Genauigkeit belegen: RMSE und Kontrollpunkte in Metashape

Ein Metashape-Bericht sieht schnell überzeugend aus. Ein Reprojektionsfehler von 0,4 Pixeln und ein Passpunkt-RMSE von zwei Zentimetern wirken wie ein sauberes Ergebnis, sagen über die tatsächliche Lagegenauigkeit des Orthomosaiks aber wenig aus. Beide Werte beschreiben, wie gut das Modell in sich stimmt, nicht wie gut es in der Welt sitzt. Wer eine Genauigkeit gegenüber einem Auftraggeber zusichern soll, braucht andere Zahlen und eine andere Punktverteilung. Dieser Beitrag zeigt, welche Werte man wofür heranzieht, welche Genauigkeiten man in der Referenzansicht einträgt und wie sich typische Fehlerbilder auseinanderhalten lassen.

Reprojektionsfehler ist kein Genauigkeitsnachweis

Der Reprojektionsfehler misst, wie weit die zurückprojizierten Verknüpfungspunkte von ihren gemessenen Bildpositionen abweichen. Die Einheit ist Pixel, der Bezug ist der Bildraum. Ein niedriger Wert bedeutet, dass Bildmessungen, Kamerakalibrierung und Blockgeometrie zueinander passen. Er sagt nichts über Maßstab, Höhenbezug oder Datum aus.

Praktisch heißt das: Ein Modell mit 0,3 Pixeln Reprojektionsfehler kann komplett falsch georeferenziert sein. Umgekehrt deutet ein hoher Wert auf konkrete Probleme hin, meist auf unscharfe Bilder, zu geringe Überlappung, sich wiederholende Texturen wie Ackerfurchen oder Wellenmuster, oder auf eine schwache Aufnahmegeometrie mit nur einer Flugrichtung.

Wichtig: Verknüpfungspunkte nicht so lange filtern, bis die Zahl gefällt. Über die Gradual Selection lässt sich der Wert leicht auf 0,2 Pixel drücken, indem man einen Großteil der Punkte löscht. Der Block wird dadurch schwächer, nicht genauer. Ein realistischer Arbeitspunkt liegt darin, offensichtliche Ausreißer zu entfernen und danach neu zu optimieren, statt eine Zielzahl anzusteuern.

Passpunkte und Kontrollpunkte sauber trennen

Passpunkte gehen in die Ausgleichung ein und zwingen das Modell in das gewünschte Koordinatensystem. Ihre Restklaffungen zeigen, wie gut sich die Lösung an die Vorgaben anpassen ließ. Das ist eine Anpassungsgüte, keine Kontrolle.

Kontrollpunkte bleiben aus der Ausgleichung ausgeschlossen. Ihre Abweichung ist eine unabhängige Messung: An dieser Stelle, an der das Modell keine Vorgabe bekommen hat, weicht es um so viel ab. Genau dieser Wert gehört in den Bericht an den Auftraggeber.

Wer alle eingemessenen Ziele als Passpunkte verwendet, bekommt schmeichelhaft kleine Zahlen und keine Aussage über die reale Genauigkeit. In Metashape trennt man die Rollen über die Kontrollkästchen in der Referenzansicht. Entscheidend ist die Reihenfolge: Rollen zuweisen, dann optimieren. Wer einen Punkt nachträglich vom Pass- zum Kontrollpunkt umwidmet, muss die Kameraoptimierung erneut laufen lassen, sonst steckt dieser Punkt weiterhin in der Lösung.

Wie viele Punkte, und wohin

Als Ausgangspunkt für klassische Befliegungen ohne RTK oder PPK haben sich diese Größenordnungen bewährt:

• Kleine, ebene Blöcke: 5 bis 8 Passpunkte und 3 bis 5 Kontrollpunkte
• Mittlere Flächen oder bewegtes Gelände: 8 bis 15 Passpunkte und mindestens 5 Kontrollpunkte
• RTK- oder PPK-Befliegung: 0 bis 4 Passpunkte zur Bias-Kontrolle und 3 bis 5 Kontrollpunkte
• Korridore, etwa Straßen oder Leitungstrassen: Punkte an beiden Enden, in regelmäßigen Abständen und an jeder Richtungsänderung, dazwischen abwechselnd Pass- und Kontrollpunkte

Zur Verteilung: Der Rand des Blocks braucht Kontrolle, sonst kippt die Lösung an den Kanten weg, in der Höhe deutlich früher als in der Lage. Innenliegende Punkte stabilisieren die Mitte. In Gelände mit großen Höhenunterschieden, etwa in Steinbrüchen oder an Böschungen, gehören Punkte auf mehrere Höhenniveaus verteilt und nicht nur auf die Sohle. Kontrollpunkte legt man bewusst zwischen die Passpunkte, nicht daneben. Zwei Ziele im Abstand von fünf Metern prüfen dieselbe Stelle zweimal.

Auch bei RTK-Befliegungen sind Kontrollpunkte kein optionales Extra. Ein systematischer Höhenversatz durch einen falschen Antennen-Offset oder ein abweichendes Geoidmodell fällt ohne unabhängige Messung schlicht nicht auf.

