Aufnahme und Auswertung von Luftbildern

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1 Aufnahme und Auswertung von Luftbildern 1. Definitionen 2. Grundlagen der Geometrie des Luftbildes Zentralperspektive und orthogonale Kartenprojektion Aufnahmerichtung Maßstabsbestimmung im Luftbild Ursache von Verzerrungen im Luftbild Definition von Meßbildern 3. Beschaffung und Bildflugplanung 4. Grundlagen der Zweibildauswertung

2 Definitionen Luftbild = aus einem Flugkörper aufgenommene Photographie. analog: Silberhalogen-Filmemulsionen. digital: a) digitalisierte Filmemulsionen. b) digitiale Bilder von Flächen- oder Zeilensensoren aus ladungsgekoppelten Halbleiterelementen (CCD = charge coupled device). Photointerpretation = Gewinnen nichtmetrischer Informationen aus Photos Deutung des Bildinhaltes, thematische Auswertung. Photogrammetrie = Rekonstruktion von Lage, Größe und Form von Objekten aus Photographien; Messtechnik, die die Modellierung eines 3D-Raumes aus 2D-Bildern erlaubt. Teilbereiche: Aerophotogrammetrie (Luftbildmessung) Terrestrische Photogrammetrie (Erdbildmessung) Laserscanning (flugzeuggetragen, terrestrisch)

3 Produkte der photogrammetrischen Luftbildauswertung TK 25 alt Karten (Lage- und Höhenauswertung) 3D-Koordinaten von Einzelpunkten TK 25 neu Entzerrte photographische Bilder (Orthophotokarte, Luftbildkarte) Digitale Geländemodelle (DGM)

4 Grundlagen der Geometrie des Luftbildes Zentralperspektive und orthogonale Kartenprojektion

5 Aufnahmerichtung Nadiraufnahme: (ν = 0 ): v = 0 lotrechte Aufnahme Schrägaufnahme (ν > 3 ): keine stereoskopische Auswertung möglich Senkrechtaufnahme (ν > 0 3 ): stereoskopische Auswertung noch möglich, Horizontalaufnahme

6 Maßstabsbestimmung im Luftbild M b = Bildmaßstab m b = Bildmaßstabszahl c h M b = 1 = = b g m s s b t

7 Bildmaßstab c h M b = 1 = = b g m s s b t großmaßstäblich: >= 1:5.000 mittelmaßstäblich: < 1 : bis 1 : kleinmaßstäblich < 1 : bis 1 : ultrakleinmaßstäblich < 1 : Zusammenhang zwischen Kartenmaßstab und Bildmaßstab aus praktischen Erfahrungen: mb k mk K = Konstante, die zwischen 200 und 300 schwankt = Beispiel: 1: m k m b 1: :

8 Ursachen von Verzerrungen im Luftbild 1. Reliefbedingte radiale Punktversetzung Δr Δr = radiale Punktverschiebung im Gelände Δh = Höhe des Punktes im Vergleich zur Bezugsebene r ' = Abstand des Punktes vom Bildnadir c = Kammerkonstante m b = Maßstabszahl h o = Flughöhe über Grund Δ r ' = Δh r' =Δh ho m r' b c

9 Reliefbedingte radiale Punktversetzung Geländeobjekte, die sich vertikal über ihre Nachbarschaft erheben kippen nach außen. Sichttote Bereiche. Bei Geländehöhenunterschieden werden gleichlange Strecken in der Karte ungleichlang im Luftbild abgebildet. Höherliegende Geländeorte werden in größerem Maßstab abgebildet als Tieferliegende. Flächen- und Winkel- -verzerrungen im Luftbild. Radiale Punktversetzungen Beispiel: Aufnahme Manhattan, New York.

10 Radiale Punktversetzungen in Abhängigkeit der Brennweite Je kürzer die Brennweite, desto weiter entfernt wird die Spitze eines Baumes von seinem Stammfuß dargestellt.

