GIS, Geodaten, Geoinformatik - Photogrammetrie

Differenzialentzerrung

nospam@example.com (GIS) — Mon, 26 Jan 2009 10:00:00 +0100

Bei der Differenzialentzerrung oder auch differenzielle Entzerrung wird das Bild eines dreidimensionalen Objektes wie bei der Photogrammetrie z.B. ein Luftbild in kleine Bildsegmente unterteilt.

Im Gegensatz zur ebenen Entzerrung als Näherungsverfahren werden hier die unterschiedlichen Geländehöhen durch ein digitales Geländmodell berücksichtigt. Differentiell deswegen, weil nicht das ganze Bild mit denselben Parametern, sondern kleinere Einheiten bis zur Größe des einzelnen Pixels mit eigenen Parametern entzerrt werden.

Wenn das Luftbild mit einem DGM (digitales Geländemodell) entzerrt wurde, spricht man von einem Orthofoto. Die Verwendung des DGM mit seinen Punkten auf Geländehöhe ist historisch bedingt. Daher sind bei einem Orthofoto Gebäude nicht korrekt entzerrt.

Seit der Verwendung digitaler Verfahren werden auch DOM (digitales Oberflächemodell) verwendet um damit ein sogenanntes True Orthofoto zu erzeugen. Die Differenzialentzerrung wurde auch schon zu analogen Zeiten angewendet und hat nichts mit digitaler Entzerrung zu tun.

Da das Raster der Geländehöhen (z.B. 5 m) typischerweise grober als das eines Luftbilds (z. B. 12 cm) wird dann auch nicht pixelweise entzerrt. Hier wird die sogenannte Ankerpunktmethode verwendet, bei der Pixelgruppen in der Rasterweite des DGM entzerrt werden. Zwischen den Eckpunkten des Vierecks wird bilinear transformiert um die Torsion des Vierecks im Raum zu interpolieren.

Resampling-Verfahren

nospam@example.com (GIS) — Sun, 25 Jan 2009 10:30:00 +0100

Unter dem Resampling versteht man die Neuordnung der Daten des Eingabebildes in der Matrix des Ausgabebildes. Dabei ist üblichweise für das Ausgabebild ein gewünschter Maßstab zu verwenden, der nicht mit dem des Eingabebilds übereinstimmt, aber für die weitere Verwendung (Messungen auf dem Bild) aus praktischen Gründen gewählt wurde (z. B. 1 Pixel soll 20 cm entsprechen).

Dazu gibt es zwei Verfahren, die diirekte Transformation und die indirekte Transformation. Bei der direkten Transformation wird für jedes Pixel im Eingabebild die Lage des Pixels im Ausgabebild bestimmt. Dabei können sich jedoch Lücken ergeben, so dass in dem entstehenden unregelmäßigen Bildraster die Grauwertmatrix zusätzlich hergestellt, also die Lücken mit Grauwerten gefüllt werden müssen. Außerdem ist diese Abbildung nicht zwingend eindeutig, möglicherweise werden mehrere Punkte aus der Eingabemenge auf einem Pixel der Ausgabemenge abgebildet.

Bei der indirekten Transformation wird die Inverse der Transformationsmatrix gebildet und dann der umgekehrte Weg gegangen. Also jedes Pixel im Ausgangsbild wird berechnet indem auf das Eingabebild zugegriffen wird. Die indirekte Transformation hat sich gegenüber der direkten Transformation auch durchgesetzt. Da sich allerdings keine ganzzahligen Koordinaten für das Eingabebild ergeben, müssen Zwischenwerte interpoliert werden (im Eingabebild gibt es keinen Punkt, x=300.234/y=222.567, sondern nur einen Punkt wie x=300/y=222).

An dieser Stelle muss man sich für eins der drei gängigen Verfahren zur Interpolation entscheiden, die auch bei der Skalierung von Bilder in Bildbearbeitungsprogrammen wie Gimp oder Photoshop verwendet werden. Auch hier hat man das Problem, für eine nicht ganzzahlige Skalierung oder Drehung die Grauwerte zwischen den Bildpunkten zu interpolieren.

Im einfachsten Fall nimmt man einfach die Farbe des nächsten Nachbarpixels ("Nearest-Neighbor"), also so gesehen werden die berechneten Koordinaten im Eingabebild kaufmännisch gerundet um auf ganzzahlige Koordinaten zu kommen und dessen Grauwert dann verwendet. Ein einfaches Verfahren, für das man kaum Rechenaufwand benötigt. Dabei kann es aber dazu kommen dass ein Pixel im Originalbild seinen Grauwert an mehrere Pixel im Ergebnisbild abgeben kann und es zu unschönen Treppeneffekten kommt.

