Lösung der Übung 5 Photo GZ, SS 2006: Bildflugplanung Teil1

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1 Institut für Geodäsie und Photogrammetrie ETH Zürich CH-8093 Zürich Henri Eisenbeiss Photogrammetrie und Fernerkundung Tel.: Fax: Lösung der Übung 5 Photo GZ, SS 2006: Bildflugplanung Teil1 Aufgabenstellung: Teil1) Eine Photogrammetriefirma hat den Auftrag in Zürich den Stadtteil Höngg und den Campus der ETH Hönggerberg zu vermessen und ein 3D-Stadtmodell zu erzeugen. Die Genauigkeitsanforderungen des Projektes sind: - Lagegenauigkeit: 0.05 m - Höhengenauigkeit: 0.10 m Der Firma stehen verschieden Aufnahmeplattformen zur Verfügung: a) Zum einen ein bemannter Helikopter mit einer maximalen Flughöhe von 1 km und maximaler Fluggeschwindigkeit von 40 km/h. Der Helikopter ist ausgerüstet mit einer CCD Farbkamera. Der Sensor besteht aus 4000 x 4000 Bildelementen (Pixel). Jeder Pixel hat eine Grösse von 7.37 x 7.37 µm. Die Kamera produziert für jeden Pixel 3 x 12-bit (R, G, B Kanäle). Die Daten werden via einen schnellen Bus zu einem digitalen Video Recorder übertragen und dort gespeichert. Es stehen verschiedene Objektive zur Verfügung (16 mm, 20 mm, 50 mm und 150 mm). Die Kamera verfügt über die normalen Belichtungszeiten, die bei den Standard-Luftbildkameras zu treffen sind (d.h. 1/250 s, 1/500 s, 1/1000 s), und hat keine Bildwanderungskompensation. b) Als zweites Aufnahmesystem steht ein GPS/INS basierend stabilisierter Modellhubschrauber zur Verfügung. Dieser Modellhubschrauber kann max. 30 m/s und mit einer Höhe 300 m über Grund fliegen. Der Modellhubschrauber ist mit einer Stillvideokamera ausgestattet, die eine Auflösung von 3072 x 2048 und eine Farbtiefe von 16 Bit hat. Die Pixelgrösse beträgt 6.5 x 6.5 µm. Zur Aufnahme stehen ein Zoomobjektiv mit einer Brennweite von mm und ein Festbrennweitenobjektiv mit 35 mm zur Verfügung. Die Belichtungszeit kann von 8 s bis 1/4000 s gewählt werden. Die Bildwanderung sollte 8 µm nicht übersteigen. Die minimale Grösse der Objekte, die noch erkennbar sein sollten, beträgt im Objektraum 0.03 m (also ein Pixel im Bild sollte ungefähr eine Fläche in der Landschaft von 0.03 m x 0.03 m repräsentieren). Die digitalen Methoden die uns zur Verfügung stehen, haben eine Messgenauigkeit der Pixel- (Bild-) Koordinaten von 0.3 Pixel. Das kleinste Signal (Passpunkt), das erkennbar und gut messbar ist, beträgt 5 x 5 Pixel. Alle oben genannte Anforderungen sollten, unter Berücksichtigung der gegebenen Einschränkungen, erfüllt werden.

2 - 2 - Definieren Sie folgende Bildflugparameter (nicht unbedingt in der hier angegebenen Reihenfolge): - Kammerkonstante, Bildmassstabszahl, absolute Flughöhe (minimale und maximale für das gegebene Gelände) - Längs- und Querüberdeckung, Bildflugbasis - Bodengrundfläche (eines Bildes und der ganzen Region), stereoskopische Neufläche, Anzahl Streifen, voraussichtliche Anzahl Bilder - Bildfolgezeit, Belichtungszeit, Fluggeschwindigkeit, Bildwanderung - Datenmenge (in Megabyte) aller Bilder, die für die vorgegebene Region notwendig sind - Erforderliche Busrate (in Megabyte/s) für den Transfer der Daten von der Kamera zum Video Recorder. - Grösse (realistisch wählen) und Beschreibung (Skizze) der Signalisation (Markierung der Passpunkte) - Flugdatum (Jahreszeit, Tageszeit, andere Bedingungen) - Exemplarisch ist die abgedeckte Fläche einer Aufnahme in der Karte zu markieren Teil2)..wird an dieser Stelle nicht beschrieben. Bei Rueckfragen zu diesem Teil bitte direkt an ehenri@geod.baug.ethz.ch. Dieser Teil wurde von einigen durch gute Überlegungen (repitative Textur der Fassaden) zwar sehr kurz aber immer noch ausreichend behandelt. Im Rahmen Science City soll zusätzlich das 3D-Modell der ETH Hönggerberg texturiert werden. Zur Planung der Flüge steht ein vorhandenes Modell des IGP der ETH Zürich zur Verfügung. Da die Aufnahmen der Texturen kostenintensiv sind, muss die Firma abwägen, wie die Fassaden aufgenommen werden sollen. Daher ist die Kostenabschätzung für den Bildflug mit einer terrestrischen Aufnahme zu vergleichen. Bemerkungen: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die oben genannte Aufgabe zu erfüllen. Bei der Wahl der Bildflugparameter versuchen Sie die Kosten (Bilddaten UND Anzahl Bilder UND Flugzeit) zu minimieren. Begründen Sie Ihre Wahl.

