Arbeitsblätter zur Vorlesung. Fernerkundung 1. WS 2008/09, 4. Vorlesung

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1 Arbeitsblätter zur Vorlesung Fernerkundung 1 WS 2008/09, 4. Vorlesung erstellt Oktober 2008

2 Inhalt der 4. Vorlesung Interaktion Strahlung Objekte d. Erdoberfläche Formen der Reflexion an der Erdoberfläche Bidirektionale Reflexionsfunktion Sensoren Meßkamera photographisches Meßbild prinzipieller Aufbau Hilfsabbildungen eines Meßbildes Geometrie photographischer Meßbilder Messen in photographischen Meßbildern perspektive Verzerrungen projektive Verzerrungen Grundlagen stereoskopischer Luftbildpaare Prinzip und Hilfsmittel Messen im Stereomodell Orientierung von Stereobildern Bildflugplanung 2

3 Interaktion Strahlung Erdoberfläche natürliche Oberfläche niemals homogene Fläche (beste Annäherung im Falle von Wasserflächen) horizontale Strukturen vertikale Strukturen => Rauhigkeit ns Ei tra g un hl Abstraktionen notwendig reflektierte Strahlung Einführen einer imaginären Grenzfläche (ideale Ebene) Details abstrahiert Prozesse unterhalb der Ebene vernachlässigt Grad der Abstraktion abhängig von Wellenlänge der Strahlung 3

4 Interaktion Strahlung Erdoberfläche Strahlungsfluß Φ0 wird an Erdoberfläche zum Teil reflektiert Φr, zum Teil absorbiert Φa spektraler Reflexionsgrad Φr ρ( λ ) = Φo spektaler Absorptionsgrad Φa α (λ ) = Φo Anteile Φr und Φa variieren für ein Objekt wellenlängenabhängig => spektrale Größen. richtungsabhängig,, =1 ρ(λ) und α(λ) ergänzen sich jedoch stets zu 1 (Energieerhaltungssatz, im Bereich der Erdoberfläche τ(λ) = 0!) 4

5 (Bidirektionale) Reflexionsfunktion diffuse Reflexion an Erdoberfläche abhängig von h< λ 8 cos Θ Material Oberflächenstruktur innerer Struktur (Volumenstreuung!) des reflektierenden Objektes meist existiert eine (ausgeprägte) Richtungsabhängigkeit - dies steht im Gegensatz zum idealisierenden Konzept einer LAMBERTschen Oberfläche. Reflexionseigenschaften beschrieben durch Bidirektionale Reflexionsfunktion BDRF 5

6 (Bidirektionale) Reflexionsfunktion BDRF ermittelt Strahldichteverteilung h< λ 8 cos Θ der reflektierten Strahlung L λ,r(θr,φr) bezogen auf einfallende Strahlung L λ,e(θe,φe) jeweils für Raumwinkel dωe um die Einfallsrichtung (Θe,Φe) dl,r e, e ; r, r BDRF e, e ; r, r = L,e e, e ; r, r BDRF [sr -1] Variation der Strahldichte nach Reflexion an einer natürlichen (1) im Vergleich zu einer Lambert-Oberfläche (2) in Funktion der Beobachtungsrichtung 6

7 (Bidirektionale) Reflexionsfunktion Angulare Signaturen Zwei Spezialfälle der allgemeinen BRDF (Fall A) B) spiegelnde Reflexion, (näherungsweise gerichtete Reflexion) C) retro- bzw. rückstrahlende Reflexion Oberflächen mit Reflexionsverhalten B im Bild dunkel, mit Reflexionsverhalten C im Bild hell, weitere BDRF - Signaturen: 7

8 Sensoren Beobachtungsprinzip passiver Sensoren Sensor mißt gerichtet reflektierte spektrale Strahldichte L λ,,r(θr,φr) für konkrete Einstrahlungssituation (Θe,Φe ; Θr,Φr) gerichteter spektrale Reflexionsgrad ρ λ,r(θr,φr) ableitbar 8

