Bodenabtastabstand (GSD): Planung von Drohnenvermessungen für Metashape

Die Bodenauflösungsdistanz (GSD) ist einer der wichtigsten Parameter, die Sie bei der Planung einer Drohnen-Fotogrammetrie-Vermessung für Agisoft Metashape berücksichtigen müssen.

Der GSD gibt an, wie viel Bodenfläche in der realen Welt durch ein einzelnes Pixel auf einer Luftaufnahme dargestellt wird. Er hat direkten Einfluss auf den von der Drohne erfassten Detaillierungsgrad, die Auflösung des resultierenden Orthomosaiks und des Geländemodells (DEM), die Anzahl der erforderlichen Bilder sowie die Datenmenge, die Metashape verarbeiten muss.

Beispielsweise bedeutet ein GSD von 2 cm/Pixel, dass ein Pixel im Ausgangsbild einer Fläche von etwa 2 × 2 cm auf dem Boden entspricht.

Ein Flug in geringerer Höhe führt in der Regel zu einer kleineren GSD und somit zu detaillierteren Aufnahmen. Ein Flug in größerer Höhe führt zu einer größeren GSD, wodurch zwar die Detailgenauigkeit abnimmt, jedoch ein größeres Gebiet mit weniger Aufnahmen kartiert werden kann.

In diesem Leitfaden werden die Bodenabtastung (Ground Sampling Distance, GSD) bei der Kartierung mit Drohnen erläutert, wie die GSD berechnet wird, welchen Einfluss die Flughöhe darauf hat und wie Sie bei der Planung von Vermessungen für Agisoft Metashape eine geeignete GSD auswählen.

Was versteht man unter der Bodenabtastentfernung?

Die Bodenabtastentfernung ist die ungefähre Entfernung auf dem Boden, die durch den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Bildpixel dargestellt wird.

GSD wird üblicherweise wie folgt ausgedrückt:

• mm/Pixel
• cm/Pixel
• m/Pixel

Bei der Kartierung mit Drohnen sind Zentimeter pro Pixel die gängigste Maßeinheit.

Zum Beispiel:

• 1 cm/Pixel GSD = Jedes Pixel entspricht etwa 1 cm auf der Erde.
• 2 cm/Pixel GSD = Jedes Pixel entspricht etwa 2 cm.
• 5 cm/Pixel GSD = Jedes Pixel entspricht etwa 5 cm.

Ein kleinerer GSD bedeutet eine höhere räumliche Detailgenauigkeit.

Warum GSD in Agisoft Metashape von Bedeutung ist

Metashape rekonstruiert dreidimensionale Geometrien, indem es Bildmerkmale in überlappenden Fotos identifiziert und miteinander abgleicht.

Der Detailreichtum dieser Fotografien schränkt daher die Details ein, die letztendlich rekonstruiert werden können.

GSD betrifft:

• Auflösung des Orthomosaiks
• Detailansicht der Punktwolke
• Auflösung von DEM und DSM
• Sichtbarkeit der Bodenkontrollpunkte
• Fähigkeit, kleine Objekte zu erkennen
• Anzahl der erforderlichen Fotos
• Bearbeitungszeit
• Anforderungen an Arbeitsspeicher und Speicherplatz

Die Wahl einer unnötig kleinen GSD kann zu Tausenden zusätzlicher Fotos führen, ohne dass diese nützliche Informationen für das Projekt liefern.

Die Wahl eines zu großen GSD kann jedoch dazu führen, dass wichtige Details gar nicht erst erfasst wurden und bei der Verarbeitung nicht wiederhergestellt werden können.

Wie wird der GSD berechnet?

Bei einer herkömmlichen Nadir-Luftaufnahme über weitgehend flachem Gelände lässt sich die GSD anhand der Kamerageometrie abschätzen.

Eine hilfreiche Formel lautet:

GSD = (H × Sensorbreite) / (Brennweite × Bildbreite)

wobei:

• GSD = Bodenabtastabstand
• H = Abstand zwischen der Kamera und dem Boden
• Sensorbreite = physikalische Breite des Sensors
• Brennweite = Brennweite des Objektivs
• Bildbreite = Anzahl der Pixel in der Breite des Bildes

Eine entsprechende Berechnung lässt sich anhand der physikalischen Pixelgröße vornehmen:

GSD = H × Pixelgröße / Brennweite

Die Einheiten müssen während der Berechnung einheitlich verwendet werden.

