Neue Möglichkeiten zur Erfassung von GI-Daten mittels digitaler Luftbildphotogrammetrie

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1 Neue Möglichkeiten zur Erfassung von GI-Daten mittels digitaler Luftbildphotogrammetrie Rainer KALLIANY, Gerhard PFAHLER und Harald MEIXNER Zusammenfassung Wesentliche Neuerungen, welche die UltraCam D als erste Kamera der 2. Generation von digitalen Luftbildkameras bietet, werden vorgestellt und diskutiert. Neben dem wesentlichen Gewinn an Produktivität durch den Wegfall der Filmkosten sowie das nunmehr ermöglichte durchgehend digitale Verfahren von der Aufnahme bis zum Datenprodukt machen vor allem auch die qualitativen Merkmale, wie hohe geometrische Auflösung, Kornfreiheit und großer Kontrastumfang, die digitale Luftbildphotographie attraktiv. Auf dem methodischen Sektor eröffnen sich durch die ohne wesentlichen Mehraufwand mögliche vielfache Bildüberdeckung und die damit gegebene hohe Redundanz neue Ansätze bei den automatischen Verfahren für Stereo-Matching, 3D-Modellierung und Objekterkennung. 1 Einleitung Eine der wichtigsten Informationsquellen für die klassische Planerstellung und Kartierung bzw. die Gewinnung von Geoinformationsdaten sind großformatige Senkrecht-Luftbilder. Mit den geometrischen Methoden der Photogrammetrie und einschlägigem thematischen Fachwissen können daraus GIS-Datensätze für die verschiedensten Aufgaben erstellt werden. Neben der gezielten Auswertung wird der Bildinhalt meist in maßstabsgerechte Orthophotos umgebildet sowie zunehmend auch zu dreidimensionalen Modellen ergänzt. Für die heute üblichen digitalen Methoden ist beim Einsatz von klassischen (filmbasierten) Aufnahmesystemen eine Digitalisierung des analogen Bildmaterials in speziellen Scannern, die das großformatige (23 23 cm) Filmmaterial geometrisch exakt mit hoher Auflösung (meist mit 20 µm) erfassen, erforderlich. Da das Scannen relativ zeit- und kostenintensiv ist, besteht aus operationellen Gründen schon lange der Wunsch, diesen Arbeitsschritt durch digitale Aufnahmeverfahren zu ersetzen, die bis vor kurzem auf dem zivilen Sektor jedoch nur in Satelliten eingesetzt wurden. Die Auflösung dieser Satelliten ist zwar inzwischen bis auf beachtliche 60 cm gesteigert worden, was aber abgesehen von der Frage der Verfügbarkeit und der Datenkosten für viele Anwendungen noch immer nicht ausreichend ist. Daher war die Entwicklung von flugzeuggestützten digitalen optischen Sensoren durch die bekannten Photogrammetrie-Firmen Leica (ehemals Wild) und Z/I Imaging (Zeiss/Intergraph) eine logische Entwicklung. Während die Zeilenkamera ADS-40 von Leica wie auch die Kombination von 4-Frame-Kameras in der DMC von Z/I Imaging sehr unterschiedliche Konzepte mit speziellen Abbildungseigenschaften sind, wurde beim neusten auf dem Markt gekommenen System von Vexcel Imaging Austria das bewährte Zentralprojektions-Konzept der klassischen Photogrammetrie weiterentwickelt.