9 Sensoren Versuch einer Einordnung Luftbild vs. Satellitenbild, Landsat 5 (Thematic Mapper) Farbinfrarotbild (rot = Vegetation, grün/blau = Böden bzw. Versiegelte Flächen Flugzeug vs. Satellit, Kamera vs. Scanner C-IR, SW-IR, analog vs. digital, Quelle: Albertz, Jörg (2001) aktive und passive Systeme, Panchromatisch, RGB-Farben, IKONOS-2 (Panchromatischer Kanal) multispektral, hyperspektral, photographisch vs. nicht-photographisch,... CIR-Luftbildausschnitt 9

10 Einteilung FE Sensoren ausgewählte Sensoren und deren spektrale Meßbereiche Quelle: Albertz, Jörg (2001) 10

11 Einteilung FE Sensoren Auflösungen von Sensoren räumlich typisch: m bis km zeitlich typisch: 12 std. bis 16 Tage spektral typisch: 400 nm (pan), nm (ms), nm (hs) radiometrisch typisch: 8 bis 16 bit (256 bis Grauwerte) höchste Auflösung in allen 4 Kategorien nicht realisierbar! physikalische Grenzen, Datenrate, Kosten der Herstellung 11

12 Einteilung FE Sensoren Auflösungen 12

13 Luftbildaufnahmen analoge Aufnahmen Plattform: Luftbilder werden mit speziell dafür ausgerüsteten Flugzeugen aufgenommen. Kamera / Filmformat: spezielle Großformat-Kameras, StandardFilmformat = 23 x 23 cm. Schräg-Luftbild Aufnahmeachse gegenüber Lotrichtung zwischen 0 und 90 geneigt für spezielle Anwendungen der Luftbildinterpretation Senkrecht-Luftbild Aufnahmeachse nahezu lotrecht Regelfall in Aerophotogrammetrie Bilder aus Christiansen, Uni Giessen 13

14 photographische Sensoren Messkamera und photographisches Meßbild eingeschränkt durch Optik λ = µm eingeschränkt durch Filmmaterial λ = µm schematischer Aufbau Reihenmesskamera spektrale Transparenz von normalem optischen Glas und Germanium 14

15 photographisches Meßbild Hilfsabbildungen eines Meßbildes (1) Rahmenmarken (2) Grau- oder Farbkeil (3) Bildnummerder Aufnahme (4) Uhr, Dokumentation der Aufnahmezeit (Sonnenstand) (5) Grobhöhenmesser +/- 50m (6) Dosenlibelle, Überwachung der Horizontierung des Flugzeuges. erreichbar < 5 gon (7) Datum und Projekt (8) Kameranummer (9) Kassettennummer (10) Kamerakonstante (11) Aufnahmeort und Bildneigung 15

16 photographisches Meßbild Geometrie eines photographischen Meßbildes Messbild und das zu ihm gehörende Strahlungsbündel Jeder photographischen Aufnahme liegt eine Zentralprojektion der erfaßten Erdoberfläche zu Grunde. ' O... Projektionszentrum (Schnittpunkt alleraufnahmestrahlen PP ; bezeichnet den Aufnahmeort) c... Kamerakonstante ( der Brennweite des Objektivs) 16

17 photographisches Meßbild Die Verbindungslinien der Rahmenmarken schneiden sich im Bildmittelpunkt M. Bildhauptpunkt H (H M) ist Orthogonalabbildung des Projektionszentrums O auf Bildebene Bildhauptpunkt H (x 0, y 0) und c sind die Elemente der inneren Orientierung bei einer Messkamera bekannt. (bei einer Amateurkamera nicht) definieren Lage des Projektionszentrums in Bezug zur Bildebene. ( Brennpunkt der Optik) Bezug zur Erdoberfläche erfolgt über die 6 Elemente der äußeren Orientierung (=> Photogrammetrie). 17

