Digitale Luftbildkameras Stand und aktuelle Entwicklungen

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1 ifp Digitale Luftbildkameras Stand und aktuelle Entwicklungen Institut für Photogrammetrie Ralf Reulke Universität Stuttgart Institut für Photogrammetrie Universität Stuttgart web: ifp.uni-stuttgart.de/ 3. Hamburger Forum für Geomatik 16. und 17. Juni 2004 Bürgerhaus Wilhelmsburg

2 Digitale Luftbildkameras Optische Sensoren für photogrammetrische Anwendungen! Aktuelle digitale Flugzeugkameras für photogrammetrische Anwendungen! Räumlich und radiometrisch hochauflösende Sensoren! Kalibrierbar, Flächenleistung! Referenz sind filmbasierte Kameras nach ca. 100 Jahren Entwicklung! 23 x 23 cm Bild, kann bis 5µm Pixelabstand abgetastet werden! Real sind µm! RGB & NIR

3 Einführung Neue Möglichkeiten & Technologien! Sensoren und Sensorintegration (VIS, IR, LIDAR, RADAR,...)! Verknüpfung von hochauflösenden Stereoaufnahmen mit Multispektralkanälen " Kombination von Photogrammetrie und Fernerkundung! Photogrammetrische Ansätze in Computer Vision und Bildverarbeitung! Direkte Bestimmung der äußeren Orientierung für jedes Bild! Komplette geometrische und radiometrische Kalibrierung des Sensors im Labor (abhängig von Temperatur und Druck)

4 Digitale Luftbildkameras Stand und aktuelle Entwicklungen! Einleitung! Analoge und digitale Technologien! Digitale Bildaufzeichnung! Einführung! Geometrische und Radiometrische Anforderungen! Detektorarrays! Erhöhung der geometrischen Auflösung! Digitale Photogrammetrische Flugzeugkameras! Matrixbasierende Systeme! CCD-Zeilen Kameras

5 Einführung Warum digitale Bildaufzeichnung? Kostenersparnis Kein Film und keine Filmentwicklung Geschlossene digitale Kette und höherer Automatisierungsgrad Zusätzliche Flugtage Höhere Qualität Größere radiometrische Auflösung und Genauigkeit Reproduzierbare Signale in den Farbkanälen On-line Kontrolle der Bildaufnahme Zeitersparnis Keine Filmentwicklung und kein Filmscanning Durchgängiger automatischer Arbeitsablauf Neue Anwendungen Neue Bildinformationen aus multispektralen Daten Schnelle Verfügbarkeit der Ergebnisse Multimediaanwendungen

6 Kameratechnik PFG (5)99 Reihenbildner (1915) Reihenbildmesskammer (1945)

7 Messkameras! Messbild (Bild mit bekannter oder bestimmbarer innerer Orientierung)! Messkamera (Messkammer): Kamera zur Erstellung von Messbildern! Kalibrierung ist möglich (innere Orientierung)! Große Abbildungsqualität (geringe Verzeichnung, Randabfall)! Große geometrische Auflösung und Genauigkeit / Reproduzierbarkeit! Korrektur äußerer Einflüsse ist möglich (z.b. Bewegungskompensation)! Große Flächenleistung! Schnittstelle zur Georeferenzierung! Reihenmesskameras! 1978: 8 Anbieter! 1999: 2 Anbieter! RC 30 von LH Systems! RMK TOP von Z/I Imaging

8 Digitale Luftbildkameras Stand und aktuelle Entwicklungen! Einleitung! Digitale Bildaufzeichnung! Einführung! Geometrische und Radiometrische Anforderungen! Detektorarrays! Erhöhung der geometrischen Auflösung! Digitale Photogrammetrische Flugzeugkameras

9 Digitale Kamerasysteme Diskretes (digitales) Bild Diskretisierendes Element Positionsbestimmung GPS & INS Plattform Kontinuierliches (analoges) gefiltertes Bild + Orts- und Richtungsinformation (EO) Optisches System (& Filter) Eigenbewegung der Kamera Digitale photogrammetrische Kamerasysteme Kontinuierliches (analoges) Objekt

