sondern auch lagerichtig in die übergeordnete Geodatenbasis eingebunden.

Für die Planung heißt das: Die Punktwolke liegt von Beginn an im selben Koordinatensystem wie Lagepläne, Katasterdaten und andere Vermessungen und lässt sich ohne Umrechnung mit ihnen kombinieren.

Wie genau ist die Vermessung per Drohne?

Dasselbe Portal, zwei Verfahren: Die Drohnen-Photogrammetrie löst Kanten und Ornamente spürbar weicher auf als der terrestrische 3D-Laserscan.

Realistisch erreichbare Genauigkeiten

In der Praxis von GeodatIQ liegen die erreichbaren durchschnittlichen Punktmessgenauigkeiten einer Drohnenvermessung vorsichtig geschätzt in der Regel bei 2 bis 4 Zentimetern in der Lage, während die Höhengenauigkeit schnell das Doppelte bis Dreifache annehmen kann. Für bestimmte Anwendungsfälle, wie Geländemessungen oder die ergänzende Erfassung von Dachgeometrien, ist das absolut ausreichend. Es sind aber keinesfalls Werte, die unter beliebigen Bedingungen automatisch herauskommen.

Die erreichbare Genauigkeit hängt von vielen Faktoren ab. Hierzu zählen insbesondere die Flughöhe, Bodenauflösung, Bildqualität, Bildüberlappung, Anzahl und Verteilung der Passpunkte und der photogrammetrische Auswerteprozess. Hinzu kommen die Eigenschaften des Aufnahmeobjekts selbst, denn nicht jede Oberfläche ist der Photogrammetrie wohlgesonnen.

Faustformel: Flughöhe und Bodenauflösung

Die wichtigste Stellschraube ist dabei die Bodenauflösung, im Fachjargon Ground Sampling Distance (GSD) genannt. Sie beschreibt die Fläche, die ein einzelnes Bildpixel am Objekt abbildet, und hängt unmittelbar von der Flughöhe ab, bei Fassaden vom Abstand zum Objekt.

Aus 80 Metern Höhe deckt ein Pixel also rund 2 Zentimeter ab, aus 40 Metern rund einen Zentimeter. In der Photogrammetrie hat sich zudem die Faustregel etabliert, dass die erreichbare Genauigkeit in der Lage etwa beim Ein- bis Zweifachen der Bodenauflösung liegt und in der Höhe beim Zwei- bis Dreifachen (siehe Quellen). Wer genauer messen will, muss also tiefer fliegen und nimmt dafür mehr Bilddaten und einen höheren Auswerteaufwand in Kauf. Nah an der Fassade gewinnt man dabei vor allem an Detail, denn die absolute Genauigkeit bleibt durch Georeferenzierung und Passpunkte begrenzt.

Was die Genauigkeit begrenzt

Dass die Höhengenauigkeit schlechter abschneidet als die der Lage, liegt an der Aufnahmegeometrie. Eine seitliche Verschiebung sieht die Kamera von oben unmittelbar, eine Höhenänderung muss die Software dagegen aus den geringen Unterschieden zwischen benachbarten Bildern ableiten.

Wie gut ein einzelner Punkt rekonstruiert wird, hängt schließlich von der Oberfläche selbst ab. Die Software braucht Merkmale, die sie auf mehreren Bildern wiedererkennt. Putz, Ziegel oder Naturstein bieten davon reichlich. Glas und Wasser spiegeln hingegen ihre Umgebung, glatte Bleche und einfarbige Flächen liefern kaum Anhaltspunkte, und gleichförmige Muster verleiten die Software zu Fehlzuordnungen.

Methodisch sind zwei Punkte kritisch. Der erste sind Verdeckungen. Was die Kamera nicht sieht, kann die Software nicht rekonstruieren. Bereiche unter dichter Vegetation, hinter Vorsprüngen oder in tiefen Innenhöfen bleiben in der Punktwolke lückenhaft und unsicher. Manchmal lassen sie sich durch zusätzliche Aufnahmewinkel reduzieren, manchmal nicht.

Der zweite kritische Punkt sind scharfe Konturen. Eine Dachkante, ein Mauerabschluss oder eine Attika wird in der photogrammetrischen Punktwolke immer etwas weicher abgebildet, als sie real ist. Für Geländemodelle ist das teilweise vernachlässigbar, wohingegen das Verfahren bei der Vermessung von komplexen Gebäuden schnell an seine Grenzen stößt. Hier bleibt das terrestrische Laserscanning in der Regel das überlegene Verfahren.

