Die D2000 ist mit dem Neigekameramodul D-OP4000 ausgestattet, um den Aufbau einer intelligenten Stadt in der Innenstadt von Shanghai zu unterstützen.

Mit der kontinuierlichen Transformation und Weiterentwicklung der „digitalen Stadt“ Chinas zur „intelligenten Stadt“ stoßen GIS-Anwendungen auf Basis zweidimensionaler Vektordaten zunehmend an ihre Grenzen, um den Anforderungen eines intelligenten Stadtmanagements gerecht zu werden. Die urbane 3D-Plattform, die im Rahmen des 14. Fünfjahresplans als wichtige Aufgabe der nationalen Grundlagenvermessung und Kartierung galt, kann die dreidimensionale Basis für das umfassende Management natürlicher Ressourcen und das Smart-City-Management bilden und grundlegende Daten und Informationen für Stadtplanung, Verwaltung, Brandschutz, Katastrophenschutz, Umweltüberwachung usw. bereitstellen. Daher ist die schnelle und präzise Erfassung von 3D-Daten im geografischen Raum zu einer wichtigen Voraussetzung für den dreidimensionalen Aufbau Chinas geworden. Die UAV-Schrägfotogrammetrie hat sich aufgrund ihrer effizienten und flexiblen Datenerfassungsmöglichkeiten als wichtige Methode zur Gewinnung von Schrägbilddaten etabliert.

Im Vergleich zu professionellen Luftbildkameras zeichnet sie sich jedoch durch ein geringeres Gewicht und eine kürzere Brennweite aus. Die Gewinnung hochauflösender Schrägaufnahmen mit UAVs in zentralen Stadtgebieten mit zahlreichen Hochhäusern und großen Höhenunterschieden stellt eine technische Herausforderung in der urbanen UAV-Schrägphotogrammetrie dar. Diese Studie untersucht mithilfe des Quadrocopters Pegasus D2000, ausgestattet mit einem Teleobjektiv D-OP4000 (Brennweite: 40 mm für die Draufsicht, 56 mm für die Seitenansicht), die Datenerfassung und die 3D-Darstellung realer Szenen mittels UAV-Schrägphotogrammetrie im zentralen Stadtgebiet einer Megacity-Modellanwendung.

Studienbereich

Das Untersuchungsgebiet befindet sich am Nordufer des Huangpu-Flusses in Shanghai, angrenzend an die Nanjing Road. Dort steht das bekannte Museum für Internationale Architektur. Die übrigen Gebäude mit einer Höhe von über 100 Metern sind relativ klein, weshalb hochauflösende Schrägaufnahmen mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) erforderlich sind, was sich als sehr schwierig erweist.

Fotos von Hochhäusern im Untersuchungsgebiet

Die technische Vorgehensweise ist in Abbildung 3 dargestellt. Anhand der DSM-Daten zu den Gebäudehöhen im Bereich des Nordbundes in Shanghai wird das digitale Höhenmodell PHOTOMOD verwendet, um das DSM manuell zu bearbeiten. Für einige Gebäude mit einer Höhe von 320 Metern und 260 Metern werden Höhenanpassungsflüge durchgeführt.

Künstliches Gelände

Das digitale Oberflächenmodell des Untersuchungsgebiets ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Gebäudehöhen variieren zwischen 3 und 320 Metern, wobei das höchste Gebäude, das Magnolia Building, 320 Meter hoch ist. Bearbeiten Sie das DSM-Modell mithilfe des PHOTOMOD DEM-Bearbeitungsmoduls manuell, indem Sie es auf das Magnolia Building zentrieren (100 Meter erweitern) und die Höhen des gestuften Geländes auf 80 Meter (rot), 50 Meter (hellgelb), 30 Meter (gelb) und 10 Meter (grün) anpassen.

Routenplanung

Gemäß dem künstlich simulierten Gelände wird der Höhenflug durchgeführt. Die geplante Flughöhe beträgt 319 Meter, die maximale Flughöhe über Magnolia Plaza 400 Meter. Die Kursüberlappung beträgt 80 %, die seitliche Überlappung 70 %.

Anordnung und Messung von Bildkontrollpunkten

Da sich das Untersuchungsgebiet im zentralen Stadtgebiet befindet, werden in diesem Projekt Bodenkontrollpunkte und Kontrollpunkte im Abstand von 200-300 Metern angeordnet. Dabei werden vorhandene Zebrastreifen, Treppenabsätze usw. als Bildkontrollpunkte genutzt. Die Koordinaten der Bildkontrollpunkte werden mithilfe der RTK-Messmethode im CORS-Netzwerk-Mobilstationsmodus gemessen. Insgesamt werden 50 Bildkontrollpunkte und Kontrollpunkte eingerichtet.

