3.9 Photogrammetrischer Ansatz

Photogrammetrie
Sie ist eine eigenständige Methodik der Geofernerkundung und nutzt die mathematisch-geometrischen Information von Photographien (griechisch: Photo - grammetrie = Bild-Messung) zur genauen Erfassung der Topographie und quantifizierbaren Topologien. Wenn hochauflösende Fernerkundungsdaten, vor allem Luftbilder, verfügbar sind oder erstellt werden können, besitzen photogrammetrische Verfahren ein hohes Potential, an der Erdoberfläche sichtbare Erscheinungen zu interpretieren und ihre absolute Geometrie zu bestimmen. Sensoren der Photogrammetrie sind analoge und digitale photographische Systeme aber auch Scanner.

Die Leistungsmerkmale der Photogrammetrie sind:

- berührungslos (remote sensing)
- flexibler Aufnahmezeitpunkt
- Speicherung aller für den Sensor "sichtbaren" Oberflächeninformation bis hin zum Auflösungsvermögen des Sensors (ca. 30-40 Linien/mm bei photographischem Film, d.h. wenige cm/pixel)
- sehr effektive und geometrisch stabile Speicherung
- Information jederzeit extrahierbar und vielfältig analysierbar
- flächenhafte Information und mathematische Analyse.

Die Nachteile der Photogrammetrie sind :

- nur Oberflächendaten (Tiefeninformation zusammen mit z.B. Geophysik und Modellen)
- keine Wolkendurchdringung
- Probleme durch Beleuchtung, Schatten, fehlende Kontraste
- Verzerrungen (Zentralperspektive)
- hohe zeitliche Auflösung bei Luftbildern nur sehr aufwendig möglich
- hoher Bildflug- und Auswerteaufwand

Bei digitalen Luftbildkammern kommen zusätzlich die aufwendige Kalibrierung der Kammer, die notwendigen großen Speicherkapazitäten an Bord der Sensorplatform (Flugzeug) und des 'back up' (Datensicherung) dazu.

Für die Geowisssenschaften ist besonders die Aerophotogrammetrie wichtig. In ihr werden Luftbilder analysiert (z.B. bewegter Sensor, Bildflug). Die Aufnahme kann genähert als Senkrechtaufnahme gelten. Ihr gegenüber steht die terrestrische Photogrammetrie. Sie analysiert terrestrische Bilder unter gleichbleibenden Aufnahmebedingungen (z.B. Orientierungsparameter teilweise direkt messbar), aber die Aufnahmegeometrie ist in der Regel weit von der "idealen" Senkrechtaufnahme entfernt!

Mathematische Grundlagen oben
Für die Senkrechtaufnahme gilt (a):

Mb: Bildmaßstab
mb: Massstabszahl
c: Kammerkonstante (kalibrierte Brennweite)
hG: Flughöhe über Grund

Gleichung (a) gilt streng nur bei horizontalem, ebenen Gelände. Höhenunterschiede im Gelände verändern die Flughöhe über Grund und damit den Maßstab im entsprechenden Bildpunkt. Daher wird besonders im bewegten Gelände ein Maßstabsbereich (z.B. 1: 21.000-1: 25.000) oder ein mittlerer Maßstab (bezogen auf die mittlere Geländehöhe oder den Geländeauschnitt von besonderem Interesse) angegeben (Abb.3.9.1).

Für die Schrägaufnahme gilt die allg. Grundformel der Photogrammetrie (b) :

Der Bildverband oben
Bei Reihenbefliegungen und Überlappung von 60% sind auf mehreren Bildern ist derselbe Geländepunkt abgebildet (gemeinsame Tie-Points in zwei Bildern unter Paralaxenbildung: Stereoeindruck!). Durch das Projektionszentrum O und einen Bildpunkt wird eine Raumgerade aufgespannt. Werden in mehreren Bildern identische Bildpunkte gewählt bzw. deren Bildkoordinaten gemessen, kann ein unbekannter Geländepunkt bei bekannter Orientierung der Bilder durch 3-dimensionalen Geradenschnitt bestimmt werden. Die beiden Projektionszentren und der Bildpunkt, bzw. die beiden "Kernstrahlen" spannen eine "Kernebene" auf (c).

Die Bildorientierung oben
Die Bildorientierung umfasst alle Parameter die nötig sind um den Bezug zwischen dem Gelände/Objekt und seiner Abbildung herzustellen. Dies sind insbesondere

- Parameter der inneren Orientierung:
Lage des Bildhauptpunktes bezüglich des Projektionszentrums, d.h. unter anderem Kammerkonstante c (vgl. Gleichung (b)). Definition bezüglich der Rahmenmarken -> Rahmenmarken legen das Bildkoordinatensystem fest. Ein Messbild enthält mindestens vier Rahmenmarken, an jeder Seite des Bildes bzw. in den Ecken je eine. Der Ursprung der Bildkoordinaten ist in Bezug auf den Schnitt der Verbindungsgeraden der Rahmenmarken kalibriert. Die Rahmenmarken werden bei jeder Aufnahme auf das Messbild projiziert. Die Lage der Rahmenmarken ist kalibriert (Kalibrierungsprotokoll). Durch kalibrierte Rahmenmarken kann ausserdem ein möglicher Filmverzug festgestellt und berücksichtigt werden.