Vorsicht vor Marketingversprechen

Für die Genauigkeit der RTK-Module nennen Drohnenhersteller teils rund einen Zentimeter in der Lage und anderthalb Zentimeter in der Höhe. Das ist zum einen sehr optimistisch und beschreibt zum anderen nur die durchschnittliche Positionierungsgenauigkeit der Kamera im Moment der Aufnahme, nicht die erzielte Messgenauigkeit eines Punktes auf dem Dach. Besonders in der Höhe kann eine rein RTK-gestützte Auswertung systematische Fehler enthalten. Genau deshalb sollten bei jedem Projekt unabhängige Kontrollen erfolgen, beispielsweise durch eingemessene Passpunkte und bodengestützte Laserscans.

Daraus ergibt sich eine klare Einordnung. Drohnenvermessung ist kein universeller Ersatz für die terrestrische, bodengestützte Vermessung, sondern eine Methode mit klar begrenztem Profil. Stark ist sie, wo Zugang, Sicherheit oder die Wirtschaftlichkeit gegen die terrestrische Aufnahme sprechen. Allein eingesetzt stößt sie dort an ihre Grenzen, wo es auf jede Kante und jede Ecke ankommt.

Welche Anwendungsfelder gibt es?

Wirtschaftlich effiziente Topographieerfassung

Die Einsatzfelder reichen weit. Sie umfassen großflächige Gebiete, deren Veränderungen in kurzen Zeitintervallen dokumentiert werden sollen, Volumenberechnungen in Tagebau und Steinbruch, Bestandsaufnahmen für Trassen- und Infrastrukturplanung sowie Spezialanwendungen in Landwirtschaft oder Forst. In all diesen Fällen, in denen die Vorgabe nach hoher Wirtschaftlichkeit meist die Genauigkeitsanforderungen überwiegt, wird die Drohne als eigenständiges Werkzeug eingesetzt, um große Flächen schnell und effizient aus der Luft zu erfassen.

Schwer zugängliche Bereiche in der Gebäudevermessung

Bei GeodatIQ liegt der Schwerpunkt anders. Hier ist die Drohne meist nicht das Hauptverfahren, sondern eine sinnvolle Ergänzung zur Gebäudevermessung mit 3D-Laserscanning und Tachymeter. Erfasst wird ein Bauwerk in aller Regel zuerst vom Boden aus, mit statischen Laserscannern in hoher Auflösung. Das Verfahren liefert dichte, hoch aufgelöste Punktwolken aller einsehbaren Flächen.

Aber was über eine bestimmte Höhe hinausgeht und nicht sicher von einem benachbarten Gebäude oder einer Bühne aus erfasst werden kann, bleibt unvollständig. Das betrifft vor allem Dachflächen und Dachaufbauten, hochgelegene Fassadenbereiche, Schornsteine und Türme. Wer hier nur vom Boden aufnimmt, hat am Ende ein Modell mit weißen Flecken.

Diese Lücken schließen wir mit Hilfe unserer Vermessungsdrohnen. Mit diesen fliegen wir unzugängliche Objektbereiche aus der Luft ab und erfassen Dachlandschaft und hochgelegene Fassadenelemente und Aufbauten in hoher Bildauflösung.

Die Bilddaten werden mit einer speziellen Software mit den zuvor erfassten terrestrischen Scans co-registriert, also passgenau zu einem gemeinsamen Datensatz zusammengeführt. So verbindet sich die Genauigkeit des terrestrischen Laserscannings mit der Flexibilität der Drohne. Architekt:innen, Planer:innen und Bauherren erhalten damit Informationen über Bereiche, die mit terrestrischen Aufnahmen allein nicht oder nur unter erheblichem Aufwand erfassbar wären.

Konkret kommt dieses Vorgehen bei Bestandsaufnahmen denkmalgeschützter Gebäude zum Einsatz, bei Schulen und Verwaltungsgebäuden, bei Kliniken, Industrie- und Produktionsbauten, bei Sakralbauten mit Türmen sowie bei Infrastrukturbauwerken.

Aus der kombinierten Punktwolke entstehen je nach Auftrag 2D-Bestandspläne inklusive Dachaufsicht, 3D-Gebäudemodelle oder BIM-fähige Bestandsmodelle für die weitere Planung in der Softwareumgebung unserer Kunden.

Praxisbeispiel: Historisches Rathaus

Zurück zum Rathaus vom Anfang. Die Dachlandschaft mit Turm ist komplex verwinkelt und nur mit großem Aufwand zugänglich, vom Boden aus bleibt ein Teil davon unsichtbar. Grundlage der Bestandsaufnahme war deshalb ein statischer Laserscan, den wir um eine Drohnenbefliegung ergänzt haben. Die Drohne hat das Dach vollständig erfasst und darüber hinaus den über 30 Meter hohen Turm und die detailreiche Fassade unterstützend aufgenommen.