2 310 R. Kalliany, G. Pfahler und H. Meixner Daher verspricht die neue UltraCam D als Digitalkamera der 2. Generation den Durchbruch zur operationellen Anwendung der digitalen Aufnahmetechnik zu schaffen was für alle Einsatzgebiete der Photogrammetrie einen entscheidenden Sprung nach vor bedeuten wird. In diesem Artikel werden das technische Grundkonzept der Kamera und seine Leistungsfähigkeit, die damit verbundenen Verarbeitungsmethoden und ersten Erfahrungen sowie mögliche neue Anwendungen vorgestellt. 2 Konstruktionsprinzip Derzeit und aus verschiedenen Gründen sicher auch nicht in absehbarer Zukunft gibt es keine digitale Flächensensoren, die auch nur annähernd das cm große Bildformat der klassischen Luftbildkameras in einer mit Filmmaterial vergleichbaren Auflösung abdecken. Daher arbeitet das System von Leica mit Zeilensensoren, die das Bild im Zuge des Fluges aufbauen. Dieses Konzept erfordert allerdings eine genaue Registrierung aller Bewegungen der Aufnahmeplattform und ein spezielles Post-Processing zur Entzerrung der Aufnahmen. Z/I verwendet die größten auf dem Markt verfügbaren Flächensensoren, muss aber trotzdem vier divergent ausgerichtete Kameras in einem Block zusammenfassen und kombinieren, um so eine mit dem klassischen Luftbild vergleichbare Auflösung erzielen zu können. Abb. 1: Digitale Luftbildkamera UltraCam D. Man erkennt die hintereinander in Flugrichtung angeordneten vier (das erste verdeckt) 100 mm-objektive der hochauflösenden panchromatischen Sensoren, sowie links und rechts davon je zwei 28 mm-koni für die Farb-Kanäle Blau, Grün, Rot und nahes Infrarot.

3 Neue Möglichkeiten zur Erfassung von GI-Daten mittels digitaler Luftbildphotogrammetrie 311 Von der Firma Vexcel Imaging Austria wird hingegen ein ganz anderer Weg beschritten (LEBERL, GRUBER et al. 2003): Die UltraCam D verwendet CCDs nach dem neuesten Stand der Sensortechnik, welche für die allgemeine professionelle Digitalphotographie in relativ großen Serien produziert werden. Im Gegensatz zu den kleineren Chips in den Consumer- Kameras sind diese Sensoren für das klassische Kleinbildformat mm dimensioniert und liefern digitale Bilder mit Pixel (also ca.10 Mpixel) bei 9 µm Pixelgröße. In der UltraCam D werden für den panchromatische (Schwarzweiß-)Kanal 9 dieser CCDs zu einem hochauflösenden Bild kombiniert. Da die CCD-Sensoren leider nicht lückenlos aneinandergesetzt werden können, müssen die neun Chips auf vier verschiedene Kamera-Koni aufgeteilt werden. Diese sind alle parallel senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet und mit demselben Objektivtyp (5,6/100mm) bestückt, sodaß alle Teilbilder völlig identische Abbildungseigenschaften haben. Der Konus, der vier CCDs in den Bildecken enthält, definiert als Master Cone die Geometrie des gesamten Bildes (LEBERL & GRUBER 2003). Die leicht überlappenden Aufnahmen der CCDs in den anderen Koni werden darauf eingepasst, sodass synthetisch ein Pixel großes Bild entsteht, das dieselben geometrischen Eigenschaften wie ein (fiktiver) entsprechender 85 Megapixel-Sensor hat. Abb. 2: Schematische Darstellung der Sensoranordnung in den 8 Objektiv-Koni der UltraCam D. Links: Neun panchromatische (mittlere Reihe) und vier Farb-CCDs (obere Reihe Infrarot und blau; unten rot und grün); Rechts: Geländeüberdeckung mit den neun panchromatischen Sensoren (nach GRUBER, LEBERL & PERKO 2003). Die Farbinformation stammt von vier weiteren Kamera-Koni mit 28 mm-objektiven und je einem CCD für Rot (R), Grün (G), Blau (B) sowie das nahe Infrarot (NIR). Diese Sensoren decken mit einer gegenüber dem hochauflösenden panchromatischen Sensorblock etwa um den Faktor 3 verminderten Auflösung dasselbe Gebiet wie der aus neun Sensoren zusammengesetzte panchromatische Kanal ab. Durch digitale Überlagerung ( Merging ) mit dem panchromatischen Daten können daraus hochauflösende Bilder in Echtfarben (RGB) oder Falsch -Farben ( Color Infrared CIR) erstellt werden.