Besser ist hier schon die Bilineare Interpolation, bei der der gesuchte Grauwert durch lineare Interpolation zwischen den vier Grauwerten der direkt benachbarten Pixel ermittelt wird. Dadurch kann der Treppeneffekt verringert werden, aber der Rechenaufwand wird deutlich größer, da hier eine zeitaufwendigere Division für den Mittelwert dazu kommt.

Da beste Ergebnis bekommt man mit der über Bikubische Interpolation, dabei werden die vier mal vier umliegenden Pixel (statt zwei mal zwei wie eben) für eine Interpolation höherer Ordnung verwendet. Damit steigt aber auch der Rechenaufwand noch einmal deutlich weiter an.

Kritische Blende

nospam@example.com (GIS) — Sun, 25 Jan 2009 10:00:00 +0100

Die Blende regelt die Lichtmenge in einem Objektiv und ist verstellbar. Die dabei angegebene Blendenzahl ist reziprok zur Größe der Blendenöffnung, eine große Blendenzahl steht für eine kleine Öffnung und umgekehrt.

Ist die Blende weit offen treten Unschärfen durch die Aberration auf, abhängig von der Brennweite des Objektivs mehr oder weniger. Die Verstellbarkeit der Blende in einem Objektiv erlaubt in der Fotografie verschiedene Effekte wie den bewussten Einsatz von Tiefenschärfe.

Für eine hohe Tiefenschärfe braucht man eine kleine Blendenöffnung ("große Blende", z.B. f8 oder mehr) und außerdem bei gleicher Belichtungsdauer relativ viel Licht. Allerdings wird das Auflösungsvermögen auch immer schlechter, desto weiter man die Blende schließt, das hängt mit der Beugung des Lichts zusammen. Diese Beugungsunschärfe ist auch unabhänig vom verwendeten Objektiv.

Die kritische Blende ist nun die, bei der ein Kompromiss zwischen diesen beiden Effekten gefunden wurde, ein typischer Wert dafür ist f5,6 bei den üblichen Kleinbildkameras.

Projektive Entzerrung

nospam@example.com (GIS) — Mon, 05 Jan 2009 13:21:46 +0100

Luftbillder müssen entzerrt werden um im Bild messen zu können. Grundsätzlich wird dabei das Bild transformiert in ein ebenes Koordinatensystem um das Luftbild wie eine Karte nutzen oder die Fortführung von Karten durchführen zu können. Auf dem transformierten Luftbild kann man dann Koordinaten abgreifen (z.B. mit Rechtswert und Hochwert).

Das Problem bei ebener projektiver Entzerrung ist allerdings, dass zwar in Bodennähe alles gut passt, aber bei Höhenabweichungen von der Entzerrungsebene Lagefehler entstehen, die ein korrektes Abgreifen von Koordinaten verhindern. Dies ist im Gegensatz dazu bei Karten problemlos möglich, weil diese eine saubere Parallelprojektion darstellen und einen konstanten Maßstab haben.

Der maximale Lagefehler DR berechnet sich nach DR=DZ*rho/c, wobei rho für den Abstand des Bildpunkts zum Projektionszentrum auf dem Film und c für die Kammerkonstante der Kamera steht. Anders ausgedrückt: Der maximale Lagefehler ist proportional zur Höhendifferenz, als Faktor kommt hier der Quotient von Abstand des Bildpunkts zur Mitte des Films und der Brennweite der Kamera dazu.

Bei Befliegung mit einer Zeilenkamera tritt in Flugrichtung natürlich kein Lagefehler auf da in dieser Richtung immer in Richtung Nadir (senkrecht zum Projektionszentrum) aufgenommen wird. Wie vorteilhaft dies nun ist hängt davon ab welchen Hersteller man fragt.

Genau dieser Effekt mit der Lageungenauigkeit ist aber der Grund dafür, dass das entzerrte Bild kein Orthofoto ist. Hier muss man nämlich wie auf einer Karte an allen Stellen auch Koordinaten abnehmen können!

