Warum ist mein RTK-Drohnenmodell in Agisoft Metashape vertikal verschoben?

Sie bearbeiten eine mit einer RTK-Drohne erfasste Vermessung, die Kameras sind korrekt ausgerichtet, die Punktwolke sieht hervorragend aus und das Modell erscheint in sich konsistent. Dann vergleichen Sie das Ergebnis mit den vermessenen Kontrollpunkten und stellen fest, dass das gesamte Projekt vertikal um mehrere Meter verschoben ist.

Dies ist eines der schwierigsten Probleme in der professionellen Drohnenfotogrammetrie.

In vielen Fällen bedeutet eine vertikale Verschiebung eines RTK-Drohnenmodells in Agisoft Metashape nicht, dass der RTK-Vorgang fehlgeschlagen ist oder dass die photogrammetrische Rekonstruktion ungenau ist. Das Problem könnte lediglich darin bestehen, dass für die Drohnenkoordinaten und die Vermessungsreferenzdaten unterschiedliche Definitionen der Höhe verwendet werden.

Die häufigsten Ursachen sind Abweichungen zwischen ellipsoidischen und orthometrischen Höhen, ein falsches Geoid oder vertikales Bezugssystem oder fehlerhafte Höhenangaben, die in den Metadaten der Drohnenaufnahmen gespeichert sind.

In dieser Anleitung wird erläutert, wie diese Höhensysteme funktionieren und was Sie überprüfen sollten, wenn Ihr Metashape-Projekt zwar horizontal genau ist, jedoch vertikal versetzt ist.

Warum kann es bei einer präzisen RTK-Vermessung zu vertikalen Verschiebungen kommen?

Die RTK-Positionsbestimmung kann sehr genaue Kamerakoordinaten liefern, doch eine Koordinate ist nur dann aussagekräftig, wenn ihr Bezugssystem richtig verstanden wird.

Horizontale und vertikale Koordinaten verwenden nicht unbedingt denselben Bezugssystemtyp.

Ein GNSS-Empfänger ermittelt die Höhe in der Regel relativ zu einer mathematischen Referenzfläche, die als Ellipsoid bezeichnet wird. Vermessungsingenieure und Ingenieurprojekte arbeiten jedoch häufig mit Höhenangaben, die sich unter Verwendung eines Geoidmodells auf den mittleren Meeresspiegel beziehen.

Werden die ellipsoidischen Höhen aus den Drohnenmessungen direkt mit den orthometrischen Höhen der Vermessungskontrollpunkte verglichen, mag die horizontale Position zwar korrekt erscheinen, während das gesamte Modell vertikal verschoben wirkt.

Dieser Versatz kann je nach geografischer Lage mehrere Meter oder sogar mehrere Dutzend Meter betragen.

Ellipsoidhöhe im Vergleich zur orthometrischen Höhe

Um das Problem zu verstehen, muss man zwischen drei Werten unterscheiden:

h = Ellipsoidhöhe
H = orthometrische Höhe, häufig als Höhe über dem mittleren Meeresspiegel bezeichnet
N = Geoidwelligkeit oder Geoidabstand

Diese Beziehung wird üblicherweise wie folgt ausgedrückt:

h = H + N

oder:

H = h – N

Der GNSS-Empfänger arbeitet in erster Linie mit dem Ellipsoid, während viele herkömmliche Vermessungspunkte orthometrische Höhenangaben verwenden.

Stellen Sie sich vor, eine RTK-Drohne meldet eine ellipsoidische Höhe von 142 Metern, und die Geoidabweichung im Vermessungsgebiet beträgt etwa 47 Meter.

Die entsprechende orthometrische Höhe würde ungefähr betragen:

142 m – 47 m = 95 m

Wenn Sie die ellipsoidische Koordinate von 142 Metern direkt mit einem Kontrollpunkt vergleichen, der in einer Höhe von etwa 95 Metern über dem jeweiligen vertikalen Bezugssystem gemessen wurde, könnte es den Anschein haben, als weise das Projekt einen Höhenfehler von etwa 47 Metern auf, obwohl beide Messungen innerhalb ihrer jeweiligen Bezugssysteme korrekt sind.