11 2. Projektive Verzerrungen bei Schrägaufnahmen Projektive Verzerrungen Auswirkung der Nadirdistanz v bei Senkrecht- und Schrägaufnahmen auf die Bildgeometrie Der Bildmaßstab nimmt (bei ebenem Gelände) kontinuierlich von P 1 bis P 8 ab. Sichttote Fläche hinter Erhebungen nehmen zu

12 Weitere Ursachen für Verzeichnungen: Erdkrümmung und Atmosphärische Refraktion Objektivverzeichnung

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14 Hilfsabbildungen auf einem Meßbild 1 Rahmenmarken 3 Bildnummer 4 Uhr zur Dokumentation der Aufnahmezeit 5 Barometrischer Höhenmesser 6 Dosenlibelle zur Überwachung der Horizontierung des Flugzeuges 7 Datum und Projekt 8 Kameranummer 10 Kammerkonstante

15 Definition eines analogen Meßbildes H = Bildhauptpunkt M = Bildmittelpunkt

16 Definition eines digitalen Meßbildes H = Bildhauptpunkt

17 Zusammenhang zwischen Bild und Objektkoordinaten Zusammenhang zwischen 2D-Bildkoordinaten und 3D-Objektkoordinaten (Kollinearitätsbeziehung)

18 3. Beschaffung und Bildflugplanung Luftbildarchive in Deutschland: Landesvermessungsämter Landesarchive Bundesarchive Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt Dienststellen der Forstverwaltung Landkreis Stadtvermessungsamt Bildflugfirmen

19 Bildflugdesign Längs- und Querüberdeckung Vermessungsflugzeug Flächendeckende Erfassung Reihenmesskammer (Leica RC-30) DMC Digitale Modulare Camera (Zeiss) Digitale Matrixkamera UltraCamD (Vexcel Imaging)

20 Digital Flight Equipment Camera mount Camera control Digital Sensor Head Laserscanner Laserscanner Control (GPS and IMU)

21 Kameratyp und Bildformat Reihenmeßkammer Nicht-Meßkammer (Amateurkamera) Kalibrierung: Lage des Bildhauptpunktes Kammerkonstante (Brennweite) Objektivverzeichnung Bildformate: großformatig: 23 x 23 cm, 30 x 30 cm, 18 x 18 cm mittelformatig: 56 x 56 mm kleinformatig: 24 x 36 mm Beispiel: Bildformat Kleinbild 24 x 36 mm RMK 23 x 23 cm Geländefläche eines Bildes im Bildmaßstab 1 : ,64 ha 529 ha

22 Kameratyp Reihenmeßkammer 23 x 23 cm

23 Objektiv und Brennweite Objektiv Brennweite Öffnungswinkel Normalwinkelobjektiv (c 1 ) 305 mm Weitwinkelkammer (c 2 ) 153 mm Überweitwinkelkammer 85 mm 119

24 Stand der Technik Operationale Digitale Luftbildkameras: 1. Matrix-Kamera UltraCamD (Vexcel Imaging) DMC (Intergraph) 2. Zeilen-Scanner ADS40 (Leica) HRSC (DLR) PhD Colloqium Forest Inventory and Forest Growth Dr. H. Fuchs

25 Prinzip der opto-elektronischen Sensoren PhD Colloqium Forest Inventory and Forest Growth Dr. H. Fuchs

26 Line-Scanner Concept Matrix-Scanner Concept

27 PhD Colloqium Forest Inventory and Forest Growth Dr. H. Fuchs

28 UltraCamD (Vexcel Imaging, Austria) Line-Scanner ADS40

29 Line-Scanner ADS40

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31 Spektrale Sensibilität von Luftbildfilmen

32 State of Technology

33 Flugzeitpunkt und -bedingungen Kriterien für die Wahl des Befliegungstermines: Aufnahmezweck (z.b. phänologische Aspekte z.b. Baumarten, Bodenvegetation, Waldschäden) Sonnenhöhe: (abhängig von Tages- und Jahreszeit > 45 ) Bewölkungsgrad: Lufttrübung: (unter Flughöhe 0, über Flughöhe < 3/8 Cirrus, < 1/8 Cumulus) (Bodensichtweite > 10 km) Windgeschwindigkeit: < 10 km/h