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Genauigkeiten realistisch eintragen

Die Werte in der Referenzansicht steuern, wie stark Metashape den einzelnen Beobachtungen vertraut. Wer überall 0,02 Meter einträgt, weil das gut aussieht, zwingt die Ausgleichung dazu, ungenaue Positionen ernst zu nehmen. Das Ergebnis sind verbogene Blöcke.

Als Startwerte für die Kamerapositionen:

• Normale GPS-Geotags aus der Kamera: etwa 5 bis 10 Meter in XY und 10 bis 20 Meter in Z
• RTK mit FIX-Lösung: etwa 0,01 bis 0,03 Meter in XY und 0,02 bis 0,05 Meter in Z
• RTK mit FLOAT-Lösung: häufig 0,10 bis 0,50 Meter oder schlechter
• PPK-Nachprozessierung: etwa 0,02 bis 0,05 Meter in XY und 0,03 bis 0,10 Meter in Z
• Eingemessene Passpunkte mit RTK-Rover: etwa 0,01 bis 0,03 Meter in XY und 0,02 bis 0,05 Meter in Z

Zwei Punkte werden dabei oft übersehen. Erstens gehören XY und Z getrennt eingetragen, weil GNSS vertikal grundsätzlich schlechter auflöst als horizontal. Zweitens darf ein Datensatz mit gemischten Lösungsqualitäten keinen einheitlichen Wert bekommen. Wenn während des Flugs die Korrekturdaten abgerissen sind und ein Teil der Bilder nur eine FLOAT-Lösung hat, müssen diese Bilder eigene, schlechtere Werte bekommen. Bei DJI-RTK-Systemen stehen die bildweisen Standardabweichungen in den XMP-Metadaten und lassen sich direkt übernehmen.

Die Genauigkeit der Markierungen in Pixeln richtet sich danach, wie eindeutig das Ziel im Bild zu identifizieren ist. Ein codiertes Ziel auf einer Platte lässt sich enger fassen als ein Kreidekreuz auf Schotter, das aus 100 Metern Höhe nur noch wenige Pixel groß ist. Wer hier zu streng ansetzt, erzeugt künstlich große Restklaffungen.

Fehlerbilder lesen

Die interessanten Erkenntnisse stecken selten in einer einzelnen Zahl, sondern im Verhältnis mehrerer Werte zueinander:

• Reprojektionsfehler niedrig, Kontrollpunkte schlecht: Das Modell ist in sich stimmig, aber falsch skaliert, verdreht oder falsch referenziert. Meist zu wenige oder zu einseitig verteilte Passpunkte.
• Passpunkte sehr gut, Kontrollpunkte deutlich schlechter: Überanpassung. Die Lösung wurde auf die Passpunkte gezogen und trägt diese Qualität nicht in die Fläche.
• Lage gut, Höhe schlecht: Höhenbezug, Flughöhe zu konstant, fehlende Schrägaufnahmen oder ein Datumsproblem.
• Annähernd konstanter Höhenversatz über alle Kontrollpunkte: Kein Rauschen, sondern ein systematischer Fehler. Fast immer ein falsches Geoidmodell, eine ellipsoidische statt orthometrischer Höhe oder ein nicht berücksichtigter Antennen-Offset.
• Hoher Reprojektionsfehler an einzelnen Markern: Die Bildmessung selbst ist unsicher. Projektionen einzeln durchklicken und schlecht getroffene entfernen, statt den Punkt komplett zu verwerfen.

Was in den Bericht gehört

Ein belastbarer Genauigkeitsnachweis besteht aus mehreren Angaben: der Bodenauflösung, dem verwendeten Koordinatensystem samt Höhenbezug und Geoidmodell, der Anzahl und Verteilung von Pass- und Kontrollpunkten, dem Verfahren der Einmessung sowie dem RMSE der Kontrollpunkte, getrennt nach Lage und Höhe.

Eine nützliche Einordnung ist das Verhältnis von Kontrollpunktfehler zur Bodenauflösung. Bei einer GSD von zwei Zentimetern ist eine Lageabweichung von etwa drei Zentimetern, also rund dem Anderthalbfachen, ein plausibles Ergebnis. Weicht ein Projekt stark davon ab, lohnt die Ursachensuche, bevor abgeleitete Produkte gerechnet werden. Ein fester Grenzwert lässt sich daraus nicht ableiten, denn maßgeblich ist immer die vertraglich vereinbarte Toleranz, und die gehört vor die Befliegung, nicht hinter die Auswertung.

Wer diese Trennung einmal sauber eingerichtet hat, gewinnt vor allem Sicherheit in der Kommunikation. Statt eine einzelne Zahl zu verteidigen, lässt sich zeigen, an welchen unabhängigen Stellen wie stark abgewichen wurde und wie das zur Bodenauflösung passt. In den folgenden Beiträgen dieser Reihe geht es darum, wie sich aus diesen Daten Volumen berechnen lassen und wann ein DGM statt eines DOM die richtige Grundlage ist. Eine Übersicht aller Metashape-Themen entlang des Arbeitsablaufs steht auf der Seite Metashape für Vermesser.