Verfasser: Rüh, C. (2014)
Titel: Marine spatial data infrastructures – Approaches on evaluation, design and implementation
Erstgutachter: Prof. Dr. Ralf Bill
Zweitgutachter: Prof. Christophe Claramunt, Naval Academy Research Institute (Frankreich) und Dr. Reiner Lehfeldt, Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg
Kurztext:
Die Menschheit ist sowohl von der Meeresumwelt angezogen, als auch auf diese angewiesen. Um sie zu schützen und ihre Ressourcen zu nutzen, wurden und werden Richtlinien entwickelt, deren Anforderungen u. a. mit Geodateninfrastrukturen (GDIen) erfüllt werden können. Diese ermöglichen u. a. verantwortlichen Sachbearbeitern oder Wissenschaftlern Daten zu veröffentlichen und Berichte zu erstellen; können aber auch von der Öffentlichkeit verwandt werden oder zu politischen Entscheidungsprozessen beitragen. Im marinen Umfeld heißen solche GDIen marine Geodateninfrastrukturen (MGDIen) und Deutschland entwickelt eine solche – genannt MDI-DE – seit 2010.
Andere Länder entwickelten MGDIen bereits weit vor dem Jahr 2010, was die Möglichkeit er¨offnete, von diesen Ansätzen zu lernen. Um eine relativ objektive Basis zu haben, benötigt man einen Bewertungsrahmen. Dieser ermöglicht es, bei der Analyse der MGDIen stets gleich vorzugehen und somit im Ergebnis der Bewertungen die Vor- und Nachteile der existierenden Ansätze herausarbeiten. Diese Arbeit konzipiert einen solchen Bewertungsrahmen für MGDIen und wendet diesen auf die MGDIen von Irland, Großbritannien, USA, Kanada und Australien an.
Eine weitere Chance, die sich dadurch ergibt, dass Deutschland zum ersten Mal eine MGDI aufbaut, ist die Möglichkeit, diese auf Grundlage eines Referenzmodells zu entwickeln. Ein Referenzmodell erlaubt die Strukturierung großer und komplexer verteilter Systeme, wie z. B. MGDIen, mithilfe mehrerer Teilmodelle. Diese ermöglichen u. a. die Konzentration auf bestimmte Teile einer Architektur. Das Referenzmodell, das in dieser Arbeit aufgebaut wird, gliedert sich in die Teilmodelle Geschäfts-, Rollen-, Prozess-, Architektur- und Implementierungsmodell. Das Referenzmodell sieht u. a. die Einrichtung von Infrastrukturknoten mit Diensten vor. Dienste werden auch von der INSPIRE-Richtlinie gefordert, die überdies Anforderungen in Bezug auf die Leistungsfähigkeit von Diensten definiert. Darüber hinaus müssen Dienste vorgegebenen Standards und Spezifikationen der International Organization for Standardization und des Open Geospatial Consortiums entsprechen.
Diese Arbeit stützt sich auf bestehende Werkzeuge zur Überwachung und Bewertung von Diensten und untersucht die Vergleichbarkeit der Ergebnisse der Werkzeuge und ob die Anforderungen von INSPIRE mit solchen Werkzeugen bewertet werden können. Abschließend sind Begriffe, die in sogenannten kontrollierten Vokabularen beziehungsweise Thesauri zusammengefasst werden, ein wichtiger Aspekt insbesondere von MGDIen, da MGDIen in höherem Maße wissenschaftlich orientiert und fachübergreifender sind als terrestrische GDIen. Mit den vorhandenen Vokabularen war es nicht möglich, sie von Systemen (z. B. für die Beschreibung von Metadaten) verwenden oder sie von Wissenschaftlern gemeinschaftlich pflegen zu lassen. Um solche Nutzungen zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit ein Werkzeug entwickelt, das Vokabulare in das Simple Knowledge Organisation System (SKOS) Format konvertiert, was den Import der Thesauri in ein Web-Thesaurus-Management-Tool erlaubt.
Insgesamt soll diese Arbeit über bestimmte Aspekte der Bewertung, des Entwurfs und der Umsetzung von Marinen Dateninfrastrukturen die Entwicklung des deutschen Ansatzes für die MDI-DE wissenschaftlich unterstützen.
Abstract:
Humanity is reliant on and attracted to the marine environment. In order to make use of its resources and to protect it guidelines and directives were and are being developed. To aid the implementation of such efforts spatial data infrastructures (SDIs) can be used. These allow administrative officers and scientists inter alia to publish data and prepare reports. They can also be used by the public or contribute to political decision-making processes. In the marine domain such SDIs are called marine spatial data infrastructures (MSDIs) and Germany began developing one – called MDI-DE – in 2010.
Other countries developed MSDIs well before the year 2010 which opens up the opportunity to learn from these approaches. In order to have a rather objective and comparable base an evaluation framework is needed. This implies equal procedures for each MSDI which means that one cannot lose track of things. Furthermore this indicates that the results of the evaluations elaborate the pros and cons (potential pitfalls and things done well). This thesis develops such an evaluation framework to assess MSDIs and applies it to the MSDIs of Ireland, the UK, the USA, Canada and Australia.