4 312 R. Kalliany, G. Pfahler und H. Meixner Tabelle 1: Technische Daten der UltraCam D. Bildgröße (Pan-Kanal) Pixel (á 9 µm) Bildgröße (R/G/B/NIR-Knaäle) Pixel (á 9 µm) Objektiv (Pan-Kanal) 100 mm (f = 1:5,6) Objektiv (R/G/B/NIR-Kanäle) 28 mm (f = 1:5,6) Öffnungswinkel ca Bildwiederholrate bis zu 1 Sekunde Längsüberdeckung bis zu 99 % (flughöhenabhängig) Bewegungskompensation bis zu 50 Bildzeilen Bilddatenkodierung 16 bit (ca. 14 davon signifikant) Aufnahmekapazität Bilder (mit allen Kanälen) Größe/Gewicht (Sensoreinheit) cm/ca.40 kg Größe/Gewicht (Speichereinheit) cm/ca.45 kg Abb. 3: Digitale Luftbildkamera UltraCam D in der Cessna 206 von Bildflug Fischer, Klagenfurt. Rechts die Kamera im engeren Sinn (Sensor-Block SU); links die Datenspeichereinheit (Storage and Computing Unit SCU). Oben darauf das mobile Panel zur Steuerung und Kontrolle der Aufnahmen durch den Operateur. Neben der hohen geometrischen (Pixelgröße) und spektralen (Anzahl der Kanäle) Auflösung der UltraCam D stellt die weitgehende Rauschfreiheit und große radiometrische Bandbreite der CCD-Sensoren einen entscheidenden Vorteil dar. Letzteres erfordert die Kodierung der Grauwerte mit 16 Bit; was einen deutlich größeren Belichtungsspielraum als bei Filmmaterial ergibt. Dadurch kann ein breiterer Kontrastbereich abgebildet werden und es wird die Durchzeichnung der hellsten Flächen wie auch der Schattenpartien ermöglicht.

5 Neue Möglichkeiten zur Erfassung von GI-Daten mittels digitaler Luftbildphotogrammetrie Aufnahmeverfahren 3.1 Flugplanung Für die Aufnahmepraxis gestaltet sich die Flugplanung mit der UltraCam D wie bei einer klassischen Luftbildkamera mit 21 cm Brennweite und cm Bildformat. Der einzige Unterschied ist das rechteckige Format im Seitenverhältnis 3:2, welches im Prinzip für eine 60 %-Überdeckung um die Hälfte mehr Aufnahmen innerhalb jedes Streifens erforderlich macht. Da jedoch bei der UltraCam D in der Regel ohnedies mit einer Überdeckungen von 80 % oder oft noch mehr geflogen wird stellt das in der Praxis keine Einschränkung dar. Aus Tabelle 2 sind die wichtigsten Parameter für einen 30 km langen Streifen bei einer Befliegung mit 180 km/h (50m/sek.) und 80 % Längsüberdeckung in unterschiedlichen Flughöhen ersichtlich. Die Datenmenge für den gesamten 30km-Streifen ergibt sich aus der Anzahl der Bilder mal den 265 MB (13 CCDs mit je Pixel 16 Bit/Pixel) die für jedes Bild an Rohdaten anfallen. (Wobei tatsächlich aus Sicherheitsgründen an Bord auf insgesamt 26 Festplatten a 60 GByte die doppelte Datenmenge aufgezeichnet wird!). Da heutzutage 1 GByte Speicherplatz auf einer Festplatte weniger als 1 ¼ NRVWHW VWHOOHQ GLH anfallenden Datenmengen kein wesentliches Problem dar. Nicht zuletzt im Vergleich zu den mindestens 20 ¼GLHPDQSUR /XIWELOG I U )LOP (QWZLFNOXQJ XQG Scannen veranschlagen muss können die Speicherkosten als vernachlässigbar angesehen werden. Tabelle 2: Parameter für einen 30 km-flugstreifen: a) Pixelgröße am Boden; b) Flughöhe über Grund; c) äquivalenter Bildmaßstab; d) Aufnahmestreifenbreite; e) Abstand der Aufnahmen bei 80 % Längsüberdeckung; f) Bildintervall bei 100 Knoten (180 km/h) Geschwindigkeit; g) Bilder pro 30 km; h) anfallende Datenmenge. Pixel Höhe Maßstab Streifen B(80%) Intervall Bilder Daten 50 cm m 1: m 770 m 15,4 sek GByte 33 cm m 1: m 505 m 10,0 sek GByte 20 cm m 1: m 