Das Gesamthöhenmodell der Münchener Innenstadt setzt sich wie ein Mosaik aus insgesamt 93 Echtzeit-Bildpaaren zusammen, die jeweils ein 3D-Höhenmodell bilden. In der Mitte des Bildes sind beispielsweise der Altstadtring und die Frauenkirche (grau) zu erkennen, am rechten Bildrand zeigt sich der Verlauf der Isar mit seinen Brückenübergängen.
Für jedes Bildpaar wird ein 3D-Höhenmodell erstellt und georeferenziert: Über der Innenstadt von München konnte das VABENE++ Projektteam im 2-Sekundentakt jeweils zwei Luftbillder generieren und zu einem Höhenmodell mit 50 Zentimeter Auflösung verarbeiten. Hier zu erkennen: Daten aus dem Überflug über den Altstadtring mit der Münchner Frauenkirche (oberer Bildrand).
Das Testgebiet um Schloss Neuschwanstein in Bayern weist einen Höhenunterschied von 1.000 Meter auf - eine echte Herausforderung für die 3D-Modellierung. Um die Rechenzeit während der Aufnahmen gering zu halten, wird die Bodenauflösung reduziert. Die Prozessierungszeit für dieses Geländemodell betrug 40 Sekunden pro Bildpaar. Es zeigt die Schlossanlage mit Seittexturen, bei einer maximalen Auflösung von 1 Meter - Höchstleistung unter schwierigsten Bedingungen.
Erdbeben, Hangrutschungen, Tsunamis und andere Katastrophen können die Gestalt der Erdoberfläche jäh verändern. Im Einsatzfall benötigen Rettungskräfte und Behörden dann möglichst schnell aktuelle und präzise Lageinformationen. Mit Hilfe eines optischen Kamerasystems kann das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) binnen Sekunden aktuelle hochauflösende 3D-Geländemodelle liefern – direkt vom Flugzeug oder Hubschrauber aus.
Noch während eines Überflugs erhalten die Einsatzkräfte damit dreidimensionale Lagebilder der betroffenen Regionen, wichtig etwa bei Hangrutschungen oder Sturmkatastrophen: Schäden an Gebäuden, Straßen und Brücken lassen sich umgehend beurteilen. Auch für die Verkehrsbeobachtung oder für die Weiterverarbeitung etwa zu Hochwasserkarten eignen sich die Daten. Die Leistungsfähigkeit des Kamerasystems wurde im Rahmen des Projekts VABENE++ (Verkehrsmanagement bei Großereignissen und Katastrophen) nun unter Beweis gestellt. Als Testgebiete wählten die Wissenschaftler die Innenstadt von München sowie das alpine Gebiet um Schloss Neuschwanstein.
Schneller, einfacher, kostengünstiger
Bislang waren erhebliche Rechnerkapazitäten notwendig, um Höhenmodelle in Echtzeit zu erstellen. Nun kann ohne aufwändige Infrastruktur und in gerade einmal 1,8 Sekunden ein Geländemodell mit einer Auflösung von 50 Zentimeter erzeugt werden – mit dem "3K"- und "4k"-Kamerasystem des DLR-Instituts für Methodik der Fernerkundung, welches für den Einsatz im Flugzeug bzw. Hubschrauber entwickelt wurde. Für die Testflüge standen die Cessna C-208B Grand Caravan sowie der Eurocopter BO 105der DLR-Einrichtung Flugexperimente zur Verfügung.
"Wir waren schon sehr gespannt auf die ersten hochaufgelösten 3D-Bilder. Die Daten in Echtzeit zu verarbeiten ist alles andere als trivial und wir hatten zunächst auch mit Problemen zu kämpfen. Umso schöner war es dann, als wir über Neuschwanstein mitverfolgen konnten, wie Bild um Bild, flächendeckend die Geländemodelle entstanden sind. Damit haben wir einen wichtigen Meilenstein im Projekt erreicht", so Dr.-Ing. Franz Kurz vom DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung über die erfolgreiche Testkampagne. Für die Echtzeitverarbeitung vereinfachten und beschleunigten die Luftbildexperten das bereits sehr schnelle, in der DLR-Robotik entwickelte "Semi-Global-Matching Verfahren": Analog zum räumlichen Sehen des Menschen werden die Unterschiede zwischen zwei sich überlappenden Bildern genutzt, um aus dem Versatz die Höheninformationen zu gewinnen.
Damit die Prozessierung stets mit der Aufnahmegeschwindigkeit der Kameras an Bord Schritt hält, wird die Auflösung der Höhenmodelle an das Gelände angepasst. In Gebieten mit großen Reliefunterschieden wird die Bodenauflösung reduziert – und die Rechenzeit dadurch gering gehalten. Dieser Herausforderung stellte sich das Team im Testgebiet um Schloss Neuschwanstein, das einen Höhenunterschied von 1.000 Meter aufweist: Trotz erhöhter Rechenanforderungen konnte das 3K-Kamerasystem das Geländemodell mit einem Meter Auflösung berechnen, synchron zum Aufnahmerhythmus.
Bei der Entwicklung seines 3K- und 4k- Kamerasystemsverzichtet das Institut für Methodik der Fernerkundung auf spezielle Sensoren und komplexe Bauteile, und nutzt stattdessen handelsübliche Elemente aus dem Consumerbereich. Dadurch können die Kosten sehr niedrig gehalten werden. Das gibt Behörden künftig die Möglichkeit, ihre Hubschrauber- und Flugzeugflotten mit dem Kamerasystem auszustatten. Gleichzeitig profitiert das System von der hohen Dynamik am Markt, so dass die Entwickler auch weiterhin Fortschritte in Leistung und Geschwindigkeit realisieren können – zügig, unkompliziert und ohne teure Neuentwicklungen.
Über das Projekt
Im Projekt VABENE++ werden leistungsfähige Unterstützungswerkzeuge für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben und Verkehrsbehörden für den Umgang mit Katastrophen und Großveranstaltungen entwickelt. Im Rahmen des DLR-Verkehrsforschungsprogramms arbeiten in diesem Projekt verschiedene DLR-Institute und Partnereinrichtungen fachübergreifend zusammen und werden durch die Flugbetriebe des DLR unterstützt.