Wie Metashape die Kamerahöhen interpretiert

Dies ist insbesondere bei der Verarbeitung von RTK-Bildern in Agisoft Metashape Professional von Bedeutung.

Standardmäßig geht Metashape davon aus, dass es sich bei den in den Referenzbereich geladenen Höhenwerten um aus dem entsprechenden Ellipsoid geschätzte Höhen handelt.

Sollten Ihre Koordinaten stattdessen Höhenangaben verwenden, die auf ein Geoid bezogen sind, muss das Projekt das entsprechende vertikale Koordinatensystem verwenden.

Metashape Professional unterstützt konfigurierbare vertikale Bezugsebenen auf der Grundlage von Geoid-Wellenrastern, wodurch horizontale und vertikale Koordinatenbezugssysteme korrekt miteinander kombiniert werden können.

Wird die richtige vertikale Referenz nicht konfiguriert, kann dies zu einem Modell führen, das zwar intern korrekt ist, jedoch in vertikaler Hinsicht nicht mit Ihren Kontrollpunkten oder GIS-Daten übereinstimmt.

Was ist ein Geoid?

Die Erde ist weder eine perfekte Kugel noch ein vollkommen regelmäßiges Ellipsoid.

Ein Geoid ist eine auf der unregelmäßigen Schwerkraft basierende Referenzfläche, die den globalen mittleren Meeresspiegel und dessen Fortsetzung unterhalb der Kontinente annähernd darstellt.

Da es sich bei dem Geoid und dem Ellipsoid um unterschiedliche Oberflächen handelt, variiert der Abstand zwischen ihnen je nach geografischer Lage.

Das bedeutet, dass Sie ein Problem zwischen Ellipsoid und Geoid nicht durch die Anwendung eines einzigen universellen globalen Korrekturwerts lösen können.

Es sollte das für den Projektstandort und das Koordinatenreferenzsystem zutreffende Geoidmodell verwendet werden.

Verwendung eines Geoids in Agisoft Metashape

Agisoft Metashape Professional unterstützt vertikale Koordinatensysteme und Geoidmodelle.

Sofern das erforderliche Geoid verfügbar ist, kann es installiert und dem entsprechenden horizontalen Koordinatensystem zugeordnet werden, um ein zusammengesetztes Koordinatenreferenzsystem zu erstellen.

Öffnen Sie in Metashape die Auswahl des Koordinatensystems in den Einstellungen des Referenzfensters und wählen Sie das Koordinatensystem aus bzw. konfigurieren Sie es so, dass es Folgendes kombiniert:

Das korrekte horizontale Koordinatensystem
Das geeignete vertikale Koordinatensystem
Das entsprechende Geoidmodell

Sobald der korrekte vertikale Bezugspunkt festgelegt ist, kann Metashape die Höhenreferenzsysteme auf Ellipsoid- und Geoid-Basis korrekt umrechnen, sofern die erforderlichen Transformationsdaten vorliegen.

DJI: Absolute Höhe vs. Relative Höhe

Eine weitere mögliche Ursache für vertikale Fehler sind die in den Bildmetadaten von DJI gespeicherten Höhenangaben.

DJI-Bilder können zwei wichtige Höhenwerte enthalten:

Absolute Höhe
Relative Höhe

„RelativeAltitude“ gibt die Höhe des Flugzeugs relativ zum Startpunkt an.

„AbsoluteAltitude“ dient dazu, einen absoluten Höhenwert bereitzustellen, der dem Bild zugeordnet ist.

Agisoft hat Fälle dokumentiert, in denen der in den Bildmetadaten gespeicherte „AbsoluteAltitude“-Wert möglicherweise fehlerhaft ist.

Metashape liest die verfügbaren Metadaten ein und verwendet diese Werte im Referenzfenster. Das Programm erkennt nicht automatisch, ob eine vom Flugzeug aufgezeichnete falsche Höhenangabe durch einen anderen Wert ersetzt werden sollte.

Das bedeutet, dass ein Datensatz scheinbar präzise GPS-Informationen enthält, obwohl er dennoch eine falsche Höhenreferenz aufweist.