305 m 6,0 sek GByte 10 cm m 1: m 155 m 3,0 sek GByte 3.2 Erfahrungen aus der Praxis Bei Meixner Vermessung (Wien) steht seit dem Frühjahr 2004 die erste in Europa ausgelieferte UltraCam D im Einsatz. Wegen der multispektralen Fähigkeiten und hohen Bildkapazität kann eine Vielzahl von Aufträgen mit unterschiedlichen Anforderungen in mehrstündigen, mittels GPS-Navigation gesteuerten Befliegungskampagnen erfüllt werden. Die Bewegungskompensation der Kamera, die (ohne Mechanik, sondern rein elektronisch) bis zu 50 Sensorzeilen während der Dauer der Belichtung verschieben kann, und die hohe Empfindlichkeit der Sensoren ermöglicht bei allen Fluggeschwindigkeiten und in jedem Maßstab selbst bei ungünstigen Beleuchtungsverhältnissen noch scharfe Bilder.

6 314 R. Kalliany, G. Pfahler und H. Meixner Die hervorragenden radiometrischen Eigenschaften der UltraCam D liefern auch in schwierigen beleuchtungstechnischen Situationen rauschfreie Bilder. Bei Flächen mit wenig Detailinhalt (versiegelte Flächen, abgeerntete Äcker etc.), wo bei Filmmaterial nur mehr die Körnung zu sehen ist, findet sich ausreichend Textur, um einem Operator (oder aber auch einem automatischen Matching-Programm) die Stereo-Korrelation zu ermöglichen. Abb. 4: Flug Wien/Lobau aus 350 m Höhe: Gesamtübersicht Pixel und Ausschnitt (siehe weißer Kreis) mit Pixel und 3,5 cm Bodenauflösung.

7 Neue Möglichkeiten zur Erfassung von GI-Daten mittels digitaler Luftbildphotogrammetrie Einsatzgebiete 4.1 True Orthophoto Eine der wichtigsten Innovationen der UltraCam D ist die Möglichkeit, mit Bildintervallen bis herunter zu 1 Sekunde und somit mit extrem hoher Überdeckung zu fliegen. Abbildung 5 zeigt einen Streifen der mit fast 95 % Überdeckung geflogen wurde. Während die Aufnahmen aus m über Grund tatsächlich im 1 Sekunden-Takt erfolgt, sind ist hier aus Gründen der Übersicht allerdings nur jedes dritte Bild dargestellt. Abb. 5: Streifenüberblick (jede dritte Aufnahme) einer Befliegung von St. Pölten (NÖ) Der hohe Überdeckungsgrad, den die UltraCam D ohne nennenswerten Mehraufwand liefern kann und durch den jedes Objekt am Boden zumindest 5-mal (im Beispiel Abb. 5 sogar mehr als 15-mal!) abgebildet ist, ermöglicht hoch-redundante und somit sehr robuste Stereo-Verfahren für die 3D-Erfassung von Oberflächen und die Modellierung von Objekten. Während in Abbildung 6 die perspektivischen Veränderungen zwischen benachbarten Bildern sehr subtil sind, treten sie zwischen den beiden äußeren Bildern siehe den Einblick in die Fassadenfronten bereits deutlich hervor. Das ermöglicht eine zuverlässige fortgesetzte Korrelation von Aufnahme zu Aufnahme, bis am Ende die Höheninformation mit optimaler Genauigkeit aus den am weitesten auseinanderliegenden Bildern abgeleitet werden kann. Abb. 6: Beispiel für eine 5fache Stereoüberdeckung eines mehrstöckigen Gebäudes Diese Eigenschaften der UltraCam D haben somit alle Voraussetzungen für die Erstellung von detaillierten Oberflächen- und 3D-Modellen, insbesondere von Stadtlandschaften. Wegen der Möglichkeit, eine große Anzahl von Bildern aufzunehmen, und der hohen Qualität der Abbildungen sind die Daten für True -Orthophotos, in denen der Bildsturz von Gebäuden vollständig kompensiert und sichttote Räume durch entsprechende Mosaikierung aus benachbarten Bildern abgedeckt werden, besonders gut geeignet.