Another opportunity that opened up because Germany is building a MSDI for the first time is that its development can be based on and guided by a reference model. A reference model structures large and complex distributed systems such as MSDIs with the help of several viewpoints respectively submodels. These allow focusing on specific parts of an architecture and are necessary because different stakeholders have different interests in such a system. The reference model this thesis proposes consists of five such submodels: business, role, process, architecture and implementation. The reference model inter alia envisaged setting up infrastructure nodes with distributed services. Services are a base of a SDI to work. They are also required by the INSPIRE directive. INSPIRE proposes requirements regarding performance so that services are conveniently accessible. Furthermore INSPIRE requires data and metadata to follow a specific structure. The same is true for services themselves because they have to follow given standards and specifications e.g. by the International Organization for Standardization (ISO) and the Open Geospatial Consortium (OGC). This thesis uses existing tools to monitor and evaluate services and attempts to clarify whether the results of the tools are comparable and if the INSPIRE requirements can be evaluated with such tools.
Lastly, an important aspect of MSDIs, in particular, are terms which are combined in so-called controlled vocabularies respectively thesauri because MSDIs are more scientifically oriented and interdisciplinary than terrestrial SDIs. The existing vocabularies did not allow to be used by systems (e.g. for metadata annotation) or be maintained by marine experts (e.g. by using a web authoring tool). To allow such usages this thesis implements a tool to convert the vocabularies into the Simple Knowledge Organisation System (SKOS) format. The conversion into SKOS allows importing the vocabularies into an online thesaurus management tool.
Altogether this thesis with focus on specific aspects of evaluation, design and implementation of marine spatial data infrastructures should scientifically support the development of the German approach for the MDI-DE.
Verfasser: Niemeyer, F. (2014)
Titel: Konzept und prototypische Umsetzung eines „Four Vision“-Kamerasystems mit Anwendungen in kommunalen und landwirtschaftlichen Bereichen für den Einsatz auf UAVs (Unmanned Aerial Vehicle)
Erstgutachter: Prof. Dr. Ralf Bill
Zweitgutachter: Prof. Dr. Jörg Blankenbach, RWTH Aachen und Prof. Dr. Norbert Haala, Universität Stuttgart
Kurztext:
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Mehrkamerasystem mit schrägblickenden Kameras für den Einsatz an unbemannten Trägerplattformen, in diesem Fall speziell für eine MD4-1000 der Firma microdrones, konzipiert, gebaut, kalibriert und getestet. Die MD4-1000 steht als Quadrokopter mit einem Abfluggewicht bis zu 5 kg stellvertretend für die Gruppe der Micro-UAV und innerhalb dieser Gruppe für die sogenannten VTOL-Modelle (vertical takeoff and landing). Diese Modelle brauchen keine Start- bzw. Landebahn und zeichnen sich vor allem durch eine relativ große Traglast aus, mit der sie per Autopilot eine bestimmte Flugroute abfliegen können. Sie sind gut geeignet, kleine Amateurkameras zu tragen und damit Bilder aus der Luft aufzunehmen.
Bereits in den Anfängen der Photogrammetrie gab es erste Versuche mit Drachen, Brieftauben oder kleinen Raketen stellvertretend für unbemannte Trägerplattformen und mitgeführten Kameras, Bilder aus der Luft aufzunehmen. Jedoch ist es erst durch die fortschreitende Entwicklung in der Computertechnik, der Sensortechnik, der Digitalkameratechnik und in der Materialforschung möglich geworden, UAV mit entsprechend hochwertigem Aufnahmeequipment auszurüsten und damit professionelle Bildflüge durchzuführen.
Anhand von verschiedenen Anwendungsszenarien wurde das Potenzial dieser innovativen Vermessungstechnik mit einer Digitalkamera gezeigt. Es entstanden Orthophotos, OrthoDEMs und 3D-Punktwolken mit bis zu einem Zentimeter Bodenauflösungen in Abhängigkeit der Flughöhe. Damit sind Genauigkeitsgrenzen erreicht, mit denen Deformationsanalysen, Verlagerungen oder Vermessungen für viele Anwendungsbereiche möglich sind. Zudem werden mehr und mehr schräge Luftbilder aufgenommen, mit deren Hilfe Punktwolken geometrisch stabiler berechnet werden können. Außerdem konnte gezeigt werden, wie sich das Reflexionsverhalten von Oberflächen aus unterschiedlichen Blickrichtungen bei einseitiger Bestrahlung verändert.
Das „Four Vision“-Kamerasystem orientiert sich an bereits existierenden großmaßstäbigeren und schwereren Kamerasystemen. Die vier schrägblickenden Kameras bilden zusammen mit der Nadirkamera, synchron ausgelöst, die Oberfläche in Form eines „Malteser Kreuzes“ ab. Mit dieser Aufnahmekonstellation kann das Kamerasystem größere Fläche sowie senkrechte Fassaden oder Texturen richtungsabhängig erfassen.