So überprüfen Sie die DJI-Höhenmetadaten in Metashape

Nachdem Sie Ihre Bilder importiert haben, öffnen Sie den Referenzbereich und überprüfen Sie die Kamerakoordinaten.

Sehen Sie sich die Höhenangaben genau an.

Fragen Sie sich selbst:

Sind die Höhenangaben für den Vermessungsort realistisch?
Entsprechen sie in etwa der erwarteten Geländehöhe zuzüglich der Flughöhe?
Handelt es sich um ellipsoidische Höhen oder um orthometrische Höhen?
Wurden die Vermessungspunkte anhand derselben Höhenreferenz vermessen?
Bleibt der vertikale Fehler über das gesamte Projekt hinweg annähernd konstant?

Ein nahezu konstanter vertikaler Versatz über mehrere unabhängige Kontrollpunkte hinweg ist ein wichtiger Hinweis.

Sollten alle Kontrollpunkte in etwa denselben Höhenunterschied aufweisen, könnte das Problem eher mit einer Höhenreferenz, dem Geoid oder einem systematischen Höhenversatz zusammenhängen als mit einer mangelhaften photogrammetrischen Rekonstruktion.

Was ist, wenn die von DJI angegebene absolute Höhe falsch ist?

Sollte die in den DJI-Bilddaten gespeicherte absolute Höhe falsch sein, besteht eine mögliche Vorgehensweise darin, den Wert „RelativeAltitude“ in Verbindung mit der bekannten ellipsoidischen Höhe des Startpunkts zu verwenden.

Konzeptionell:

Ellipsoidische Höhe der Kamera = ellipsoidische Höhe des Startpunkts + RelativeAltitude

Agisoft stellt Python-Skripte zur Verfügung, mit denen sich die Höhenmetadaten von DJI auslesen und ein bekannter Höhenversatz auf die Kamerakoordinaten anwenden lassen.

Nach der Korrektur der Referenzhöhen der Kameras sollten die aktualisierten Koordinaten übernommen werden, bevor mit der abschließenden Optimierung und der Erstellung der Vermessungsprodukte fortgefahren wird.

Bewahren Sie stets die ursprünglichen Projekt- oder Koordinatendaten auf, bevor Sie pauschale Höhenkorrekturen vornehmen.

RTK bedeutet nicht automatisch orthometrische Höhe

Dieses Missverständnis tritt besonders häufig bei modernen RTK-Drohnen auf.

Die Anzeige des Status „RTK FIX“ bedeutet nicht automatisch, dass die in jedem Bild gespeicherte Höhe bereits als Höhe über dem mittleren Meeresspiegel angegeben ist.

RTK dient in erster Linie dazu, die Genauigkeit der GNSS-Position zu verbessern.

Der Benutzer muss dennoch Folgendes verstehen:

Das Koordinatenreferenzsystem
Das GNSS-Bezugssystem
Das Ellipsoid
Die vertikale Bezugsebene
Das Geoidmodell
Wie die Drohne Höhenmetadaten speichert

Eine hochpräzise Koordinate, die auf ein falsches Höhenbezugssystem bezogen ist, kann im Vergleich zu Vermessungsdaten, die ein anderes Höhenbezugssystem verwenden, dennoch einen großen scheinbaren Fehler ergeben.

Warum sind meine horizontalen Koordinaten korrekt, die Höhenangabe jedoch falsch?

Dies ist eines der deutlichsten Anzeichen für ein Problem mit der vertikalen Referenz.

Nehmen wir an, Ihre unabhängigen Kontrollpunkte weisen horizontale Abweichungen im Zentimeterbereich auf, während jede vertikale Messung jedoch mehrere Meter zu hoch oder zu niedrig ist.

Die photogrammetrische Rekonstruktion könnte dennoch sehr gut sein.

Bevor Sie die Ausrichtungsparameter ändern, die Punktwolke neu erstellen oder davon ausgehen, dass das RTK-System ausgefallen ist, überprüfen Sie bitte, ob die Kamerakoordinaten und die Kontrollpunkte denselben Höhenbezug verwenden.