18 photographische Sensoren radiale Verzeichnung Zur Kompensation der Abweichungen zwischen realer und idealisierter Optik wird ein mathematisches Projektionszentrum (OM) so definiert, daß: Om liegt vor dem Autokollimationshauptpunkt HA im Abstand c die Winkel τ und τ möglichst über das gesamte Bild jeweils gleich sind verbleibende Restfehler als radiale Verzeichnung ρ bezeichnet ρ = c tan τ + ρ Radiale Verzeichnung r in Bezug zur Bildgröße r Eine Messkamera hat - im Gegensatz zur Amateurkamera - eine weit geringere Objektivverzeichnung HA... bildseitiger Hauptpunkt, korrigiert um Einflüsse der realen Optik auf Abbildungsgeometrie 18

19 photographisches Meßbild Bildmaßstab und geometrisches Auflösungsvermögen Definition des Bildmaßstabes Mb und der Bildmaßstabszahl mb Bildstrecke s c 1 = = const = Mb = Objektstrecke S h mb exakter Bildmaßstab nur bei - ebenem Gelände - Aufnahmerichtung orthogonal zur Geländeebene sonst: Verzerrungen... geometrisches Auflösungsvermögen gibt an, wie viele Striche je mm von ihren Zwischenräumen noch unterscheidbar sind [AV] = lp / mm System Kamera + Film: lp / mm Beispiel : h = 1500 m, RMK=15/23, (c = 15 cm, Format = 23x23 cm²), 125 lp/mm Größe eines hell/dunkel Strichpaares im Bild = 1/125 = mm Größe eines hellen bzw. dunklen Streifens im Bild = 0.008/2 = mm Größe eines noch erkennbaren Details im Gelände = 0.004*h/c = 0.004*1500/0.15 = 40 mm 19

20 photographisches Meßbild Bewegungskompensation Bei großen Bildmaßstäben bzw. niedrigen Flughöhen ist eine Korrektur der Bildwanderung uth (infolge der Bewegung des Sensors während der Belichtung) notwendig. u th = c v*t * h = v*t mb 20

21 Verzerrungen im Luftbild Perspektive Verzerrungen durch: Geländehöhenunterschiede Erdkrümmung => radiale Versetzungen im Bild; Ausmaß abhängig von: Abstand zu N Kamerakonstante ck Quelle: Rüger, Pietschner, Regensburger (1987) Auswirkung von Gelände- / bzw. Höhenunteschieden auf die Abbildung bei orthogonaler Projektion (links) und Zentralprojektion (rechts) 21 Quelle: Lillesand & Kiefer (2000)

22 Verzerrungen im Luftbild Projektive Verzerrungen entstehen durch: Bildneigung sind abhängig von: Bildneigung Level Lage des Punktes im Bild C a n t e d t o r ig h t Level N a d ir a n d p r in c ip a l p o in t c o in c id e e q u a l s c a le a l l o v e r p h o to g ra p h Auswirkungen im Bild: S m a ll e r s c a le L a rg e r s c a le Rechteck Viereck Roll + Pitch N ose up or dow n N a d ir P r in c ip a l p o in t C a n t e d a n d t ilt e d S m a lle s t s c a le S m a lle r s c a le Quelle: ITC Lehrmaterialien L a rg e s t s c a le L a r g e r s c a le 22

23 photographisches Meßbild Zusammenfassung: Bildmaßstab nicht konstant; abhängig von: Bildort, Bildneigung, Richtung der Strecke im Bild, Höhe der Objekte bzw. Geländehöhenunterschiede Quelle: Löffler (1985) 23

24 Stereoskopisches Sehen Prinzip des Stereoskopischen Sehens (Natürliches) Stereoskopisches Sehen, Räumliches Sehen (Künstliches) Stereoskopisches Sehen Rekonstruktion der räumlichen Situation in einem Stereomodell durch ein Stereobildpaar 24