Damit das „Four Vision“-Kamerasystem auch in Kombination mit dem UAV funktionieren kann, wurden im Vorfeld Kriterien zur Wahl der verwendeten Hardware aufgestellt und entsprechende Bauteile erworben, getestet und kalibriert. Zum einen musste das Nutzlastgewicht des UAV und zum anderen die elektrische Leistungsaufnahme berücksichtigt werden. Hinzu kommen Kriterien zur Konstruktion, wie z.B. Schwerpunktlage oder Flugbewegungskompensation. Besonders wichtig sind die Stabilitätsuntersuchungen der inneren und äußeren Orientierungsparameter der Kameras. Außerdem wurden Softwaretools zur Steuerung der Kameras programmiert.
Es konnte ein Kamerasystem gebaut werden, das offiziell 250 g zu schwer für die MD4-1000 ist, aber dennoch von ihr getragen werden kann. Eine leichtere Kamerahalterung wird derzeit entwickelt. Momentan kann das Kamerasystem über eine Parameterdatei alle Kameras entsprechend konfigurieren, gleichzeitig auslösen und die Bilder sowohl Schwarz/Weiß als auch farblich (RGB) verlustfrei in Tiff-Dateien speichern. Einige radiometrische Untersuchungen konnten im gewünschten Umfang jedoch nicht durchgeführt werden.
Die Funktionstüchtigkeit des Kamerasystems konnte durch zwei Befliegungen unter Beweis gestellt werden. Dabei wurde für Anwendungen im Agrarbereich das Versuchsfeld der Universität Rostock und für kommunale Anwendungen der Campus der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät beflogen. Das Ziel, die Konzeptionierung, die Entwicklung und der Bau eines Mehrkamerasystems mit einer Nadir- und vier schrägblickenden Kameras für den UAV-Einsatz, konnte erfolgreich erreicht werden.
Abstract:
Within the scope of this work a multi-camera system with oblique-looking cameras was designed, built, calibrated and tested for the use on an unmanned aerial vehicle (UAV). An MD4-1000 from the company “microdrones” was available as a carrier system. It is a quadrocopter with a maximum takeoff weight (MTOW) of 5 kg belonging to the so called micro-UAV class. Furthermore it is a vertical takeoff and landing (VTOL) vehicle which does not require any runway. This UAV class offers a relatively big payload making it well suited to carry small amateur cameras to capture images from the air.
Already in the early days of photogrammetry there were first experiments with kites, pigeons and even small rockets which were applied as unmanned aerial vehicles carrying cameras to take pictures from above. However, only thanks to the progressive development in computer, sensor and digital camera technology as well as advances within the field of materials science, it is nowadays possible to equip a UAV with corresponding high-quality recording equipment to perform professional photogrammetric flights.
The potential of this innovative measurement technique applying a digital camera was demonstrated in this work on the basis of various application scenarios. The technique resulted in orthophotos, orthoDEMs (digital elevation model) as well as 3D point clouds with up to one centimeter ground resolution depending on the altitude. It was shown that exceptional accuracy limits can be reached which allow not only for deformation and displacement analyses but also for a broad variety of other possible surveys. In addition, an ever growing number of oblique aerial images are taken making the calculations of point clouds geometrically more stable. Furthermore, changes in the reflection of surfaces from different perspectives during the same conditions of irradiation were shown.
The "Four Vision" camera system is based on existing bigger and heavier camera systems. When triggered synchronously the four oblique-looking cameras and the nadir camera cover an area in the shape of a Maltese cross. The camera system is able to cover larger areas, even allowing the capturing of vertical facades as well as textures depending on its direction.
To make the “Four Vision” camera system work in combination with a UAV, a set of preliminary criteria has been established for the choice of hardware. The payload of the UAV, electrical power and other criteria in the design, e.g. flight motion compensation as well as balance had to be taken into account. The selected components were acquired, tested and calibrated. The stability analyses of the interior and exterior orientation parameters of the cameras were very important. In addition, software tools were programmed to control the cameras.
A camera system was built which although being officially 250g too heavy can still be carried by the MD4-1000. A lighter camera mount is currently being developed. At the moment the camera system can configure all cameras via a parameter file. All cameras will be triggered synchronously. Images can be saved as black and white or as colored TIF-files. However, some radiometric investigations could not be carried out to the desired extent yet.
The scope of possible applications of the camera system was proven by two aerial surveys. On the one hand agricultural applications were demonstrated when the test field of the University of Rostock was photographed. On the other hand a test flight took place at the campus of the Faculty of Agricultural and Environmental Sciences in Rostock representing the potential of the technology for municipal applications. The goal of the conceptual design, development and construction of a multi-camera system with one nadir and four oblique-looking cameras for UAV-use was successfully achieved.
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