3 - 3 - Bemerkungen zu den Ausarbeitungen: - Die einzelnen Antworten sind nicht detailliert korrigiert, da hier ein Lösungsbeispiel schriftlich vorliegt. -Einige oft gemachte Fehler: - Manchmal werden die Einheiten nicht angegeben oder unsinnige Kommastellen aufgeführt. - Die Auswahl der Parameter sollte mit der Berechnung des Massstabsfaktors und der Definition der Überlappungen beginnen. Dann, sollte die Kamerakonstante gewählt werden, so dass alle Anforderungen erfüllt werden können. - In einigen Fällen wurde die Wahl des Objektives und der Überlappungen nicht begründet. - Die Überprüfung, ob die geforderte Lage- und Höhengenauigkeit erfüllt werden können, fehlte oft. Dies war aber der wichtigste Punkt in dieser Aufgabe. - Manche haben maximalistische Lösungen vorgeschlagen mit 15 cm Objektiv und sehr grossen Überlappungen. Sicher sind dann Verdeckungen weniger, man sollte aber auch auf die Wirtschaftlichkeit achten und die Tatsache, dass je grösser die Kamerakonstante und die Längsüberlappung desto schlechter die Höhengenauigkeit. Lösung (Beispiel Bemannter Helikopter): I.) Längs- und Querüberdeckung 60% und 20%, d.h. quasi das Minimum was erforderlich ist, um Anzahl Bilder und Kosten zu reduzieren Dabei nehme ich an, dass es wegen der Wahl der Kamerakonstante (= 5 cm) wenig Verdeckungen geben wird. Als Alternative könnte ich (a) 80% Längsüberdeckung wählen (und in der Stereo- Auswertung die Bilder mit 80% nur dann benutzen, wenn sie notwendig sind), oder (b) auch die Querüberlappung auf 60% erhöhen (um Verdeckungen quer zu der Flugrichtung zu reduzieren). Beide Optionen (a) und (b) führen zu ca. doppelt bzw. 4fach soviel Aufnahmen im Vergleich zur 60% / 20% Option. Ein Kompromiss zwischen (a) Wirtschaftlichkeit und (b) weniger Verdeckungen wäre wahrscheinlich die Option (a) zu wählen (Beachte: bei 80% und Kamerakonstante 15 cm ist die Höhengenauigkeit (s. Formel unten) 22.5 cm (> 10 cm). In diesem Fall sollte ich die Flughöhe verkleinern, d.h. Bildmassstab vergrössern). Die Lösung unten basiert auf die 60% / 20% Option. II.) Kammerkonstante (cc), Bildmassstabszahl (mb), Bildflugbasis, Flughöhe Die zwei ersten sind die wichtigsten Parameter. Alle folgenden Anforderungen sollten erfüllt werden: (a) minimale Grösse der erkennbaren Objekte ist 3 cm und ein Pixel 7.37 µm. Daraus ergibt sich ein Massstab von 1:4070 (~1:4000 ) Von der obigen Bildmassstabszahl überprüfen wir jetzt ob die geforderte Lage- und Höhengenauigkeit erfüllt werden können. (b) Lage: Messgenauigkeit (sx) im Bild ist 0.3 Pixel (= 2.21 mm). sx * mb = 2.21 * 4000 = 0.9 cm < 5 cm, also OK

