Grundlagen und Verfahren der Luftbild Photogrammetrie

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1 Grundlagen und Verfahren der Luftbild Photogrammetrie Grundvorlesung in den Studiengängen Vermessung (3. Semester) und Geoinformatik (5. Semester) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 1

2 Sokrates, v. Chr. Wir müssen uns erheben über die Erde, hoch in die Atmosphäre und darüber hinaus. Erst dann werden wir die Welt verstehen in der wir leben. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 3

3 Lernziel Kennenlernen der Methoden und Verfahren der Photogrammetrie mit der Zielsetzung: einen Überblick über den aktuellen Stand und Entwicklungstendenzen der Technologie zu erhalten, Lösungsansätze für den möglichen Einsatz des Verfahrens vorgeben zu können, Ergebnisse photogrammetrischer Messungen beurteilen zu können, HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 4

4 Lernziel Kennenlernen der Methoden und Verfahren der Photogrammetrie mit der Zielsetzung: die Wirtschaftlichkeit des Messverfahrens abschätzen zu können, mögliche neue Aufgabenbereiche zu erkennen. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 5

5 Inhalte Überblick über Einsatzgebiete von Photogrammetrie und Fernerkundung Mathematische Grundlagen Koordinatensysteme Ebene und räumliche Koordinatentransformationen Zentralperspektive HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 6

6 Inhalte Photogram. Aufnahmesysteme Metrische Kameras (Definition der Inneren Orientierung) Analoge Messkameras (ein Rückblick) Fotografische Aspekte (Digitalisierung analoger Bilder) Digitale Messkameras HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 7

7 Inhalte Bildflug Bildflugplanung Navigation (Einsatzmöglichkeiten von GPS und Inertialsystemen) Zweibildauswertung Grundlagen Stereoskopisches Sehen und Messen Stereoauswertesysteme Orientierungsverfahren in der Stereoauswertung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 8

8 Inhalte Bildtriangulation Grundlagen (Blockausgleichung mit unabhängigen Modellen) Bündelblockausgleichung Genauigkeitsaspekte der Luftbildmessung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 9

9 Inhalte Anwendungen und Produkte der Stereoauswertung Einzelbildauswertung Digitales Orthophoto Methoden und Verfahren zur automatisierten Auswertung Flugzeuggetragenes (Airborne) Laserscanning HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 10

10 Google Earth HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 11

11 Google Earth HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 12

12 Google Earth HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 13

13 Google Earth HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 14

14 Google Earth HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 15

15 Photogrammetrie und Fernerkundung Verfahren zur Vermessung von Objekten nach Lage und Form. Messungen nicht direkt am Objekt, sondern indirekt auf Bildern des Objekts. Bedeutendste Dokumentationsmethode sind aerophotogrammetrische Messbilder, die im Rahmen von Bildflügen aufgenommen werden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 16

16 Definition Photogrammetrie: Verfahren zur Vermessung von Objekten nach Lage und Form. Messungen nicht direkt am Objekt, sondern indirekt auf Bildern des Objekts. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 17

17 Hilfsmittel (Analoge) und digitale Sensoren Messkameras, sonstige Abtaster im sichtbaren und nicht sichtbaren elektro magnetischen Spektrum Gerätetechnik zur Umsetzung der Bildinformation Digitale Stereoauswertegeräte Mathematische Verfahren zur Bildverarbeitung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 18

18 Ergebnisse der Auswertung Das Bild als solches Photointerpretation Entzerrte photographische Bilder Orthophotos Koordinaten (2D oder 3D) einzelner Objektpunkte Digitale Geländemodelle Karten in analoger oder digitaler Form Grundrißdarstellungen, Höhenlinien HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 19

19 Photogrammetrie Ergebnisse Das Bild als solches (Photointerpretation) Entzerrte photographische Bilder (Orthophotos) Karten in analoger oder digitaler Form Digitale Geländemodelle Perspektive Ansichten HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 20

20 Bildinterpretation Die Bildinterpretation liefert für Fragestellungen der Geographie, der Archäologie, der Landwirtschaft, des Forstwesens, der Hydrologie, der Gewässerkunde und der militärischen Erkundung wesentliche Daten. Fernerkundung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 21

21 Bildinterpretation ggf. geometrische Verarbeitung radiometrische Bildaufbereitung visuelle Interpretation qualitative Interpretation über das Vorkommen und/oder den Zustand abgebildeter Objekte. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 22

22 Bildmessung Setzt visuelle Interpretation voraus Messung geometrische Weiterverarbeitung Messung der Erdoberfläche und ihre Darstellung in Plänen und topographischen Karten, analoge und digitale Endprodukte, nicht topographische Messungen (Industrie, Architektur etc.) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 23

23 Bildmessung Geometrische Aspekte stehen im Vordergrund Die Auswertung kann punktweise, linien oder bildhaft erfolgen. Punktweise: direktes Messen von Einzelpunkten am Objekt Linienhaft: direktes Messen linienhafter Objektdetails (Straßen u. Wege, Grenzen, Höhenlinien) Bildhaft: Umformung des perspektiv verzerrten Bildes in ein kartenähnliches Endprodukt HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 24

24 Bildmessung Das gewünschte Endergebnis bestimmt die Auswertestrategie, d.h. einzusetzende Gerätetechnik und Verfahren. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 25