Beispiel für eine GSD-Berechnung

Stellen Sie sich eine Drohnenkamera vor, die über folgende Eigenschaften verfügt:

• Sensorbreite: 13,2 mm
• Bildbreite: 5472 Pixel
• Brennweite: 8,8 mm
• Flughöhe über dem Boden: 100 m

Der ungefähre GSD beträgt:

GSD = (100 × 13,2) / (8,8 × 5472)

Dies ergibt ungefähr:

0,0274 m/Pixel = 2,74 cm/Pixel

Wenn dieselbe Kamera etwa doppelt so hoch über dem Gelände fliegt, ist auch die GSD etwa doppelt so groß.

Aufgrund dieses Zusammenhangs gehört die Flughöhe zu den Variablen, die sich bei der Planung einer Kartierungsmission am einfachsten anpassen lassen.

Wie sich die Flughöhe auf die GSD auswirkt

Für dieselbe Kamera und dasselbe Objektiv:

Geringere Höhe = geringere GSD = mehr Details

Höhere Höhe = größere GSD = geringere Detailgenauigkeit

Allerdings ist „niedriger“ nicht automatisch „besser“.

Sehr tief zu fliegen bedeutet:

• Jedes Bild deckt einen kleineren Bereich ab.
• Es werden weitere Fluglinien benötigt.
• Es werden weitere Fotos aufgenommen.
• Die Bearbeitungszeit verlängert sich.
• Die Anforderungen an Arbeitsspeicher und Speicherplatz steigen.

Das Ziel sollte daher darin bestehen, die für das Projekt erforderliche Auflösung zu erreichen, anstatt lediglich die kleinstmögliche GSD anzustreben.

Die GSD bleibt auf unebenem Gelände nicht konstant

Die in einem Drohnenflugplan eingegebene Flughöhe entspricht nicht unbedingt der tatsächlichen Entfernung zwischen der Kamera und jedem Punkt auf dem Gelände.

Stellen Sie sich eine Drohne vor, die in konstanter Höhe über einem Steinbruch fliegt.

Die Kamera befindet sich zwar 100 Meter über dem höchsten Punkt, jedoch 140 Meter über dem Grund der Ausgrabung.

Die Bilder, die den Boden des Steinbruchs abdecken, weisen daher eine größere GSD auf als jene, die das darüber liegende Gelände abdecken.

Aus diesem Grund kann ein Metashape-Projekt eine durchschnittliche Bodenauflösung aufweisen, während einzelne Bilder und Bereiche innerhalb des Projekts unterschiedliche effektive GSD-Werte haben.

In bergigem Gelände, in Steinbrüchen und an steilen Standorten kann die geländegerechte Flugplanung dazu beitragen, einen gleichmäßigeren Abstand zwischen Kamera und Boden aufrechtzuerhalten.

Welches GSD-Format sollten Sie für die Kartierung mit Drohnen verwenden?

Der richtige GSD hängt vom Zweck des Projekts ab.

Hierbei handelt es sich eher um Planungsbeispiele als um allgemeingültige Genauigkeitsvorgaben.

Die richtige GSD sollte entsprechend dem kleinsten zu identifizierenden Merkmal, der erforderlichen Ausgabeauflösung und den Vorgaben zur Vermessungsgenauigkeit ausgewählt werden.

GSD ist nicht gleichbedeutend mit Genauigkeit

Diese Unterscheidung ist von größter Bedeutung.

Ein GSD von 2 cm/Pixel bedeutet nicht automatisch, dass die Vermessung eine Positionsgenauigkeit von 2 cm aufweist.

GSD beschreibt die Bildauflösung.

Die Genauigkeit der Vermessung hängt von vielen weiteren Faktoren ab, darunter:

• RTK- oder PPK-Positionsgenauigkeit
• Bodenkontrollpunkte
• Genauigkeit der Kontrollpunkte
• Bildgeometrie
• Kamerakalibrierung
• Bildüberlappung
• Verschlusszeit und Bildschärfe
• Objektivverzerrung
• Konfiguration des vertikalen Bezugspunkts
• Photogrammetrische Bündelausgleichsberechnung

Sie können daher einen Datensatz mit einer GSD von 1 cm haben, der um mehrere Meter falsch georeferenziert ist, oder einen Datensatz mit größerer GSD, der mithilfe hochwertiger Vermessungskontrollpunkte genau positioniert ist.