10 Geometrische und Radiometrische Anforderungen! Anzahl der Pixel in jeder Aufnahmerichtung! Aufzunehmendes Gebiet und Objektauflösung! z.bsp. A=2 2 km² & =20 20 cm² 10,000 10,000 pixel = 100 MPixel! Auflösung = Schrittweite der Abtastung am Boden (ground sampling distance GSD)! Optische Systemanforderungen für den Pixelabstand (Pixel distance - PD)! Optische Auflösung [lp/mm] = 1000 / (2 Pixelabstand [µm])! z. Bsp. =10µm 50 lp/mm! Radiometrische Auflösung > 12 bit (4096 Graustufen)! Sensorrauschen % der radiometrischen Auflösung

11 Radiometrische Auflösung Reichstag, Berlin Sonnenbereich Schattenbereich

12 Detektorarrays Matrix oder Zeile? Matrizen Zeilen! Bildgeometrie (+)! Stereo (+)! Anpassungsfähigkeit an kommerzielle Datenauswertesysteme (+)! FOV / Auflösung (-)! Preis (-)! RGB (+/-)! Bildgeometrie (-)! Stereo (+)! Anpassungsfähigkeit an kommerzielle Datenauswertesysteme(+/-)! FOV / Auflösung (+)! Preis (+)! RGB (+)

13 Detektorarrays Verfügbare CCD-Matrizen KAF-16802CE 4k x 4k 16Mpixel Kodak KAF-22000CE 4k x 5.4k 22Mpixel Kodak CCD k x 9.2k 85Mpixel Fairchild FTF7040 7k x 4k 28Mpixel Philips / DALSA FTF5066 5k x 6.6k 34Mpixel DALSA! Hochauflösende Sensormatrizen (> 100 MPixel) verfügbar möglicherweise in einigen Jahren! Kommerzielle hochauflösende Aufnahmesysteme: bis zu 10 T mit 6 bis 16 Mpixel (Kodak DCS Pro 14n und Cannon EOS-1Ds)

14 Detektorarrays Farbsensoren! Im Unterschied zu herkömmlichen Filmen haben RGB-Sensoren für die meisten Kamerasysteme ein eingebautes Filterraster (Bayer-RGB-Muster) Foveon X3 Aufnahmesensoren besitzen drei Pixelsensorschichten

15 Detektorarrays Verfügbare Zeilenarrays CCD-Zeilensenarrays Hersteller Modell Anzahl Pixel Größe [µm²] Atmel TH Atmel customise EEV CCD KODAK KLI KODAK KLI Fairchild Imaging CCD SONY ILX734K

16 Erhöhung der geometrischen Auflösung! Verwendung mehrerer Arrays! Problem: Auffüllen von Lücken! Subsampling Verfahren, nur für Aufnahmen von ruhenden Objekten! Kontron-Progress-Camera 3012, jetzt ProgRes C14 und eyelike precision! Durch Microscanning Verfahren und Color-Co-Site-Sampling von JENOPTIK L.O.S. lässt sich die Grundauflösung des 1,3 Megapixel- Sensors von Sony auf "echte" 12,1 Millionen Bildpunkte erhöhen (gilt für ProgRes C14)! Von 3x3 bis zu 6x6 Subsampling-Schritte! Problem: SNR & MTF / bewegte Objekte

17 Erhöhung der geometrischen Auflösung! Der JVC Camcorder GC-QX3U benutzt AIS (Accurate Image Shift) -> besitzt qualitativ hochwertige Optik mit zwei asphärischen Linsen! Image-Shift-Technologie -> Verdoppeln der Auflösung! UXGA (1600 x 1200) 1.92 Megapixel

18 Digitale Luftbildkameras Stand und aktuelle Entwicklungen! Fotografische Bildaufzeichnung! Digitale Bildaufzeichnung! Digitale Photogrammetrische Flugzeugkameras! Matrixbasierende Systeme! CCD-Zeilen Kameras

19 Digitale Photogrammetrische Flugzeugkameras (Matrixbasierend)! Filmbasierte Daten! 23cm 23cm! Abtastung mit µm 12k..24k Pixel in einer Sensorzeile! Testsysteme! IGN (Thom)! OSU (AIMS, Toth)! Kommerzielle Systeme! DMC (Z/I)! UltraCam (Vexcel)! DSS (Applanix / Leica Geosystems)!.