- Parameter der äusseren Orientierung:
räumliche Drehmatrix (3 unbekannte Drehwinkel)
Koordinaten des Projektionszentrums im System der Geländekoordinaten (3 unbekannte Translationen)
Maßstab

- Bestimmung durch Passpunkte, deren Geländekoordinaten bekannt sind. Durch Verwendung mehrer Passpunkte und Aufstellen eines entsprechenden Gleichungssystemes aus je einer Gleichung (2.2) pro Passpunkt können die Paramter der äusseren Orientierung bestimmt werden .

-Im Bildverband kann die äussere Orientierung in relative Orientierung (Orientierung der Bilder zueinander, aber ohne Geländebezug) und absolute Orientierung (Geländebezug des Bildverbandes) unterteilt werden.

Das Ein-, Zwei- und Mehrbildverfahren oben
Einbildverfahren
- Orthoprojektion (OP): Bei bekannter Geländehöhe (z.B digitales Höhenmodell DHM) und bekannter Bildorientierung können für jeden Bildpixel die Lagekoordinaten im Geländesystem berechnet werden. Damit kann das Bild in eine definierte Projektion transformiert werden (zumeist Orthogonalprojektion, aber z.B. auch Perspektiven). Es erfolgt eine flächenhafte (bildweise) Bildverarbeitung (Abb. 3.9.4).

Probleme: Durch Verdeckung im Originalbild kann es zu fehlender Bildinformation kommen. Als Folge werden Lücken einfach 'aufgefüllt'. Höhenfehler im zugrundeliegenden DHM führen zu Lagefehlern im OP (vergleiche dh und dr in Abb. 3.9.2; z.B. verkippte Häuser, Brücken oder Bäume, die im DHM nicht enthalten sind). Anwendung: Aufdeckung von DHM-Fehlern durch Vergleich zweier OP, die aus verschiedenen Bildern, aber demselben DHM erstellt wurden, denn DHM-Fehler führen zu unterschiedlichen Lagefehlern in beiden OP!

Im Orthophoto sind dann direkt Messungen (xyz) möglich (Abb. 3.9.5) . Eine Überlagerung ist mit anderer, vor allem vektorieller Information möglich. Zugleich Erhaltung des hohen Informationsgehaltes eines Bildes. Die Integration des OP ist als Datenebene in ein GIS nun erst möglich! Digitalisierung am Bildschirm direkt in Geländekoordinaten (orthogonaler Raumbezug!).

- Monoplotting: Bei bekannter Geländehöhe (DHM) und bekannter Bildorientierung können aus den Bildkoordinaten eines Punktes seine 3D-Koordinaten im Geländesystem berechnet werden. Punktweise Bildauswertung.

Zweibild- (Stereo-) verfahren oben
- Punktbestimmung: Bestimmung der 3D-Geländekoordinaten von Geländepunkten durch Messung der Bildkoordinaten desselben Punktes (identisch, korrespondierend) in beiden Bildern (vgl. Abb. 3.9.3). Diese Messung kann theoretisch sequentiell oder gleichzeitig (simultan) in beiden Bilder erfolgen. In der Praxis geschieht die Messung in der Regel simultan unter Ausnutzung des Stereoeindruckes. Weiter wird in entsprechenden Auswertegeräten berücksichtigt, dass der gesuchte Punkt und die beiden Projektionszentren eine Ebene aufspannen (Kernebene). Diese geometrische Zusatzbedingung reduziert bei der Auswertung die Freiheitsgrade bei der Suche der korrespondierenden Punkte. Bei Messung von Einzelpunkten werden die Koordinaten punktweise abgespeichert. Durch Abfahren einer Linie (z.B. Grundrisslinie, Höhenlinie, Höhenprofile) und kontinuierliche (inkrementelle) Aufzeichnung der Koordinaten kann (quasi) linienweise ausgewertet werden.

- Grundriss- / Lageauswertung: Bestimmung der ebenen Geländekoordinaten (2D, X und Y) von Punkten und Linien, von denen nur deren Lage interessiert (Seeränder, Wege/Strassen/Häuser für Lagekartierungen, Umrisse etc.). Genauigkeit in der Praxis mit hochpräzisen Auswertegeräten bis ca. 10-40 µm.

Vorsicht: Definitionsunsicherheit im Gelände!

- Höhenauswertung: Bestimmung von 3D-Geländekoordinaten von Einzelpunkten, Linien, Höhenlinien, Höhenprofilen, Punktrastern, Bruchkanten und anderen (z.B morphologisch bedeutsamen) Punkten und Linien -> z.B. Erstellung eines DTM! Genauigkeit bis zu ca. 0.02% der Flughöhe über Grund (hG; vergleiche Gleichung (2.1) und Figur 2.1 ). Unter Umständen sind die Lagekoordinaten der zu bestimmenden Punkte bereits definiert, und dann nur noch jeweils die Höhen zu messen (z.B. regelmässiges Raster-DTM, Höhenprofil).

- Wiederholung obiger Auswertungen: Multitemporale Auswertungen. Veränderungen im Grundriss (z.B. Infrastruktur, Flüsse, Waldbrände, Lava, Gletscher, Vegetation etc.) und in der Höhe (z.B. Massenverschiebungen).

Mehrbildverfahren oben
Verknüpfung eines Bildverbandes über identische Bildpunkte -> gemeinsame Orientierung. Aerotriangulation: Keine Orientierungsübertragung bekannter Geländepasspunkte für jedes Einzelbild, sondern (automatisiert) über den ganzen Bildblock verteilt. Bestimmung der Orientierungsparameter, der Pass- und anderer Punkte im Zuge einer gemeinsamen Ausgleichung (Bündelblockausgleichung).

Punktbestimmung einzelner Punkte nicht nur aus zwei, sondern mit mehreren Bildern -> Schnitt von mehr als zwei Geraden = überbestimmter Geradenschnitt. Nur rein rechnerisch möglich (digitale Photogrammetrie), da Betrachter nur in maximal zwei Bilder simultan messen kann.

Auswertegeräte oben
Analoge Auswertegeräte
Analoge Datengewinnung und -ausgabe mittels "mechanischer Rechner" ist allg. veraltet aber natürlich möglich. Es kommt zu einer mechanische Wiederherstellung der Aufnahmegeometrie z.B. durch Drehung der Bildplatten, auf denen die Luftbilder eingelegt sind um mehrere Freiheitsgrade/Raumachsen. Massstabseinstellung z.B. durch Linealsysteme. Die graphische Aufzeichnung der Messungen erfolgt über Hebel auf auf einem Zeichentisch.

Analytische Auswertegeräte - Analytische Photogrammetrie
Prinzip: Analoge, aber computergestützte Messung von Bildkoordinaten bzw. Anfahren von festgelegten Bildkoordinaten. Alle anderen Schritte erfolgen durch Berechnungen in den Gleichungen b) und c).

Analytische Plotter: Computergestützte analoge Datengewinnung (Bilder physisch vorhanden -> mechanische Einstellung von Bildkoordinaten -> digitaler Abgriff und Weiterverarbeitung der Bildkoordinaten). Computergestütze Berechnung und Speicherung der Orientierungsparameter, computergestützte (rechnerische) Wiederherstellung der Aufnahmegeometrie, automatisches Anfahren von Punkten mit bekannten Geländekoordinaten, digitale Speicherung und Verarbeitung von Messergebnissen (Koordinaten-Tripel = Vektordaten = Vollpasspunkt!)

Digitale Photogrammetrische Systeme - Digitale Photogrammetrie oben
Die digitalen photogrammetrischen Verfahren reichen von der Datenaufnahme (meist noch Scannen analoger Bilder, aber zunehmend direkte digitale Bildaufnahme, CCD-Kameras) bis zur Verarbeitung von Vektor- und Rasterdaten. Digitale Photogrammetrie mit Monosystemen (normale, leistungsfähige Hardware, aber spezielle Software) ist auch möglich. Z.B. digitale Orthoprojektion oder Monoplotting. Bei Stereosystemen spielt vor allem die Stereobetrachtung am Bildschirm (nicht immer nötig!) eine große Rolle. Hier werden den Augen getrennte Bilder zugeführt. Dies erfolgt durch Stereoskope, Anaglyphen (Farbtrennung), polarisiertes Licht oder Shutter-Brillen. (Neuste Entwicklung: autostereoskopisches LC Display = paralleles Licht). Mittels des Steroeffektes in Ortholuftbildpaaren können auch 3D-Formen (Features) extrahiert werden, so z.B. Gebäude, Landschaftselemente oder Reliefformen (Abb. 3.9.9).

Zusammenfassende Charakteristika der digitaler Photogrammetrie:
Vorteile
- keine spezielle, hochpräzise, mechanischen Geräteteile
- keine mechanisch bedingten Messungenauigkeiten keine Kalibrierung der Auswertegeräte
- kein physischer Umgang mit Photographien
- geometrisch absolut stabile Lagerung (durch Speicherung der digitalen Bilder)
- Kombination von manueller, halbautomatischer und automatischer Messung/Bildverarbeitung/Bildanalyse möglich
- Kombination verschiedener Sensoren möglich
- Datengewinnung, -Verarbeitung, -Editierung, -Speicherung und -Verwaltung in einem System
- Mehrbildverarbeitung (>2) möglich (vgl. Abb. 3.9.6)
- Finden und Messen identischer Punkte in mehreren Bildern durch automatische digitale Grauwertkorrelation (-> z.B. automatische DHM-Messung)

Nachteile (gegenüber der analytischer Photogrammetrie)
- Zahlen: Auflösung derzeitiger CCD-arrays: max 10µm
- Auflöung menschliches Auge: 70µm (aber Vergrösserungen möglich!)
- Auflösung Bildschirm 200-300µm
- Speicherbedarf eines optimal gescannten Luftbildes im Bereich GByte!

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