GSD und Bildüberlappung

Die GSD sollte niemals unabhängig von der Bildüberlappung geplant werden.

Metashape benötigt dieselben Merkmale, die auf mehreren Fotos zu sehen sind, um diese zuverlässig rekonstruieren zu können.

Für allgemeine Luftbildvermessungen empfiehlt Agisoft folgende Richtwerte:

• 80 % Überlappung nach vorne
• 60 % seitliche Überlappung

Bei komplexem Gelände und komplexen Bauwerken können zusätzliche Überlappungen, kreuzförmige Flugmuster oder schräge Aufnahmen von Vorteil sein.

Eine Verringerung der Flughöhe zur Erzielung einer geringeren GSD ohne Anpassung des Abstands zwischen den Fluglinien kann daher die effektive Überlappung verändern und möglicherweise die Qualität des Datensatzes beeinträchtigen.

GSD und Größe des Bodenkontrollpunkts

GSD ist zudem hilfreich bei der Entscheidung, wie groß die Ziele für die Bodenkontrollpunkte sein sollten.

Ein Ziel muss auf den Luftbildern genügend Pixel einnehmen, damit es genau identifiziert und markiert werden kann.

Angenommen, Ihre Vermessung weist folgende GSD auf:

2 cm/Pixel

Ein Zielobjekt mit einer Breite von 10 cm würde lediglich etwa:

10 cm / 2 cm = 5 Pixel

Das könnte für eine präzise und wiederholbare Markierung zu klein sein.

Ein größeres Ziel, das wesentlich mehr Pixel abdeckt, sorgt für einen deutlich schärferen Mittelpunkt und verringert Unklarheiten beim manuellen oder automatischen Markieren von Kontrollpunkten.

Wie sich GSD auf die Auflösung von Orthomosaiken auswirkt

Nach der Verarbeitung kann Metashape ein georeferenziertes Orthomosaik erstellen.

Die natürliche Ausgabeauflösung steht in engem Zusammenhang mit der effektiven Auflösung des Ausgangsmaterials.

Die Erstellung eines Orthomosaiks mit einer Pixelgröße, die deutlich kleiner ist als die ursprüngliche GSD, führt nicht zur Erzeugung neuer Bodendetails.

Wenn das Bildmaterial beispielsweise reale Geländedaten mit einer Auflösung von etwa 3 cm/Pixel enthält, führt der Export eines Orthomosaiks mit einer Auflösung von 0,5 cm/Pixel in erster Linie zur Erzeugung zusätzlicher interpolierter Pixel und nicht zu einer sechsfachen Detailgenauigkeit der Messdaten.

Aus diesem Grund sollte die Ausgabeauflösung im Verhältnis zum Quelldatensatz realistisch bleiben.

Wie sich GSD auf die Verarbeitungszeit von Metashape auswirkt

Ein kleinerer GSD erfordert in der Regel, näher am Boden zu fliegen.

Dadurch verringert sich die von jedem Bild abgedeckte Fläche, was bedeutet, dass mehr Fotos erforderlich sind, um dasselbe Gebiet zu kartieren.

Im Allgemeinen führt eine größere Anzahl von Bildern zu:

• Ausrichtungszeit
• Verarbeitung von Tiefenkarten
• Größe der Punktwolke
• DEM-Größe
• Größe des Orthomosaiks
• RAM-Auslastung
• GPU-Auslastung
• Lagerungsanforderungen

Die Planung einer Erhebung ist daher auch eine Entscheidung im Bereich des Datenmanagements.

Ein GSD, der nur halb so groß ist, kann erheblich mehr Daten erzeugen, als das Projekt tatsächlich benötigt.

GSD und die Erkennung kleiner Merkmale

Ein Pixel reicht selten aus, um ein Objekt zuverlässig zu identifizieren.

Wenn das kleinste relevante Merkmal in Ihrem Projekt 5 cm breit ist und Sie mit einer Auflösung von 5 cm/Pixel erfassen, nimmt dieses Merkmal möglicherweise etwa ein Pixel ein.