Ein systematischer Z-Versatz unterscheidet sich grundlegend von zufälligen Höhenfehlern im gesamten Projekt.

Konstante vertikale Verschiebung vs. variabler vertikaler Fehler

Das Muster des Fehlers kann dabei helfen, dessen Ursache zu ermitteln.

Nahezu konstante vertikale Verschiebung

Sollten die meisten Kontrollpunkte einen ähnlichen Z-Versatz aufweisen, gehen Sie folgendermaßen vor:

Ellipsoidische vs. orthometrische Höhen
Falsches oder fehlendes Geoidmodell
Falscher Höhenbezugspunkt
DJI AbsoluteAltitude-Metadaten
Eine konstante Basisstation oder ein Koordinatenversatz

Variable vertikale Abweichungen

Sollten die vertikalen Abweichungen innerhalb des Erhebungsgebiets erheblich variieren, untersuchen Sie bitte weitere Faktoren wie beispielsweise:

Unzureichende Kamerageometrie
Unzureichende Bildüberlappung
Schwankungen in der RTK-Qualität
Falsche Einstellungen für die Kameragenauigkeit
Kamerakalibrierung
Walzverformung oder systematische Verformung
Fehlerhafte Messungen der Bodenbezugspunkte

Eine Änderung des Geoids führt in der Regel nicht zur Korrektur eines geometrisch verzerrten photogrammetrischen Modells.

So beheben Sie eine vertikale Verschiebung in Metashape

Ein praktischer Ablauf zur Fehlerbehebung sieht wie folgt aus:

Überprüfen Sie die Höhenwerte der Kamera im Referenzbereich.
Bitte überprüfen Sie, welche Höhenangaben in den Koordinaten der Drohne verwendet werden.
Bitte überprüfen Sie, welchen Höhenbezugspunkt die Kontrollpunkte bzw. GCPs verwenden.
Prüfen Sie, ob der Z-Versatz annähernd konstant ist.
Überprüfen Sie das Projektkoordinatensystem.
Konfigurieren Sie bei Bedarf den entsprechenden vertikalen Bezugspunkt oder das Geoidmodell.
Überprüfen Sie die Metadaten „DJI AbsoluteAltitude“ und „RelativeAltitude“.
Korrigieren Sie gegebenenfalls ungültige Daten zur Kamerahöhe.
Aktualisieren Sie die Referenzdaten und optimieren Sie die Kameras erneut.
Überprüfen Sie das korrigierte Projekt anhand unabhängiger Kontrollpunkte.

Warum Kontrollpunkte bei RTK-Drohnen unverzichtbar sind

RTK verbessert die Kamerapositionierung erheblich, doch unabhängige Kontrollpunkte gehören nach wie vor zu den besten Methoden, um die tatsächliche Genauigkeit des abgeschlossenen photogrammetrischen Projekts zu überprüfen.

Ein Kontrollpunkt verfügt über bekannte, vermessene Koordinaten, wird jedoch während der Anpassung nicht zur Einschränkung des Modells herangezogen.

Ein Vergleich der Metashape-Ergebnisse mit den Kontrollpunkten kann Folgendes aufzeigen:

Horizontale Verzerrung
Vertikale Verzerrung
Falsche Koordinatensysteme
Probleme mit dem Höhenbezugspunkt
Unerwartete Verformung

Ohne unabhängige Kontrollpunkte kann ein Projekt intern präzise erscheinen, obwohl es dennoch einen systematischen absoluten Versatz aufweist.

Lösen GCPs das Problem zwischen Ellipsoid und Geoid?

Bodenbezugspunkte können das Modell auf bekannte Koordinaten beschränken, sollten jedoch nicht als Ersatz für das Verständnis der Koordinatenreferenzsysteme des Projekts herangezogen werden.

Wenn die Kamerakoordinaten und die GCP-Koordinaten unterschiedliche Höhenbezugssysteme verwenden und keine korrekte Transformation vorliegt, enthält das Projekt inkonsistente Referenzinformationen.