Luftbild-Entzerrung mit ERDAS IMAGINE

nospam@example.com (GIS) — Mon, 15 Dec 2008 17:22:41 +0100

In diesem Beispiel soll ein gescanntes Luftbild der 23cm-Klasse entzerrt werden. Das Verfahren ist so ähnlich wie bei den anderen Beispielen und daher soll hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden. Dazu wird das Luftbild in den Viewer geladen und die Größe in Pixel aus den Informationen geholt:

Im Bild und auf einer georeferenzierten Flurkarte werden dann Passpunkte gesucht. In diesem Fall werden Hausecken in Bodennähe verwendet:

Der Bildmaßstab von 1:6000 bedeutet bei 16864x16864 Pixel und der üblichen Filmgröße von 23x23 cm eine Pixelgröße von 13,6 µm und einer Pixelgröße in der Natur von 0,081 m. Das fertige Bild darf also keinefalls schlechter berechnet werden, wenn Informationsverlust vermieden werden soll. Da die Abgreifgenauigkeit auf der Flurkarte ohnehin 0,2 mm beträgt muss hier allerdings durch den Maßstab 1:1000 bedingt nicht weniger als 0,2 m für ein Pixel gewählt werden. Die Identifikationsgenauigkeit im Bild ist dabei noch gar nicht berücksichtigt:

Das fertige entzerrte Luftbild (sagen wir mal Orthofoto trotz des geometrischen Versatzes) kann dann zur Kontrolle in einen Viewer geladen werden und die Flurkarte als transparenter Layer zur Kontrolle geschaltet werden:

Typologie der Großbildkameras für Luftbilder

nospam@example.com (GIS) — Mon, 15 Dec 2008 16:58:09 +0100

Allen Typen digitaler Grossbildkameras ist gemeinsam, dass sie keinen Chip in der benötigten Größe verwenden können. Nur etwa ein Viertel der benötigten Fläche des CCD-Array ist bedingt durch die Größe der Silizium-Wafer in der Herstellung möglich. Man muss daher tricksen, um auf die erforderlichen Fläche zu kommen. Dabei setzen die Gesetze der Zentralkprojektion dem ganzen Grenzen, wenn man zu verwertbaren Aufnahmen kommen will. Dabei geht es vor allem um die panchromatischen Graustufenbilder, die RGBI-Kanäle müssen nicht so eine hohe Auflösung haben, da ein Pan-Sharpening möglich ist.

Patchwork-Typ
Typische Vertreter: Ultrcam/Vexcel
Hier sind 4 Kameras hintereinander eingebaut. Die gleiche Fokaleben wird beim überfliegen durch nacheinander ausgelöst Aufnahmen mit genau berechneter Aufnahmezeitdifferenz entsprechend der Fluggeschwindigkeit. Damit wird für alle vier Aufnahmen eine vergleichbare äußere Orientierung (Position, Lage) hergestellt. 9 CCD-Arrays mit 2088x2676 Pixel werden für ein Bild so verschachtelt dass sich eine große Aufnahme herausrechnen lässt. Da die Farbkanäle geringere Auflösung haben muss hier mit dem Pan-Sharpening nachgearbeitet werden. Die Kameras für die Farbkanäle haben geringere Brennweite (und dafür auch höhere Lichtstärke).

Butterfly-Typ
Typische Vertreter: DMC Intergraph
4 CCD-Array mit 7000x4000 Pixel für den panchromatischen Kanal bzw. 4 CCDs mit 3072x2048 Pixel für RGBI werden als Sensoren gegeneinander verkippt. Das Bild muss daher zum Zusammensetzen entzerrt werden, dabei sind Verfahren der automatischen Punktzuordnung im Einsatz, wie man sie z.B. als Stitcher für die Erstellung von Panoramen kennt. Das entzerrte Bild erinnert an einen Schmetterling und gab dem Verfahren seinen Namen.

Zeilensensor-Typ (Pixelteppich)
Typische Vertreter: ADS 40 von Leica Geosystems
Hier werdem 3 CCD-Zeilen mit je 2x12000 Pixel eingesetzt, alternativ 4 CCD-Zeilen mit je 12000 RGBI-Sensoren. Es wird also ein 12000 Pixel breiter Streifen von der Erde "abgescannt". Man spricht hier auch von einem Dreizeilensensor. Dabei ergibt sich eine kontinuierliche Aufnahme mit Vorwärtsblick, Nadir (Blick direkt nach unten) und Rückwärtsblick. Diese drei Blicke erlauben die sich ständig ändernde Position des Projektionszentrums zu kompensieren. Der Aufwand ist erforderlich, da das Flugzeug um seine Achse rollt (Roll), seine Neigung ändert (Pitch) und unterschiedliche Höhen fliegt (Yaw).