Karte der Bodenkontrollpunkte und ihrer Verteilung

Drohnenflug

Da sich das Untersuchungsgebiet im Stadtzentrum von Shanghai befindet, sind die elektromagnetischen Störungen relativ hoch. Um die Kommunikation zwischen Drohne und Bodenstation aufrechtzuerhalten, wurde der Hubschrauberlandeplatz auf dem Dach des 260 Meter hohen Raffles Building als Startpunkt gewählt. Der Start vom Dach bietet zwei Vorteile: (1) Die effektive Kommunikationsreichweite zwischen der Drohne und der Bodenstation im Stadtzentrum beträgt etwa 1 km. Auf dem Dach des Raffles City Towers ist jedoch eine stabile Verbindung gewährleistet, was die Bewältigung besonderer Situationen erleichtert und die Flugsicherheit erhöht. (2) Da die D-OP4000 schwerer ist als die Orthofoto- und die D-OP3000-Drohne, minimiert der Flug vom Dach eines 260 Meter hohen Gebäudes den Energieverbrauch der Drohne während des Steigflugs und verbessert die Leistung der Neigungsfotografie. Die Flugzeit des Hubschraubers betrug ca. 5,46 Quadratkilometer. Insgesamt wurden vier Flüge durchgeführt. Fotos der Feldarbeiten sind beigefügt.

UAV-Flugbetrieb

Blick auf die Skyline des nördlichen Bund in Shanghai

Die Seitenansichten des Nordbundes wurden entlang der Mittellinie des Huangpu-Flusses aufgenommen und anschließend zu einer Landschaftskarte der Bund-Skyline in Shanghai zusammengefügt (siehe Abbildung 9). Durch die Erstellung dieser Skyline-Landschaftskarte wird die schöne Landschaft des Wanguo-Architekturmuseums am Nordufer des Huangpu-Flusses in Shanghai optimal dargestellt. Sie liefert hervorragendes Material für die Stadtplanung sowie den Schutz und die Präsentation historischer Gebäude in Shanghai.

Restaurierung und Erhaltung historischer Gebäude

Der Bund gilt als das Museum internationaler Architektur in Shanghai, daher ist sein Schutz und seine Instandsetzung ein wichtiger Aspekt der Stadtentwicklung Shanghais. Nehmen wir das Shanghai Building (ehemals Broadway Mansions), das 1934 von dem berühmten britischen Architekten Français entworfen wurde, als Beispiel. Mithilfe von UAV-Luftbildphotogrammetrie lassen sich beispielsweise die Fassade und die Abmessungen des Shanghai Buildings präzise erfassen. Auf Basis des realen 3D-Modells können wir so die Auswirkungen von Instandsetzungsmaßnahmen visualisieren und einen Plan für Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen erstellen.

Diese Forschungsarbeit wurde im Zentrum von Shanghai durchgeführt, einer Stadt mit vielen Hochhäusern und komplexen elektromagnetischen Feldern. Sie ist repräsentativ für die Anwendung von Smart Cities und Schrägfotogrammetrie in ganz China. Die Studie nutzte ein innovatives Verfahren zur Simulation von Geländeveränderungen durch Hochflüge und kombinierte es mit den Leistungseigenschaften des Teleobjektivs D-OP4000 (40 mm) mit Vollformatsensor. Dadurch wurde das Problem der Mehrfachflüge im zentralen Stadtgebiet gelöst, was nicht nur die Effizienz der Schrägfotogrammetrie verbesserte, sondern auch die Qualität der Datenerfassung sicherstellte. Die wichtigsten Ergebnisse sind:

(1) Künstlich simulierter Geländeflug: Die Höhe städtischer Gebäude wird künstlich optimiert und in das Gelände simuliert. In Kombination mit der Planung und dem Design der höhenveränderlichen Flugroute des UAV-Beobachters löst dies das Problem der inkonsistenten Flugauflösung bei der UAV-Stadtmodellierung und der Tatsache, dass ein Untersuchungsgebiet je nach Geschosshöhe mehrmals überflogen werden muss. Dies verbessert nicht nur die Effizienz der Datenerfassung, sondern gewährleistet auch die Datenqualität.

(2) Teleobjektiv-Start vom Dach: Aufgrund der hohen Stockwerke im Stadtzentrum ist es schwierig, mit Kameras mit normaler Brennweite hochauflösende Bilder aufzunehmen. Beispielsweise ist das höchste Gebäude im Untersuchungsgebiet 320 Meter hoch. Für hochauflösende Bilder beträgt die Flughöhe etwa 191 Meter. In der Nähe von Gebäuden mit Höhen von 260 und 320 Metern können Fluggefahren auftreten, weshalb im Flugplan unterschiedliche Flughöhen entsprechend angepasst werden müssen. Dies ist ein häufiges Problem. In dieser Studie konnte jedoch eine Kamera mit langer Brennweite (40 mm) verwendet werden, um Daten mit derselben Auflösung (3 cm) aus einer größeren Flughöhe (319 m) zu erfassen. Gleichzeitig wurde der Startpunkt auf dem Dach eines 260 Meter hohen Gebäudes gewählt. Dies löst nicht nur das Problem starker elektromagnetischer Störungen beim UAV-Flug in der Stadt, sondern verbessert auch die Effizienz des UAV-Akkus und verkürzt die Steigzeit.

(3) Erforschung der Anwendungsszenarien des realen 3D-Modells: In dieser Studie wurde die Skyline-Landschaft am Nordufer des Huangpu-Flusses mithilfe der Daten des urbanen 3D-Modells extrahiert und das reale 3D-Modell für Messungen und die Entwurfsplanung bei der Erstellung des Gebäudeschutz- und Instandsetzungsplans für das Shanghai Building verwendet, wodurch die Anwendungsszenarien von realen 3D-Modellen erweitert wurden.