25 Airborne Laser Scanning Das Airborne Laser Scanning System erlaubt die berührungslose Erfassung der Geländeoberfläche mit hoher Präzision. Der Laserstrahl des Scanners wird quer zur Flugrichtung abgelenkt und ein Geländestreifen entlang des Flugwegs mit einer Zick Zack Linie abgetastet. Die Entfernung zur Erdoberfläche wird über Laufzeitmessung ermittelt. Die äußere Orientierung, d. h. die Position und die Lage des Sensors im Raum, wird aus GPS und Inertialmessungen berechnet. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 26

26 Airborne Laser Scanning Die mittlere Lagegenauigkeit liegt bei 1m, Höhengenauigkeit bei 15 cm. Das für viele Anwendungsgebiete sehr wirtschaftliche System besitzt den Vorteil auch in schwer zugänglichen Bereichen, wie z.b. in Waldgebieten, gute Höhenergebnisse zu liefern. Für nicht zu dichte Waldgebiete sind Befliegungen mit dem Airborne Laser Scanner praktisch die einzige Möglichkeit, Höheninformationen zu akzeptablen Kosten zu gewinnen. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 27

27 Fernerkundung Ein Bildaufzeichnungsverfahren mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlichster Spektralbereiche, insbesondere aus Luft und Raumfahrzeugen. Neben der Photographie im sichtbaren Bereich sind es z.b. die Aufnahmesysteme in den Bereichen des nahen, mittleren und fernen Infrarot, der Radar und Mikrowellen sowie des Ultravioletts. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 28

28 Elektromagnetisches Spektrum Art der Strahlung Wellenlänge nm=10-9 m Frequenz Ghz=109 Hz Mhz=106 Hz Khz=103 Hz Bereich Verwendung Detektor Sichtbares Licht nm 3.8*1014Hz - 7.9*1014Hz gut durch Atmosphäre passive Fernerkundung, Sicht Photographie, Photodiode Infrarot, nah 780nm-1µm 3.0*1014Hz - 3.8*1016Hz gut durch Atmosphäre passive Fernerkundung Photographie, Photodiode Infrarot, mittel 1µm-8µm 3.7*1013Hz - 3.0*1014Hz in Fenstern durch Atmosphäre passive Fernerkundung Quantumdetektor Infrarot, thermal 8µm-1mm 3*1011Hz - 3.7*1013Hz in Fenstern durch Atmosphäre, Tag und Nacht passive Fernerkundung Quantumdetektor Mikrowellen 1mm-1m 300*MHz - 300GHz Tag und Nacht durch Wolken hindurch aktive Fernerkundung Antenne HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 29

29 Fernerkundung: Landsat Launch Date: Landsat 1: 1972 (first generation 1 to 3 / RGB and MSS sensors) Landsat 4: 1982 (second generation 4 and 5 / MSS and TM sensors) Landsat 7: 1999 (third generation / ETM+ sensor) Spectral Visible, near, medium and thermal infrared Sensitivity: Sensors: MSS TM ETM+ Resolution: 80 m 30 m (120 m thermal IR) 15 and 30 m (60m thermal band) Swath Width (Km): 183 x x x 172 Frequency of Pass: 18 days 16 days 16 days Coverage: worldwide worldwide worldwide HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 30

30 Fernerkundung: Landsat HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 31

31 Fernerkundung: Landsat HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 32

32 Fernerkundung: Quickbird Launch Date: October 2001 Altitude: 450 km Spectral Sensivity: Visible and near infrared Sensors: Panchromatic Multispectral Resolution: 61 cm to 72 cm 2.44 m to 2.88 m Swath Width (Km): Frequency of Pass: 16.5 km at nadir 16.5 km at nadir 1- to 3 days 1- to 3 days Coverage: worldwide worldwide HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 33

33 Fernerkundung: Quickbird Jährliche Aufnahmekapazität: 75 Mio. km² HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 34

34 Fernerkundung: SRTM Shuttle Radar Topography Mission Mit dem Start der Raumfähre Endeavour am 11. Februar 2000 begann eine bisher einzigartige Mission zur Kartierung der Erde: die interferometrische SRTM-Mission. Innerhalb von nur elf Tagen umrundeten zwei Radarsysteme an Bord der Endeavour 182 mal die Erde und zeichneten hochgenaue topographische Daten der Erdoberfläche auf. Ziel war es, ein hochaufgelöstes, einheitliches und flächendeckendes digitales Höhenmodell der Erde im Bereich zwischen dem 60. Grad nördlicher und dem 54. Grad südlicher Breite zu erstellen. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 35

35 Fernerkundung: SRTM SRTM verwendete zur Datenerfassung ein bisher einzigartiges Aufnahmeverfahren: Neben der Radarantenne in der Ladebucht des Shuttle empfing eine zweite Antenne am Ende eines 60-m-langen Mastes die von der Erde reflektierten Radarpulse zur gleichen Zeit. Das Ergebnis: Ein globales Höhenmodell mit einer vertikalen Genauigkeit von 6 m und einem horizontalen Pixelabstand von 30 m. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 36

36 TanDEM X TerraSAR-X-Add-on stellt eine TerraSAR-X- Erweiterung für digitale Höhenmessungen dar. Ist ein deutscher Radarsatellit, der gemeinsam mit dem Satelliten TerraSAR-X mittels SAR (Synthetic Aperture Radar) im X-Band die Erdoberfläche stereographisch vermessen soll HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 37

37 TanDEM X HS BO Lab. für Photogrammetrie: Grundlagen und Verfahren der Luftbildphotogrammetrie 38