Auch wenn es theoretisch auf dem Bild zu sehen ist, ist es möglicherweise nicht erkennbar oder für eine Messung ungeeignet.

Entscheidende Merkmale sollten daher mehrere Pixel umfassen.

Dies ist insbesondere wichtig für:

• Zielgruppen der Umfrage
• Risse
• Straßenmarkierungen
• Kleine Rohre
• Kanten und Ecken
• Infrastrukturkomponenten

Planung einer Drohnenvermessung für Metashape

Ein praktischer Arbeitsablauf besteht darin, vom gewünschten Ergebnis auszugehen und nicht von den maximalen Leistungsmöglichkeiten der Drohne.

Schritt 1: Legen Sie den erforderlichen Detaillierungsgrad fest

Ermitteln Sie das kleinste Objekt oder Geländeelement, das sichtbar sein oder vermessen werden muss.

Schritt 2: Wählen Sie die Ziel-GSD aus

Wählen Sie ein GSD aus, das für diese Merkmale eine ausreichende Pixelanzahl bietet.

Schritt 3: Flughöhe berechnen

Berechnen Sie anhand der Sensorabmessungen, der Bildauflösung und der Brennweite den erforderlichen Abstand zwischen Kamera und Boden, um die angestrebte GSD zu erreichen.

Schritt 4: Bildüberlappung konfigurieren

Für die Standard-Luftbildkartierung empfiehlt Agisoft als Ausgangswert eine Überlappung von etwa 80 % in Vorwärtsrichtung und 60 % in seitlicher Richtung.

Schritt 5: Berücksichtigen Sie Geländeunterschiede

Bei steilem Gelände sollten Sie den Einsatz von geländebasierten Missionen in Betracht ziehen, damit die GSD über das gesamte Projekt hinweg konstanter bleibt.

Schritt 6: Flugvorschriften und Sicherheitshinweise überprüfen

Die erforderliche photogrammetrische Höhe muss stets mit den örtlichen Luftfahrtvorschriften, Hindernissen und den Verfahren für einen sicheren Betrieb vereinbar sein.

Schritt 7: Verarbeitung und Validierung in Metashape

Bearbeiten Sie die Bilder nach dem Flug in Metashape und überprüfen Sie das Endergebnis unter Verwendung geeigneter GCPs, RTK/PPK-Daten sowie unabhängiger Kontrollpunkte an Stellen, an denen die Vermessungsgenauigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Metashape-Missionsplanung und Ziel-GSD

Metashape Professional umfasst zudem Funktionen zur Missionsplanung für komplexe Strukturen.

Innerhalb dieses Arbeitsablaufs kann die gewünschte Bildauflösung direkt als Ziel-GSD oder als Aufnahmedistanz zur rekonstruierten Oberfläche angegeben werden.

Dies verdeutlicht einen wichtigen Grundsatz: Anstatt die Flugstrecke willkürlich festzulegen, lässt sich die photogrammetrische Erfassung an der für das Endprojekt erforderlichen räumlichen Auflösung ausrichten.

Häufige Fehler bei der GSD-Planung

Immer so tief wie möglich fliegen

Detailliertere Informationen sind nur dann sinnvoll, wenn das Projekt diese benötigt. Eine unnötig kleine GSD erhöht den Arbeitsaufwand bei Flug und Datenverarbeitung.

Verwechslung von GSD mit der Erhebungsgenauigkeit

Ein kleiner GSD garantiert keine genauen Koordinaten.

Unberücksichtigung der Geländehöhe

Eine konstante Flughöhe der Drohne über wechselndem Gelände führt zu einer variablen GSD.

Verringerung der Bildüberlappung zur Zeitersparnis

Hochauflösende Bilder können eine mangelhafte photogrammetrische Geometrie nicht ausgleichen.

Exportieren mit unrealistisch kleiner Pixelgröße

Durch das Upsampling eines Orthomosaiks werden keine Details wiederhergestellt, die in den Originalfotos nicht vorhanden waren.

Abschließende Empfehlungen

Die Bodenabtastung sollte ausgewählt werden, bevor die Drohne abhebt, und nicht erst, nachdem die Bilder in Metashape importiert wurden.