4 - 4 - (c) Höhe: Bilddimensionen: (4000 x 7.37) 2 mm 2 = 2.95 cm x 2.95 cm Bildbasis (b) = 2.95 cm * (1-60/100) = 1.18 cm Bildflugbasis im Objektraum (B) = 1.18 cm * 4000 = m Für cc = 5 cm: Flughöhe über Grund (hg) = 5 cm * 4000 = 200 m < 1 km (OK) sz = sx * hg / b Für cc = 5 cm: sz = 2.21 mm * 200 m / 1.18 cm = 3.75 cm < 10 cm, also OK Das 5 cm Objektiv ist daher OK. Geländehöhe in der Region: m => Flughöhe = m III.) Bodengrundfläche: Ein Bild: (2.95 cm x 4000) 2 = 13,905 m 2 Für die ganze Region Ft = 1.5 km x 2 km = 3,000,000 m 2 IV.) stereoskopische Neufläche (Fn) = a * B (a = Abstand zwischen zwei benachbarten Streifen = * (1-20/100) = 94 m ; B = 47 m ), Fn = 4,450 m 2 V.) Anzahl Streifen: Ich wähle als Flugrichtung (Streifenrichtung) aufgrund der grossen Höhenunterschiede in N-S Richtung, die O-W-Richtung gewählt werden. Anzahl Streifen = n+1, mit n aus m+ n*94 m= 1.5 km => n = 14.7 = 15 => 16 Streifen sind notwendig VI.) voraussichtliche Anzahl Bilder Erste Möglichkeit: Ft/Fn = 675 Bilder. Diese Formel ist approximativ. Ich kann genauer, wie folgt, die Anzahl Bilder pro Streifen berechnen: Ein Bildpaar deckt m * 60% (=70.75 m) ab. Für jedes neue Bild im Streifen kommt m * 40% (=47.17 m) hinzu. Also, m + n*47.17 m = 2 km => n = 40.9 = 41 => 43 Bilder pro Streifen sind benötigt. In Wirklichkeit, können die Streifen mit Bildern über dem See kürzer sein. Also Anzahl Bilder: 16 * 43= 688 (vgl. mit den 675 aus der approximativen Formel) VII.) Belichtungszeit, Fluggeschwindigkeit, Bildwanderung, Bildfolgezeit Um die Bildwanderung zu reduzieren, könnte ich kleine Fluggeschwindigkeit und kurze Belichtungszeit wählen. Eine kurze Belichtungszeit führt aber zu kleiner Tiefenschärfe, was für dieses Projekt von Bedeutung ist, da die Flughöhe niedrig ist und hohe Gebäude im Stadtzentrum existieren und verlangt gute Lichtverhaeltnisse. Aus diesem Grund wähle ich dt = 1/500 sec. Mit Vg = 40 km/h, mb = 4000 und dt = 1/500 sec ist die Bildwanderung 5.6 mm.

5 - 5 - Eine kürzere dt von 1/250 sec würde zu einer nicht akzeptablen Bildwanderung von 11.1 mm führen. Die Bildfolgezeit ist: m (Bildflugbasis) / 11.1 m/s = 4.25 sec VIII.) Datenmenge (in MByte) aller Bilder Ein Bild ist 4000 x 4000 x 12-bit (1 Byte = 8 bit) * 3 Kanäle = 68.7 MBytes. Alle 688 Bilder sind grob 47,250 MBytes ~46,2 GByte. IX.) Erforderliche Busrate (in MByte/s) für den Transfer der Daten von der Kamera zum Video Recorder Ein Bild (= 68.7 MBytes) jede 4.25 sec => Transferrate sollte mindestens ~16.2 MBytes/s sein. X.) Grösse (realistisch wählen) und Beschreibung (Skizze) der Signalisation Die Signale sollten rund oder quadratisch sein. Ich wähle quadratisch (einfacher zu konstruieren). Ihre Grösse sollte mindestens 3 x 3 Pixel sein. Ich wähle eine Grösse von 5 x 5 Pixel (= 15 cm x 15 cm im Objektraum). So grosse Signale sind nicht problematisch zu plazieren/malen und besser sichtbar als die mit 3 x 3 Pixel. Ich wähle 1 Hinweisstreifen, um die Signale von anderen kleinen Objekten besser unterscheiden zu können (in der Praxis werden oft keine Hinweisstreifen benutzt, um die Signalisationskosten zu minimieren ; statt Streifen, macht man zur Identifikation der Signale genaue Skizzen mit Hilfe von grossmassstäblichen Plänen). Die Distanz der Streifen vom Signal (b) sollte genügend gross sein, damit es keine Verschmelzung im Bild zwischen Signal und Streifen gibt (ich wähle 3 Pixel). Damit die Streifen gut sichtbar und vom Signal leicht zu unterscheiden sind, sollte ihre Länge ca. 2-3 * (Signalgrösse) sein. Die Streifen sollten weit weg von 3-D Objekten wie Gebäude und Bäume plaziert werden, um die Gefahr von Bildverdeckungen zu reduzieren, z.b. für ein Signal auf dem Trottoir sollte ein Streifen Richtung Strasse zeigen und nicht Richtung Gebäude. Als Farbe wähle ich etwas helles (z.b. weiss, spezielle leuchtende orange Farbe) a b c a = 15 cm, b = 9 cm c = 40 cm XI.) Flugdatum (Jahreszeit, Tageszeit) Frühling oder Herbst (wichtig ist, dass es wenig Blätter auf den Bäumen gibt). Im Herbst aufpassen, dass es keine Blätter auf Strassen und Trottoirs gibt. Auch kein Schnee. Gute, klare Wetterbedingungen (z.b. Föhn, nach einem heftigen Gewitter etc.). Sehr wenig Wind (wegen des kleinen Bildformates, könnte starker Wind zu Lücken oder ungenügenden Bildüberdeckungen führen). Gegen Mittag (wenig Schatten), jedoch auf Reflexionen, aufpassen. Lieber vor dem Mittag, um mögliche Reflexionen und zu starken Kontrast zu vermeiden.

6 - 6 - XII.) Projektionszentren der Aufnahmen mit unterlegten Orthophoto: