Inhalte. Photogram. Aufnahmesysteme. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 1

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1 Inhalte Photogram. Aufnahmesysteme Metrische Kameras (Definition der Inneren Orientierung) Analoge Messkameras Fotografische Aspekte Digitalisierung analoger Bilder Digitale Aufnahmesysteme (Messkameras) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 1

2 Photogrammetrische Aufnahmesysteme Digitale Luftbildkameras HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 2

3 Digitale Luftbildkameras Digitale Luftbildkameras haben zwischenzeitlich analoge Luftbildaufnahmesysteme auf dem Markt verdrängt. Mit Einführung der digitalen Systeme ist der Datenfluss in der photogrammetrischen Datenerfassung und Auswertung vollständig digital. Dies gewährleistet ein hohes Automationspotential in der digitalen photogrammetrischen Prozesskette. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 3

4 Digitale Prozesskette HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 4

5 Digitale Luftbildkameras Weitere Vorteile der digitalen Systeme sind: Erweiterte spektrale Empfindlichkeit Neben dem panchromatischen Bild werden auch multispektrale Bilddaten geliefert Arbeiten im Fotolabor entfallen A/D-Wandlung mittels Scannern ist nicht mehr notwendig HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 5

6 Digitale Luftbildkameras Die Entwicklung der neuen digitalen Luftbildkameras wurde und wird auch heute noch maßgeblich in Deutschland durch die DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) und durch Z/I Imaging (Zeiss Oberkochen und Intergraph) bestimmt. Bei der Entwicklung der digitalen Kamerasysteme wurden zwei verschiedene Aufnahmeprinzipien verfolgt, die zum einen auf Zeilensensoren, zum anderen auf Flächensensoren basieren. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 6

7 Digitale Luftbildkameras Das Prinzip des Zeilensensors wurde in der High Resolution Stereo Camera (HRSC-AX), einer Entwicklung der DLR in Berlin-Adlershof, und in dem Airborne Digital Sensor (ADS40), die gemeinsam von der DLR und Leica Geosystems entwickelt wurde, eingesetzt. Dagegen beruht die Aufnahmetechnik der Digital Modular Camera (DMC) von Z/I Imaging auf einem Flächensensor. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 7

8 Digitale Luftbildkameras (1. Generation) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 8

9 Digitale Luftbildkameras Spezifikationen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 9

10 3-Zeilen-Sensor ADS 40 Die drei CCD-Zeilensensoren mit jeweils Pixel sind so angeordnet, dass die Bildaufnahme gleichzeitig rückwärts, im Nadir und vorwärts erfolgt. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 10

11 3-Zeilen-Sensor ADS 40 Die ADS40 besitzt insgesamt 7 lineare parallel angeordnete CCD-Sensoren; davon sind drei panchromatische lineare CCD s (vorwärts, Nadir, rückwärts) mit je zwei gestaffelten CCD-Reihen, drei linearen Farb-CCD-Reihen (rot, grün, blau) mit dichroitischem Spiegel zur Einspiegelung des getrennten Lichtes und einer linearen infrarot CCD-Sensorreihe. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 11

12 3-Zeilen-Sensor ADS 40 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 12

13 3-Zeilen-Sensor ADS 40 Durch die um 3.25 μm gestaffelte Anordnung der jeweils zwei panchromatischen Sensorreihen wird die Anzahl der Pixel rechnerisch auf erhöht. Die digitale Bilddaten werden auf einen Massenspeicher mit einer Aufnahmerate von 100GB pro Stunde gespeichert. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 13

14 3-Zeilen-Sensor ADS 40 Das Kamerasystem ADS40 wird für den Einsatz im Flugzeug in der kreisel-stabilisierenden Aufhängung PAV30 befestigt. Für die Orientierung der jeweils aufgenommenen 7 Sensorzeilen ist eine direkte Georeferenzierung durch Kombination von GPS/INS zwingend erforderlich. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 14