Befliegung

nospam@example.com (GIS) — Wed, 03 Dec 2008 18:44:24 +0100

Die Befliegung ist das systematische Überfliegen eines Gebiets um die Luftbilder aufzunehmen. Dazu werden meist kleine Flugzeuge mit Propellerantrieb, seltener kleine Düsenjets verwendet. Die kleinen Maschinen wie die Cessna 206 der BSF Swisspohoto haben kleine Wendekreise und können daher schnell die nächste Bahn für die Befliegung ansteuern. Allerdings sind sie mit zwei Personen und Messkammer oder Laserscanner (im Bild unten eingebaut) auch bereits von der Nutzlast her an der Grenze.

Für die Befliegung ist auch etwas Übung vom Piloten gefragt, der die Maschine nach GPS-Gerät genau auf dem vorberechneten Kurs halten muss und sich dazu nur das Seitenruder verwenden darf, um die Maschine in der Waage zu halten.

Für die Luftbild-Photogrammetrie sind einige Umbauten am Flugzeug erforderlich. Zum einen müssen die Abgase an der Kamera vorbeigeleitet werden um das Bild nicht zu stören (siehe Seitenansicht). Vor allem muss aber ein Loch (das immerhin für verschiedene Geräte standardisiert ist!) in den Boden geschnitten werden. Dafür sind stabile Flugzeuge erforderlich und die Züge im Rumpf müssen aufwändig verlegt werden. Mit der Abnahme durch das Luftfahrtbundesamt kommt nur für diesen Umbau schnell eine Viertelmillion Euro zusammen.

Digitale Messbildkamera

nospam@example.com (GIS) — Wed, 03 Dec 2008 18:03:15 +0100

Die Digitalkamera unterscheidet sich von der analogen Variante zunächst einmal dadurch , dass statt fotografischen Filmen ein oder mehrere CCD-Sensoren verwendet werden. Dabei gibt es die Einschränkung, dass ein CCD in der üblichen Größe des Films einer Luftbildkameras mit 23x23 cm technisch derzeit nicht realisierbar sind.

Die hier gezeigte Microsoft/Vexcel UltraCam verwendet daher diese Technik, mehrere Sensoren zu verwenden, die dann zu einem großen Bild zusammengerechnet werden. Eine Alternative ist der Zeilensensor anderer Hersteller, um mit kleineren Sensoren eine nahezu gleiche Bildabdeckung wie bei Analog-Kameras zu erreichen.

Die digitale Technik bringt ein deutlich reduziertes Rauschen als bei gescannten Negativen und Einsparungen bei Film- und Entwicklungskosten, außerdem können die Luftbilder schneller weiterverarbeitet werden. Neben den besser abgestuften Belichtungsbereiche sind auch Multispektralaufnahmen möglich (meist Infrarot- und RGB-Bilder gleichzeitig). Die hier gezeigte Microsoft/Vexcel UltraCam X nimmt mit den beiden oberen und unteren Objektiven (bei Betrachtung wie auf dem Bild) die RGB-Farben und einen Infrarot-Kanal auf. Die Objektive in der Mitte nehmen hochauflösend panchromatische Graustufen auf (alle Farben des Spektrums).

Man benötigt leistungsfähige Computer an Bord des Flugzeugs für Luftaufnahmen, die in passenden Gehäusen mitgenommen werden müssen. In der Speicher-Einheit sind die Datenspeicher im Terabyte-Bereich doppelt gehalten, um kostspielige Ausfälle zu verhindern. Für den Datentransfer reicht Firewire nicht mehr aus, es sind locker 300 MB pro Luftbild an, die übertragen und gespeichert werden müssen. Daher wird hier das von Festplatten bekannte SATA verwendet.

Der Einsatz von digitalen Messkameras bringt erhebliche Investitionen mit sich, die hier abgebildete Konfiguration kostet mit eingebauten GPS-Empfänger aktuell (2008) etwa 750.000 Euro.

Dazu kommen noch weitere Kosten durch die veränderte Nachbearbeitung der Bilder: Personal muss geschult sowie Hard- und Software beschafft werden. Für den mobilen Einsatz reicht ein Notebook nicht mehr, hier gibt es Lösungen mit großen Datenspeichern. Für die Erstellung von digitalen Geländemodellen in 3D werden Arbeitsplätze mit Polarisationsfilter eingesetzt, die den räumlichen Eindruck mit speziellen Brillen mit Polfiltern ermöglichen.