20 Digitale Photogrammetrische Flugzeugkameras Vergrößerung der Auflösung Mehr als ein CCD-Sensor -> größere Formate Multi-Sensoranordnung links nadir rechts rück nadir vor vor nadir rück

21 Digitale Photogrammetrische Flugzeugkameras Historischer Multi-Sensor Ansatz 1930: Kombination von 4 RMK C/1 Kameras für ein größeres Bildformat Grafiken Z/I-Imaging, 2001

22 Digital Mapping Camera (DMC) Intergraph - Carl Zeiss joint venture Vorstellung der Digital Modular Camera (DMC) von Z/I beim ISPRS- Kongress in Amsterdam Kamera s mit 7k 4k Matrix 4 Kamera s für RGB- & NIR-Kannel mit 3k 2k Matrix

23 Digital Mapping Camera (DMC)! Panchromatischer Kanal, besteht aus 4 Kameras! Bildgröße: x pixel, f = 1:4.0 / 120 mm! Farbauflösung (RGB & NIR), 4 Kameras! Bildgröße: x pixel, f = 1:4.0 / 25 mm! Field of view (FOV), 74 x 44! Shutter & f-stop variable! Speicherkapazität 840 GB! Frame rate 0.5 Bilder / sec! Radiometrische Auflösung12 bit! Gewicht (ohne Speicher) < 80 kg

24 Digital Mapping Camera (DMC)

25 Digital Mapping Camera Vorverarbeitung DMC Pre-Processing! Relative Orientierungen der 4 Kameras bekannt! Geo- und radiometrische Korrektur (mosaicking)! Aufnahme in (nahzu) Zentralperspektive! Verschmelzung mit Farbkanälen Z/I-Imaging, 2001

26 Radiometrische Verbesserungen TDI - Time Delay and Integration Auslesen des Speichers Test Ohne Bewegungskompensation TDI-Richtung Flugrichtung mit Bewegungskompensation durch TDI Z/I-Imaging, 2001

27 UltraCam D Vexcel Imaging Austria

28 UltraCam D Vexcel Imaging Austria Technische Daten Digitalkamera (Sensor Unit SU)! Mehrfarben-Bildgröße x Pixels! Pixelgröße 9 µm! Physikalisches Format der Fokalebene 103,5 mm x 67,5 mm! Linsenbrennweite (Alternative exchangeable lenses) 100 mm (75 mm, 125 mm)! Blendenöffnung f = 1/5,6! Blickwinkel, cross track (along track) 55º (37º)! Belichtungszeit 1/500 bis 1/60! Forward-motion compensation (FMC) TDI controlled, max. 50 Pixel! Kleinstes Pixel am Boden bei Flughöhe von 500 m (300 m) 5 cm (3 cm)! Bildrate: 1,3 frames (0,75 seconds)! A/D-Konvertierung mit 14 bits! radiometrische Auflösung jedes Farbkanals >12 bit

29 Mapping

30 Emerge Digital Sensor System (DSS) Spezifikationen! Sensorgröße 4092 X 4079 Pixel, Pixelgröße 9µ! Linsen! 55mm, 37 deg FOV, True Colour und CIR! 35mm, 55.4 deg FOV, nur True Colour! Belichtungsdauer 1/125-1/4000 sec! Aufnahmezeit 4 sec (2 sec Ende des 3. Quartals 2003)! Bodenauflösung (GSD) 0,10 bis 1 Meter, Unschärfe < 10%! Positionierung 0,05 0,3 Meter, post mission! Attitude 0,008-0,15, post mission! Datenspeicher 80GB Wechselfestplatte