15 3-Zeilen-Sensor ADS 40 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 15

16 3-Zeilen-Sensor ADS 40 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 16

17 3-Zeilen-Sensor ADS 40 Houston Capitol aufgenommen mit ADS40 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 17

18 Leica ADS 80 - Airborne Digital Sensor Folien zur ADS 80: WPB Photogrammetrie 2009/10 Andreas Erlenbruch & Matthias Richters HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 18

19 Mechanisches Interface OI 40 MM 80 CU 80 SH 81/82 PAV 80 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 19

20 Sensorkopf SH 81/82 8/12 CCD Zeilen mit Pixel Pixelgröße 6.5 Mikrometer 2 Panchromatische Zeilen 1 Paar Panchromatische Zeilen um ½ Pixel versetzt 8 Spektrale Zeilen 2x Rot 2x Grün 2x Blau 2x Naher Infrarotbereich HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 20

21 Datenerfassung Via Pushbroom HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 21

22 Digitale Optik DO64 Hergestellt bei SwissOptic, Heerbrugg 64 Weitwinkel Brennweite 62.77mm, Blendenzahl 4 Spektralbereich nm Auflösung 130 lp/mm, optimiert für CCD s Aufnahmegenauigkeit 1 µm Wärme- und Druckkompensation Telezentrisches Linsendesign HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 22

23 Telezentrisches Linsendesign Telezentrische Objektive zeichnen sich dadurch aus, dass die Eintritts-oder Austrittspupille im Unendlichen liegt. Ein beidseitig telezentrisches Objektiv weist theoretisch keine geometrischen Abbildungsfehler, wie z.b. Verzeichnung, auf. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 23

24 Tetrachroider Strahlteiler Simultanes Aufnehmen von RGB und NIR Gleiche Bodenauflösung in allen Spektralbereichen Positioniert zwischen Linse und CCD s HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 24

25 Weitere Spezifikationen Bodenauflösung Bei 140 km/h max. 3 cm Bei 480 km/h max. 15 cm Speicherkapazität Bei 768 Gb können insgesamt 11,4h Daten gespeichert werden Die Flashspeichereinheiten sind im Flug austauschbar Flughöhe bis 7.620m ohne Druckkabine HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 25

26 System-Eigenschaften Co-Registrierung von RGB und RGN Bildern Panchromatische, farbige und infrarote Stereobilder Echte und hochauflösende Farbbilder (Kein Pan Sharpening notwendig) Co-Registrierung aller Multispektraler Bänder mittels des Tetrachroid Strahlsplitters Keine Farbverzerrung durch gleichen Aufnahmewinkel Direkte Georeferenzierung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 26

27 Vorteil des Zeilensensors HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 27

28 PAN Sharpening HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 28

29 RGB, NIR und PAN HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 29

30 Einbau im Bildflugzeug HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 30

31 HRSC-A Große internationale Bedeutung für die Photogrammetrie hat die im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte High Resolution Stereo Camera-Airborne (HRSC-A ) erlangt. Das Konzept stammt von Otto Hofmann (1986). HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 31

32 HRSC-A Das Kamerasystem wurde in der Erforschung der Mars Oberfläche eingesetzt. mera.shtml HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 32

33 HRSC Mars Expedition Candor Chasma, Ophir Chasma HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 33

34 DMC Digital Mapping Camera System Das technische Konzept der digitalen Kamera von Z/I Imaging beruht auf einen bzw. mehreren CCD- Flächensensoren von Philips. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 34

35 DMC Digital Mapping Camera System Die Pixelgröße ist mit 12 μm fast doppelt so groß wie die der Kameras mit Zeilensensoren. Der einzelne CCD-Chip hat eine Größe von 7000 x 4000 Pixel, so dass sich aus einer Anordnung von vier panchromatischen Kameraköpfen ein virtuelles Bild von ca quer und ca Pixel in Flugrichtung ergibt. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 35