34 Datenqualität Digitale Luftbilder Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur Sommersemester und Fernerkundung 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung Waldinventur und Fernerkundung

35 Datenqualität Digitale Luftbilder Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

36 Datenqualität Digitale Luftbilder Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

37 Datenqualität Digitale Luftbilder Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

38 Datenqualität Digitale Luftbilder Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

39 Stereoskopisches Sehen: Definition Stereoskopisches, 3-dimensionales oder räumliches Sehen ist die Betrachtung des Raumes und der in ihm befindlichen Dinge mit zwei Augen. Jagende Tiere brauchen zum Ergreifen der Beute eine hohe Präzision beim Einschätzen von Entfernungen. Gesichtsfelder von jagenden und gejagten Tieren Gejagte Tiere müssen Jäger beizeiten bemerken und benötigen ein möglichst großes Gesichtsfeld.

40 Natürliches Stereoskopisches Sehen Grundprinzip des natürlichen räumlichen Sehens Konvergenzwinkel Vertikalparallaxe: beim natürlichen Sehen nicht möglich B e = Augenbasis Horizontalparallaxe: Abweichung der einzelnen Punkte in den beiden aufgenommenen Bildern Konvergenz: automatische Ausrichtung der Augenachsen auf den betrachteten Gegenstand Akkomodation: Fokussierung der Augenlinsen auf die gleiche Entfernung

41 Künstliches Stereoskopisches Sehen

42 Künstliches Stereoskopisches Sehen Voraussetzungen zur Erzeugung von künstlichen Raumbildern: 1. Zentralperspektivische Bilder von verschiedenen Aufnahmeorten (2 Bilder von 2 Standpunkten Stereobildpaar) 2. Orientierung beider Bilder 3. Jedem Auge wird gleichzeitig und getrennt eines von diesen Bildern dargeboten (Bildtrennung): Linsen- oder Taschenstereoskop Spiegelstereoskop Anaglyphenverfahren Polarisationstechnik Flüssigkeitskristall-Verschlüsse (Wechselblenden)

43 Künstliches Stereoskopisches Sehen Orientierung eines Luftbildbildpaares Zuordnungsmöglichkeiten der Bilder eines Stereobildpaares und dadurch hervorgerufene Seheffekte Schematische Darstellung zur Orientierung eines Luftbildpaares nach Kernstrahlen

44 Bildtrennung Linsen- oder Taschenstereoskop

45 Bildtrennung Spiegelstereoskop Stereomikrometer

46 Anaglyphenbild einer hügeligen Moränenlandschaft am nördlichen Bodensee Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

47 Bildtrennung Flüssigkeitskristall-Verschlüsse: die Bilder werden abwechselnd projeziert und der Sehvorgang von den Augen sychron mit einer Wechselfrequenz von 120 Hz blockiert Polarisationstechnik: Filter, die die Projektionsstrahlen der beiden Teilbilder senkrecht zueineinander polarisieren

48 Baumhöhenmessung mit einfacher Parallaxenmessung

49 Probleme bei der photogrammetrischen Baumhöhenmessung Keine Berücksichtigung von Geländehöhenunterschieden: Bei bewegtem Relief muss zusätzlich eine Bezugsebene bestimmt werden, welche im Regelfall vom Fußpunkt des zu messenden Objektes abweicht Modelldeformation durch Abweichung vom Normalfall der Stereoauswertung (Keine Nadiraufnahme, Höhenunterschiede) Keine Bodensicht in dicht bestockten Waldbeständen, störende Bodenvegetation oder Baumfußpunkt zu weit entfernt Begrenztes räumliches Auflösungsvermögen in Abhängigkeit von Objektiv, Bildmaßstab und Filmemulsion. Einstellungsfehler der Meßmarke Windbewegung

50 Methods: Preprocessing DTM DSM Orthophoto Die Differenz zwischen Digitalem Oberflächenmodell (DSM) und Digitalem Geländemodel (DTM) ergibt ein normalisiertes digitales Oberflächenmodell (ndsm). Dieses kann für die automatisierte Baumhöhenmessung benutzt werden.

51 Automatische Interpretation von Einzelbäumen Trainingsgebiete Segmentierung Klassifizierung