31 Farbaufnahme höchste Auflösung Vollbild

32 CIR-Aufnahme mit einem zusätzlichen Filter höchste Auflösung Vollbild

33 Weitere Flächenkameras IGN

34 ! Installed in an aerial platform! Will incorporate GPS/INS positioning and imaging technologies (CCD, infrared,thermal)! Accuracy of position and orientation: 7 cm and ~30 arcsec (in real-time)! Expect to increase the AIMS digital camera to 9K 9K this year using Lockheed Martin Fairchild's camera system! (Stand 98)

35 GeoCam (SensorVision, Germany)! Die GeoCam Serie ist ein kleines Kamerasystem, basieren auf dem Phillips 3k x 2k Sensor Chip! zum Erreichen sinnvoller Streifenbreiten, können 1 bis 4 Kameraeinheiten verwendet werden! Farbkanäle benötigen zusätzliche Kameraeinheiten

36 Hochauflösende Frame Kameras! Für die (militärische) Aufklärung! ROI ( Recon Optical, Inc. CA-295 digitale Kamera die simultan sowohl infrarot als auch panchromatische Bilder erzeugt

37 Hochauflösende Matrix (Frame) Kameras CA-295 digitale Kamera die simultan sowohl infrarot als auch panchromatische Bilder erzeugt PAN: ca. 50 Mpix (?) IR: 4 Mpix (?) Siehe:

38 Hochauflösende Matrix (Frame) Kameras! Matrixkamera von BAE Systems! Verwendet 9,216 x 9,216 pixel = 85 Megapixel CCD! "Ultra High Resolution Reconnaissance Camera

39 Hochauflösende Frame Kameras! Hochauflösende Frame Kameras mit 100 Mpixel sind verfügbar! Minimum GSD < 10 cm! Radiometrische Dynamik 12 bit! Direkte Georeferenzierung möglich! Off-Line -Datenverarbeiung

40 CCD-Zeilen Kameras! Luftbildkameras! 3-Zeilen-Prinzip für Aufnahmen in Flugrichtung! Derenyi, University of New Brunswick, Canada 1970! Hofmann um 1985! Vorteile:! Große Pixelzahl, kleiner Preis, Eine Linse für PAN, Farbe & RGB, kein Shutter! Einfache Korrektur von Defekten und der PRNU! Nachteile:! Äußere Orientierung für jede gemessene Zeile notwendig! Einige Produkte sind erst nach vollständiger Prozessierung verfügbar

41 Streifenkameras! Film wird hinter einem fest angebrachten Schlitz bewegt, während sich die Kamera vorwärts bewegt! Für niedrig und schnell fliegende militärische Aufklärungssysteme

42 CCD-Zeilen Kameras! Entwicklungen (Flugzeugscanner)! MEOSS! WAOSS! DPA! WAAC! HRSC (DLR)! ADC / ADS40 (Leica)! TLS (Three-Line-Scanner (TLS) Images Starlabo Corporation, Tokyo)

43 CCD-Zeilen Kameras Design Kriterien für hochauflösende Zeilen-Scanner! Pixelgröße µm! Pixelzahl 12000! Brennweite mm! Flughöhe m! Pixelabstand am Boden cm! Schwadbreite m! True-color & Multispectral 3-6 Kanäle

44 Vergleich von Matrix- und Zeilenkamera Prinzip der Zeilenkamera

45 Vergleich von Matrix- und Zeilenkamera Prinzip der Zeilenkamera

46 Vergleich von Matrix- und Zeilenkamera Prinzip der Zeilenkamera

47 Vergleich von Matrix- und Zeilenkamera Prinzip der Zeilenkamera

48 Vergleich von Matrix- und Zeilenkamera Stereowinkel von Flächen und Zeilenkameras

49 Vergleich von Matrix- und Zeilenkamera Matrixkamera 20% 3x bei 60% Überlappung Digitaler Zeilensensor Jedes Objekt 3x aufgenommen

50 Vergleich von Matrix- und Zeilenkamera Zeilensensor Matrixkamera Mehrere VIS, RGB + Infrarotsensoren zur FOV-Verbesserung 1 Linse + 1 Fokalebene 8 Kameras