36 DMC Digital Mapping Camera System Die vier panchromatischen Bilder werden durch Messung von Verknüpfungspunkten in den sich überlappenden Bildregionen und durch geometrisches und radiometrisches Mosaiking zu einem virtuellen Bild zusammengesetzt. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 36

37 DMC Digital Mapping Camera System HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 37

38 DMC Digital Mapping Camera System Für die gleichzeitige Aufnahme von Bildern in Echtund Falschfarben werden weitere vier Kameraköpfe mit einer jeweiligen Aufnahmefläche von 3000 x 2000 Pixel an den äusseren Rand des Kamerasystems angebracht. Für die panchromatischen Sensoren wird eine Kamerakonstante von 120mm ein-gesetzt, während die multispektralen Sensoren Objektive mit einer Kamera-konstante von 25mm verwenden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 38

39 DMC Digital Mapping Camera System Grundkörper (li.) und Blick auf die Optik (oben) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 39

40 DMC Digital Mapping Camera System Die durch die Bewegung des Flugzeuges erzeugte Bildwanderung wird elektronisch durch eine TDI (Time Delayed Integration) ausgeglichen, in dem während der Belichtung die von den Sensorpixeln aufgenommene Lichtinformation auf dem Chip weitergeschoben wird. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 40

41 DMC Digital Mapping Camera System Die radiometrische Qualität der digitalen Bilder ist wie bei den Kameras mit Zeilensensoren durch die hohe Anzahl von 12 Bits/Pixel (4096 Graustufen) sehr gut. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 41

42 DMC Digital Mapping Camera System Im full-color Modus (12 bit/pixel) werden pro Bild 260 MB Rohdaten erzeugt. Bei einem verfügbaren Plattenspeicherplatz von 840 GB können mehr als 2000 Fotos erstellt werden. Dies entspricht einer Menge von drei 500m Filmrollen. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 42

43 DMC Digital Mapping Camera System Nach Abschluss des Bildflugs werden die Bilddaten in einem post-processing weiterverarbeitet. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 43

44 DMC Digital Mapping Camera System Das post-processing erfolgt in zwei Schritten, die radiometrische und geometrische Korrekturen beinhalten. Die resultierenden Bilder mit voller Auflösung (7680 x 13824) liegen vor als Panchromatisches Bild Color-(RGB)-Bild Color-Infrarot-Bild Sowie in Farbauflösung (2048 x 3072) als Color-(RGB-)Bild Color-Infrarot-Bild 4-Band-Bild Nahes-Infrarot-Bild HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 44

45 DMC Digital Mapping Camera System Bodenauflösung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 45

46 UltraCamXp Folien zur UltraCamXp: WPB Photogrammetrie 2009/10 Anjis Zimmerschied & Sebastian Räder HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 46

47 Aufbau DXp/CXp Einheit (Speicher und CPU) SXp Einheit (Sensor) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 47

48 Spezifikationen der Sensoreinheit SXp Pixelgröße am Boden 1,8cm bei 300m Flughöhe 2,9 cm bei 500m Flughöhe Verhältnis Panchromatisch zu RGB/NIR 1:3 Verschlusszeiten: 1/500 bis 1/32 sec Forward-Motion-Compensation: TDI bis max 50pixel Strombedarf: 150 W bei voller Leistung Speicherbedarf pro Bild: 624 MB Speichertiefe: bit HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 48

49 Größenvergleich Maße: 45cm*45cm*60 cm Gewicht: ~55kg HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 49

50 Sensoren: Multispektrale Kanäle Rot, Grün, Blau, NIR Bildgröße: 5770*3770 px Pixelgröße: 6 µm Brennweite: 33mm Blickwinkel: 55 gegen die Flugrichtung 37 in Flugrichtung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 50

51 Sensoren: Panchromatische Kanäle Multi Cone Multi Sensor: 4 einzelne Kameras Bildgröße: 17310*11310px Pixelgröße:6 µm Bildformat: 104*68,4mm Brennweite: 100mm Blickwinkel: 55 gegen die Flugrichtung 37 in Flugrichtung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 51