Ein guter Arbeitsablauf bei der Planung einer Umfrage sieht wie folgt aus:

1. Definieren Sie das erforderliche Ergebnis.
2. Ermitteln Sie die kleinsten relevanten Merkmale.
3. Wählen Sie einen geeigneten GSD-Zielwert aus.
4. Berechnen Sie den erforderlichen Abstand zwischen der Kamera und dem Boden.
5. Stellen Sie eine ausreichende Überlappung nach vorne und zur Seite ein.
6. Berücksichtigen Sie Höhenunterschiede im Gelände.
7. Nehmen Sie scharfe und gleichmäßig belichtete Bilder auf.
8. Verwenden Sie eine geeignete RTK-, PPK- oder GCP-Kontrolle.
9. Verarbeiten Sie den Datensatz in Agisoft Metashape.
10. Überprüfen Sie die Genauigkeit unter realen Bedingungen anhand von Kontrollpunkten.

Das Ziel besteht nicht darin, eine möglichst geringe GSD zu erreichen. Das Ziel besteht vielmehr darin, genau die richtige Menge an Bilddetails zu erfassen, die für die erforderliche Vermessungsgenauigkeit und die zu liefernden Ergebnisse notwendig ist, und dabei die Flugzeit und den Verarbeitungsaufwand effizient zu gestalten.

Wenn GSD, Überlappung, Kamerageometrie und Georeferenzierung gemeinsam geplant werden, kann Agisoft Metashape die daraus resultierenden Drohnenbilder in präzise und effizient erstellte Orthomosaike, Punktwolken, DSMs, DTMs und andere professionelle Geodatenprodukte umwandeln.

Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet „GSD“ im Zusammenhang mit der Kartierung mittels Drohnen?

GSD steht für „Ground Sampling Distance“ und bezeichnet die ungefähre Entfernung am Boden, die ein Bildpixel repräsentiert.

Ist ein kleinerer Deutscher Schäferhund besser?

Eine geringere GSD liefert mehr räumliche Details, erfordert jedoch in der Regel auch eine geringere Flughöhe, eine größere Anzahl an Aufnahmen und mehr Rechenressourcen. Die beste GSD ist diejenige, die den Detailanforderungen des jeweiligen Projekts entspricht.

Entspricht eine GSD von 2 cm einer Genauigkeit von 2 cm?

Nein. Eine GSD von 2 cm/Pixel beschreibt die Bildauflösung, nicht die garantierte Positionsgenauigkeit. Die Vermessungsgenauigkeit hängt zudem von den Kontrolldaten, der Kamerageometrie, der Kalibrierung, der Überlappung und der Verarbeitungsqualität ab.

Wie wirkt sich die Höhe auf die GSD aus?

Bei gleicher Kamera und Brennweite nimmt die GSD in etwa proportional zur Entfernung zwischen Kamera und Boden zu. Bei höherer Flughöhe ergibt sich eine größere GSD, während bei niedrigerer Flughöhe eine kleinere GSD entsteht.

Welche Überlappung sollte ich für Agisoft Metashape verwenden?

Für allgemeine Luftbildaufnahmen empfiehlt Agisoft als Ausgangspunkt eine Überlappung von etwa 80 % in Vorwärtsrichtung und mindestens 60 % in seitlicher Richtung. Bei komplexen Motiven kann eine größere Überlappung erforderlich sein.

Kann der GSD innerhalb derselben Drohnenvermessung variieren?

Ja. Wenn sich die Geländehöhe ändert, ändert sich auch der Abstand zwischen Kamera und Boden, was zu unterschiedlichen effektiven GSD-Werten im gesamten Vermessungsgebiet führt.

Kann ich die GSD nach der Drohnenvermessung verbessern?

Sie können ein Bild oder ein Orthomosaik mit kleineren Pixeln exportieren, doch dadurch werden keine tatsächlichen räumlichen Details wiederhergestellt, die von der Kamera nicht erfasst wurden. Die tatsächliche GSD wird in erster Linie bei der Bildaufnahme bestimmt.

Verwendet Metashape GSD zur Missionsplanung?

Ja. Die Missionsplanungswerkzeuge von Metashape Professional für komplexe Strukturen können eine Ziel-GSD oder eine festgelegte Aufnahmeentfernung als gewünschten Bildauflösungsparameter verwenden.