51 Drei-Zeilen Bildgeometrie! Bild besteht aus 3 gleichzeitig aufgenommenen Zeilen! Bilder werden mit hoher Datenrate aufgezeichnet (z.b Hz)! für jedes Bild gilt neue äußere Orientierung! Flugbewegung muss mit zusätzlichen Sensoren beobachtet werden! GPS/INS-Module ermöglichen direkte Messung der Sensorposition und des Neigungswinkel! Eventuell AT für Verbesserung der EO Vorblick Nadir Rückblick

52 Einfluss der Flugbewegung auf Bildgeometrie Beispiel 1 Verzerrtes Rohbild Rotation der Kamera während Flugstreifen Rollwinkel Kurswinkel Nickwinkel Korrigiertes, entzerrtes Bild

53 Einfluss der Flugbewegung auf Bildgeometrie Beispiel 2 (Extremfall) Verzerrtes Rohbild Korrigiertes, entzerrtes Bild # Flugrichtung # Flugrichtung

54 Zeilenkameras ADC-EM2, Reichstag, , h=3 km, 25cm Bild wurde nach dem Flug lagekorrigiert und radiometrisch ausgeglichen

55 ADS40- Airborne Digital Sensor! 3 Panchromatische CCD-Zeilen (2 x Pixel, gestaggert, d.h. verschoben um ein halbes Pixel oder 3,25 µm zueinander)! 4 multispektrale CCD-Zeilen ( pixel)! Pixelgröße: 6.5 µm x 6.5 µm! Sichtfeld: 64! Brennweite: mm! Stereowinkel: 14, 28, 42

56 ADS40- Airborne Digital Sensor Fokalebene i 2 Einfach- and 2 Dreifach-CCD i 3 panchromatische Kanäle, jedes mit 2 x 12K Elementen in verschobener Anordnung i 4 multispectrale Kanäle, R,G,B,NIR jedes mit 12K Elementen i Peltier Kühlsystem Triple CCD device

57 ADS40- Airborne Digital Sensor Panchromatische and multispektrale Kanäle Panchromatisch rück Blue band Green band NIR band Red band Panchromatisch nadir Panchromatic vor

58 ADS40- Airborne Digital Sensor RGB-Trichroid $ Koregistrierung der RGB-Kanäle $ Stufenweise angeordneter dichroitischer Strahlenteiler $ Energieerhaltung durch spektrale Strahlzerlegung $ Metalinterferenz-Filter zwischen Optik und CCD s

59 ADS40- Airborne Digital Sensor Optik! 64 große FoV (Schwadwinkel)! Apertur: 4! Telezentrisches Optikdesign! nm Spektrum! Auflösung ~ 150 lp/mm! Genauigkeit 1 µm

60 ADS40- Airborne Digital Sensor Spektrale Transmission von Interferenzfiltersn Telezentrisches Optikdesign ADS40 Spektrale Transmission der Filter ist über ganzes FoV gleich Bildraum Rotfiltertransmission Rotes Farbband Konventionelles Optikdesign Spektrale Transmission der Filter variiert als Funktion des FOV Image space Red filter transmission Image red band Swath Swath Filter CCD λ Illustration Filter CCD λ Illustration Geeignet für Fernerkundungsanwendungen NICHT geeignet für Fernerkundungsanwendungen

61 ADS40- Airborne Digital Sensor Spektrale Transmission der Filter 1 1 Legende Gras 2 Kalkstein 3 Trockener Sand Alter Schnee Tannenbaum 6 Nasser Asphalt 7 Wasser

62 Tokyo, Japan Palace Hotel Tokyo Japan GSD: 20cm Höhe: 2000m

63 Zusammenfassung & Ausblick! Es stehen digitale Aufnahmesysteme zur Verfügung, die photogrammetrischen Ansprüchen genügen! Vorteile sind insbesondere das erheblich bessere Signal-zu-Rausch- Verhältnis und die Möglichkeit, absolute (radiometrische) Größen zu messen! Möglichkeiten der Datenfusion (z.b. Kombination mit Radar- oder infrarot Daten)! Problem ist Auswertesoftware, welche die Potentiale der Sensoren ausschöpft