52 Footprint HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 52

53 Spezifikationen: Datenspeicher DXp und Datenprozessierung CXp Speicherplatz: unbegrenzt durch austauschbare DXp Einheiten ~4,2 TB je DXp Einheit ~6600 Bilder je DXp Einheit wechselbar in < 3Minuten speichert Bilder in 2 DXp-Einheiten gleichzeitig Maße: 50cm*36cm*65cm Gewicht CXp + 2 DXp <92kg DXp ~16kg Verbindung über 2 Infiniband Kabel (2,5 GBit/s ) Stromverbrauch: 700W bei voller Leistung CXp DXp HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 53

54 Software Camera operating software (COS V3.2 ) Flugüberwachungsmonitor Office processing center (OPC V3.2 ) Bildzusammensetzung aus den 13 Einzelbildern HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 54

55 Zusammensetzung der R,G,B,NIR und des Pan-Bildes PAN R G B NIR HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 55

56 Beispielbilder: RGB-Kanäle HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 56

57 Beispielbilder: IR-Kanal HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 57

58 Z/I DMC II DMC II 140 / 230 / 250 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 58

59 Z/I DMC II - Eigenschaften Aufnahme in Nadir-Richtung sowie ein-linsiges Projektionssystem Kein CCD stitching oder Bildmosaiking im Post-processing erforderlich Monolithischer panchromatischer 250 MP CCD (17216 x pixels) mit 5.6µ pixel Größe und 112 mm Brennweite Vier Multispectral-Kameras, (RGB) and nahes-infrarot (NIR) mit 42 MPixel CCD (6846 x 6096 pixel) und 7.2µ pixel Größe und a angepasstem Farbfilter Jeder Kamerakopf verfügt über einen piezo-betriebenen Verschluss mit Selbst-Kalibrierung und maximaler Synchronization HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 59

60 Z/I DMC II - Eigenschaften 2,3 Sekunden Bildfolgezeit ermöglicht hohe Fluggeschwindigkeiten und hohe Bildüberlappung und Bodenauflösung (bei 80 % Längsüberlappung und 6 cm ground sample distance [GSD], max. Geschwindigkeit über Grund: 198 knots) PAN/color Verhältnis 1:3.2 Basis-zu-Flughöhen Verhältnis 0.28 Bilddaten post-processing der DMC II 250 basiert auf der DMC post-processing software Finales Bildformat nach dem post-processing beträgt x pixel HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 60

61 Z/I DMC II - Eigenschaften Kompatibel zu allen existierenden Peripheriegeräten der RMK TOP, DMC undrmk D, ebenso wie zu Z/I Mission planning software, Z/I Inflight sensor management system, solid state disks (SSD), storage cartridges, Readout Station, T-AS mount und Z/I Mount Viele Variationsmöglichkeiten für IMU Sensoren, einschließlich Leica IPAS 20 Einfaches Upgrade der RMK D, DMC II 140 sowie DMC II 230 auf eine DMC II 250 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 61

62 Z/I DMC II DMC II Inflight HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 62

63 Z/I DMC II DMC II Komplettsystem HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 63

64 Z/I DMC II Anwendungen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 64

65 Z/I DMC II Auflösung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 65

66 Z/I DMC II Auflösung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 66

67 Z/I DMC II Technische Daten im Vergleich ( ) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 67

68 Z/I DMC II Quelle: Karsten Jacobsen - Geometric Analysis of DMC II 140 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 68

69 Z/I DMC II Quelle: Karsten Jacobsen - Geometric Analysis of DMC II 140 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 69

70 Evaluierung digitaler Luftbildkamerasysteme Untersuchung digitaler Luftbildkameras, initiiert und durchgeführt durch die Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation (DGPF) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 70

71 Quellen Sensors_57608.htm HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 71