8 316 R. Kalliany, G. Pfahler und H. Meixner 4.2 Weitere Aufgabengebiete Die UltraCam D kann für alle denkbaren Anwendungen der Photogrammetrie eingesetzt werden. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Einsatzgebiete (sowie die im jeweiligen Zusammenhang wesentlichen Vorteile des Kamerasystems) in Stichworten skizziert. Erstellung von Geländeoberflächenmodellen (mittels redundantenter Stereoverfahren) Hochauflösende Orthofotos (wahlweise in Scharzweiß, Echtfarbe oder Farb-Infrarot) 3D-Stadt- und Siedlungsmodelle (mit optimaler Bildqualität und gute Mosaikierung) Basisdaten für Ingenieurprojekte (Detaillierungsgrad je nach den Erfordernissen) Fototriangulationen zur präzisen Punktbestimmung (mit Sub-Pixel-Genauigkeit) Naturraumdokumentation und -Kartierung (spezielle Verwendung des Infrarot-Kanals) Winter-Aufnahmen (Bewältigung der extremen Licht-Schatten-Verhältnisse) Forstwirtschaft (Erfassung der Kronenstrukturen; gute Einsicht in Schattenhänge) Planung und Kontrolle in der Landwirtschaft (günstige multitemporale Aufnahmen) Erfassung von Naturkatastrophen (Flug bei Schlechtwetter/schlechter Beleuchtung) Befliegungen für Dokumentationszwecke (digitale Archivierung ohne Filmkosten) Wegen der zu analogen Luftbildern identischen geometrischen Eigenschaften der Ultra- Cam D -Aufnahmen können all diese Aufgaben nach klassischen Verfahren (basierend auf stereoskopischer Auswertung durch einen Operateur) bearbeitet werden. Wie in diesem Artikel beschrieben bietet aber bei vielen Verfahren die UltraCam D darüber hinaus ein wesentliches Potenzial für den entscheidenden Schritt zur Voll-Automatisierung von photogrammetrischen Standardaufgaben wie Bildtriangulation, Orthophotoerstellung und 3D- Modellierung. Wir Autoren registrieren durch die UltraCam D und die damit verbundenen neuen Methoden eine wesentliche Steigerung bezüglich Qualität und Wirtschaftlichkeit in der Photogrammetrie, was nicht nur den Betreibern der Kamera, sondern auch allen Anwendern und Nutzern ihrer Daten zugute kommen wird. Literatur GRUBER M., LEBERL F. & R. PERKO (2003): Paradigmenwechsel in der Fotogrammetrie durch digitale Luftbildaufnahme? In: Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformation, 4/2003, LEBERL, F. & M. GRUBER (2003): Economical Large Format Aerial Digital Camera. GIM International, worldwide magazine for geomatics, June 2003 LEBERL, F., GRUBER, M., PONTICELLI, M., BERNOEGGER, S. & R. PERKO (2003): The UltraCam Large Format Aerial Digital Camera System. Proceedings of the ASPRS Annual Convention, Anchorage / Alaska, USA, May 5-9, 2003 (CD only)