Aus beiden Datenquellen entstand eine gemeinsame Punktwolke, die das Gebäude detailliert abbildet und eine belastbare Datengrundlage für die denkmalgerechte Sanierung bildet. Darauf baut ein HBIM-Modell auf (Historic Building Information Modeling), also ein digitales Gebäudemodell, das auf die Anforderungen denkmalgeschützter Bauten zugeschnitten ist.

Was sind die Ergebnisse einer Drohnenvermessung?

Aus den Rohaufnahmen leiten sich je nach Projektziel verschiedene Datenprodukte ab, die einzeln oder in Kombination geliefert werden.

3D-Punktwolke

Das räumliche Abbild des erfassten Objektbereichs in Form einer dichten Wolke aus 3D-Koordinaten der Objektpunkte. Die Punktwolke ist die Grundlage, aus der sich weitere Produkte ableiten lassen.

3D-Mesh mit Textur

Eine geschlossene Oberfläche, die Gelände oder Bauwerk fotorealistisch abbildet. Gut geeignet für Visualisierungen und für die Kommunikation gegenüber Projektbeteiligten, die mit einer reinen Punktwolke wenig anfangen können.

Digitales Orthofoto (DOP)

Ein maßstabsgetreues Luftbild, aus dem die perspektivischen Verzerrungen herausgerechnet sind. Direkt verwendbar als längengetreue Planungsgrundlage im CAD oder GIS.

Digitales Geländemodell (DGM)

Die Geländeoberfläche bereinigt um Bewuchs und Bebauung. Grundlage für Höhenpläne, Volumenberechnungen, Hydraulik- und Sichtbarkeitsanalysen. Oft in Kombination mit bodengestützten Verfahren zur Genauigkeitsoptimierung eingesetzt.

Das Endergebnis: CAD-Bestandspläne und 3D-Gebäudemodelle

Im Gebäudekontext sind die vier genannten Datenprodukte allerdings selten das eigentliche Endergebnis. Die Drohnen-Punktwolke wird mit der terrestrischen Punktwolke fusioniert, und aus dem gemeinsamen Datensatz entstehen anschließend Bestandspläne, 3D-Modelle und BIM-fähige Bestandsmodelle, die das Bauwerk vollständig abbilden, vom Gelände bis zum Schornstein.

Welche dieser Auswertungen tatsächlich gebraucht werden, hängt vom Projektziel, den Beteiligten und ihrer Arbeitsweise ab und sollte daher noch vor dem Start eines Bestandsprojekts ausgiebig erörtert werden.

Was ist vor einer Befliegung zu klären?

Eine Drohnenbefliegung ist schnell durchgeführt, braucht jedoch gewissenhafte Planung, Kenntnisse im Bereich des rechtmäßigen Einsatzes und genügend zeitlichen Vorlauf.

Den rechtlichen Rahmen setzt insbesondere die EU-Drohnenverordnung, ergänzt durch die deutsche Luftverkehrs-Ordnung. Ob und gegebenenfalls unter welchen Bedingungen und mit welchen Vorbereitungen ein Bereich mit einer Drohne vermessen werden darf, lässt sich vorab auf der Karte der Digitalen Plattform Unbemannte Luftfahrt (DIPUL, siehe Quellen) prüfen.

Hinzu kommen praktische Fragen. Wind und Regen verhindern einen Flug, während gleichmäßiges Licht bei leichter Bewölkung für die Photogrammetrie sogar günstiger ist als pralle Sonne mit harten Schatten. Ein etwas flexibler Termin zahlt sich deshalb aus.

Und nicht zuletzt sollte vor der Befliegung feststehen, welche Pläne, Modelle und Dateiformate am Ende gebraucht werden, denn davon hängen Flughöhe und Aufnahmekonzept unmittelbar ab.

Fazit

Drohnenvermessung ist kein Allheilmittel und ersetzt die terrestrische Vermessung nicht per se. Stark ist die Vermessung mittels Drohne dort, wo Zugang, Sicherheit oder Projektziele sie zur Methode der Wahl werden lassen.

Die besondere Stärke in der Gebäudevermessung zeigt die Drohnenvermessung in Verbindung mit bodengestützten Messverfahren mit hoher Genauigkeit.

Bei GeodatIQ setzen wir diese Kombination deshalb immer häufiger ein: Ein Gebäude wird vom Boden aus mit hochauflösenden statischen Laserscans erfasst, und die unerreichbaren Bereiche werden aus der Luft ergänzt. Aus zwei Datenquellen entsteht eine belastbare Datengrundlage, die mit einer der beiden Methoden allein nicht zu bekommen wäre. Genau deshalb gehört die Drohne bei uns ins Standardrepertoire der digitalen Bestandsvermessung.

Fragen und Antworten zur Drohnenvermessung

Quellen