25 Stereoskopisches Luftbildpaar Bild 1 Bild 2 Überlappungsbereich kann 3-dimensional gesehen werden Eine stereoskopische Luftbild-Aufnahme simuliert das Prinzip des 3-D-Sehens. Die aufgenommenen Photos überlappen sich in Flugrichtung (i.d.r. ca. 60%). Überlappungsgebiet aus unterschiedlichen Blickrichtungen erfaßt. Bei der Auswertung wird mittels eines Stereokopes jeweils einem Auge eines der beiden Bilder zugeführt. Das Gehirn rekonstruiert daraus das 3D-Modell. 25 aus Christiansen, Uni Giessen

26 Stereoskopisches Sehen Prinzip eines Spiegelstereoskopes ca. 60 mm linkes Bild rechtes Bild Quelle: verändert nach Löffler 1994, S. 96 ca. 270 mm Instrumentenbasis Quelle: Löffler 1985, S. 93 (modif.) Mit Hilfe des Spiegelstereoskopes werden die beiden Luftbilder von ca. 60 mm (Augenabstand beim Menschen) auf ca. 240 bis 270 mm (Instrumentenbasis) auseinandergezogen. Die tatsächlich zu benutzende Instrumentenbasis hängt neben der Gerätebauart auch vom individuellen Augenabstand ab! 26 aus Christiansen, Uni Giessen

27 Stereoskopisches Modell vertikale Überhöhung im Stereomodell Durch die starke Verkürzung des Maßstabs in der Horizontalen und durch die Verkürzung der Beobachtungsposition von der Aufnahmebasis auf den Augenabstand wird ein überhöhter Reliefeindruck vermittelt. 27

28 Stereoskopisches Messen Messen im Stereomodell, Parallaxe geometrische Beziehung zwischen Horizontalparallaxe und anderen Luftbildparametern Die Parallelverschiebung der Geraden AO2 durch O1 verdeutlicht das Maß der Horizontalparallaxe (XA + XA ) sowie die geometrischen Beziehungen zur Kamerakonstante (hier als Brennweite f dargestellt), Flughöhe (H) und 28 Aufnahmebasis (b). Quelle: Löffler (1994), S. 100

29 Stereoskopisches Messen Höhenunterschiede mittels Parallaxe Messungen H = Flughöhe(üG ) Parallaxendifferenz Bildbasis + Parallaxendifferenz relative Orientierung eines Stereobildpaares zur Parallaxenmessung = H1 p b' + p 29

30 Stereoskopisches Messen Orientierung eines Stereobildpaares 30

31 Bildflugplanung Geometrie der Flugplanung bei ebenem Gelände Zur Realisierung des Stereobereiches werden benachbarte Aufnahmen eines Flugstreifens mit einer Längsüberdeckung l geflogen. Zur Vermeidung von Lücken zwischen einzelnen Flugstreifen werden diese mit einer gewissen Querüberdeckung q geflogen. übliche Werte l ~ 60% q ~ 25 40% 31

32 Bildflugplanung Parameter der Flugplanung Bildseite im Gelände : H c S = s * mb Basis im Bild : b= Flughöhe über Grund : H = c * mb Absolute Flughöhe : ZO = H + Z Bildmaßstabszahl : bszahl : Bildmaßsta Hinflug Rückflug Längsüberdeckung l (%) : Querüberdeckung q (%) : Geländefläche eines Bildes : mb = B mb S B B *100 = (1 ) *100 S S S A A q= *100 = (1 ) *100 S S Fb = S 2 = s 2*mb2 l= l ) 100 q Streifenabstand bei q % Querüberdeckung : A = S (1 ) 100 Stereoskopisch erfasste Modellfläche : Fm = ( S B ) * S Basislänge bei l % Längesüberdeckung : B = S (1 Im Block pro Modell neu erfasste Fläche : Fn = A * B 32