Der bessere Ansatz besteht darin, sicherzustellen, dass Kamerakoordinaten, GCPs, Kontrollpunkte und Projektergebnisse unter Verwendung korrekt definierter horizontaler und vertikaler Bezugssysteme verarbeitet werden.

Abschließende Empfehlungen

Sollte Ihr RTK-Drohnenmodell in Agisoft Metashape vertikal verschoben sein, gehen Sie bitte nicht sofort davon aus, dass die RTK-Drohne, die Kamerakalibrierung oder die photogrammetrische Verarbeitung fehlgeschlagen ist.

Stellen Sie zunächst fest, ob für alle Koordinaten dieselbe Definition der Höhe gilt.

Bitte überprüfen Sie insbesondere Folgendes:

Ob es sich bei den Kamerahöhen um ellipsoidische oder orthometrische Höhen handelt
Welcher vertikale Bezugspunkt wird von Ihrem Vermessungsreferenzpunkt verwendet?
Ob das richtige Geoidmodell verfügbar ist
Ob die Metadaten zu „DJI AbsoluteAltitude“ gültig sind
Ob der vertikale Versatz über alle Kontrollpunkte hinweg konstant ist
Ob das Metashape-Projekt das richtige Koordinatensystem verwendet

Für professionelle Vermessungsabläufe ist die korrekte Verwaltung des vertikalen Referenzsystems ebenso wichtig wie die Ermittlung eines RTK-FIX während des Fluges.

Sobald das Ellipsoid, das Geoid und das vertikale Bezugssystem korrekt verstanden und konfiguriert sind, kann Agisoft Metashape Professional RTK-Kamerakoordinaten, GCPs, Kontrollpunkte und konfigurierbare vertikale Bezugssysteme kombinieren, um präzise georeferenzierte photogrammetrische Ergebnisse zu erstellen.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist mein Metashape-Modell mehrere Meter zu hoch oder zu niedrig?

Ein systematischer Höhenversatz kann durch die Verwendung ellipsoidaler Kamerahöhen in Verbindung mit orthometrischen Vermessungshöhen, einem falschen Höhenbezugssystem, einem fehlenden Geoidmodell oder fehlerhaften Höhenmetadaten verursacht werden.

Was ist der Unterschied zwischen ellipsoidaler und orthometrischer Höhe?

Die ellipsoidische Höhe wird relativ zu einem mathematischen Ellipsoid gemessen, das von GNSS-Systemen verwendet wird. Die orthometrische Höhe wird relativ zu einer auf der Schwerkraft basierenden vertikalen Referenzlinie gemessen, die mit dem Geoid verbunden ist, und wird üblicherweise zur Angabe der Höhe über dem mittleren Meeresspiegel verwendet.

Liefert RTK die Höhe über dem Meeresspiegel?

Nicht automatisch. Bei der GNSS-Positionsbestimmung werden grundsätzlich auf ein Ellipsoid bezogene Koordinaten ermittelt. Für die Umrechnung dieser Werte in ein orthometrisches Höhensystem sind ein Geoidmodell und ein Bezugssystem für die Höhenangabe erforderlich.

Kann Agisoft Metashape Geoidmodelle verwenden?

Ja. Metashape Professional unterstützt konfigurierbare vertikale Bezugsebenen auf der Grundlage von Geoid-Wellenrastern und zusammengesetzten Koordinatensystemen.

Warum sind meine RTK-Horizontalkoordinaten korrekt, die Höhenangabe jedoch falsch?

Sollte die horizontale Genauigkeit gut sein, das gesamte Projekt jedoch einen ähnlichen vertikalen Versatz aufweisen, überprüfen Sie bitte den vertikalen Bezugspunkt, die Definition der Höhe in Bezug auf das Ellipsoid bzw. das Geoid sowie die Metadaten zur Flughöhe der Drohne, bevor Sie die Einstellungen für die photogrammetrische Verarbeitung ändern.

Was ist „DJI RelativeAltitude“?

„RelativeAltitude“ bezeichnet die Höhe des Flugzeugs relativ zu seinem Startpunkt. Dieser Wert ist nicht mit einer absoluten ellipsoidischen oder orthometrischen Höhe zu verwechseln.