Prinzip. Grundkonzept Zeilenkamera

Transkript

1 Zeilenkameras

2 Prinzip Grundkonzept Zeilenkamera

3 Prinzip Sensor einzelne CCD-Zeile, orthogonal zur Flugrichtung angeordnet; oft auch pushbroom scanner Aufnahme System muss so konfiguriert sein, dass unmittelbar benachbarte Zeilen am Boden beobachtet werden benötigt eine entsprechende Beziehung zwischen innerer Orientierung, Flughöhe und Fluggeschwindigkeit Stabilisierung Lufgestützte Zeilenkameras sind stabilisiert, um die Winkelbewegung des Flugzeuges (grob) zu kompensieren

4 Aufnahmegeometrie jede Zeile hat eine eigene äussere Orientierung keine Überlappung um Zeilen zu verknüpfen

5 Orientierung Relative Orientierung benötigt Position und Ausrichtung der Kamera direkte relative Orientierung mittels GPS/IMU GPS im Flugzeug, hochgenaue IMU an der Kamera Zeilenkamera-Bilder (Streifen) mit bekanntem DHM (in der Praxis oft eine horizontale Ebene) können Zeilen eines Streifens zu einem Bild zusammengefügt werden quer zum Streifen Zentralprojektion längs Parallelprojektion

6 Orientierung noch unbestimmt GPS Datumstransformation Offset von GPS zu Kamera IMU Winkel-Offset ( boresight misalignment ) Absolute Orientierung Passpunkte in entzerrten Streifenbildern messen Helmert Transformation ins Objektkoordinatensystem Bemerkung: Zeilenkameras auf Satelliten häufig in der Satellitenfernerkundung eingesetzt direkte Georeferenzierung mit Ephermeriden-Daten Satelliten haben stabilere Bahnen als Flugzeuge aus dem Weltall reicht oft eine horizontale Ebene ams DHM

7 Einzeilen-Kameras Anwendungen hauptsächlich für Fernerkundung niedrige Auflösung, multi-/hyperspektral Beispiel: Specim AisaEAGLE 1024 pixels bis zu 488 Spektralbänder

8 Dreizeilen-Kameras Erweiterung: mehrere Sensorzeilen typischerweise mindestens drei Zeilen: vorwärts, Nadir, rückwärts (prinzipiell sind auch mehr Zeilen möglich) simultan aufgenommene Zeilen haben eine gemeinsame äussere Orientierung Flächenkamera mit vielen fehlenden Pixeln

9 Dreizeilen-Kamera Aufnahmegeometrie drei Aufnahmen eines Streifens haben 100% Überlappung drei Strahlen pro Punkt (mehr im Überlappungsbereich der Streifen)

10 Beispiel Leica ADS80 benutzt bei Swisstopo einziges verbreitetes, kommerzielles System andere Systeme noch erhältlich? (Wehrli, Jenoptik)

11 Beispiel Leica ADS pixels / Zeile Streifenbreite (swath angle) 64º 3x panchromatisch Blickrichtungen -16º, 0º, 40º im Nadir 2 versetzte Zeilen Erhöhung der Auflösung ( super-resolution ) 2x R, G, B, NIR radiometrische Auflösung 12 bit

12 Beispiel Leica ADS80

13 Vergleich zur Flächenkamera 3-Zeilen 3 Strahlen pro Streifen für jeden Punkt (ausser Verdeckungen) Flächen 2 Strahlen/Streifen für jeden Punkt, abhängig vom Überlappung 2-3 for 60% LÜ 4 for 80% LÜ

14 Vergleich zur Flächenkamera 3-Zeilen Parallaxe durch die innere Orientierung bestimmt Flächen Parallaxe abhängig von der Basislänge

15 Vergleich zur Flächenkamera 3-Zeilen Nadirzeile für jeden Punkt beobachtet Schrägansichten für Wände in Flugrichtung Flächen Blickwinkel abhängig von Aufnahmepositionen (weniger problematisch bei hoher Überlappung) flight path

16 Verknüpfungspunkte Entzerrte Zeilenscans sind interpretierbare Bilder Bildpunkte/-linien wie in normalen Bildern messbar Koordinaten werden zur weiteren Verarbeitung in die rohe Zeilengeometrie zurücktransformiert Verknüpfung Punkte Linien besonders nützlich Beispiel: gerader Strassenrand in Flugrichtung stabilisiert Drehung um die Flugachse (roll angle)

17 Aerotriangulation Konventionelle Triangulation im Prinzip wäre es möglich, mit konventioneller Bündelausgleichung zu triangulieren nicht erstaunlich, drei Zeilen sind eine reduzierte Flächenkamera mit denselben geometrischen Zusammenhängen in der Praxis nicht machbar, weil man in nur 3 Zeilen nicht genügende Verknüpfungspunkte messen kann Direkte Georeferenzierung wie für Einzeilen-Kamera (oder Laser-Scanner) Bestimmung der relativen Orientierung mittels GPS/IMU Bestimmung der absoluten Orientierung mit Passpunkten

18 Aerotriangulation Schwäche der 2-Schritt Lösung Ungenauigkeit von GPS/IMU Beobachtungen stört die relativen Orientierungen Passpunkte können diese Ungenauigkeiten nicht korrigieren (und umgekehrt) der 100% Überlappung zwischen den drei Zeilenscans bleibt ungenutzt hybride Bündelausgleichung ZIEL: gesamte äussere Orientierung aller Aufnahmen aus einem Guss LÖSUNG: dynamisches Modell (sinnvolle Annahmen über die Geometrie des Flugweges) Bedingungen über Dynamik verringern die Zahl der unbekannten Orientierungsparameter Verknüpfungspunkte garantieren Konsistenz zwischen den drei Zeilenscans

19 Dynamisches Modell Polygonaler Pfad Einfachste Idee: Festlegung von Basispunkten (orientation fixes) in regelmässigen (Zeit-)Abständen lineare Interpolation zwischen Basispunkten physikalisch unplausibel: nur C 0 -stetig, plötzliche Richtungsänderungen an Basispunkten dennoch eine vernünftige Approximation, manchmal genutzt C(t) = t + t + t t C(t )+ t t + t t C(t + )=wc(t ) + (1 w)c(t + ) (t-, ω-) (t+, ω +) t-t- t+-t

20 Aerotriangulation Effekt des dynamischen Modells nur ein Basispunkt pro sb Zeilen, dennoch definieren die Basispunkte die Flugbahn vollständig äussere Orientierung muss nicht für jede Zeile bestimmt werden, sondern nur für die Basispunkte statt 6 Ncam Unbekannten nur mehr 6 Ncam/sB Unbekannte Redundanz zur Verbesserung der 6 Ncam beobachteten Orientierungswerte Wahl des Abstands sb: kleiner als kürzere Scanbasis, um sicherzustellen dass drei aufeinanderfolgende Basispunkte verknüpft werden können

21 Aerotriangulation Verknüpfungspunkte einzelne Scans werden grob entzerrt, erlaubt Punktmessung in den einzelnen Scans jeder Verknüpfungspunkt liefert 2 3=6 Beobachtungen, aber nur 3 zusätzliche Unbekannte für die Objektkoordinaten

22 Aerotriangulation Mehrere Streifen Verknüpfungspunkte zwischen benachbarten Streifen tragen sogar 2 2 3=12 Beobachtungen bei (oder gar 3 2 3=18 bei 60% Überlappung)

23 Aerotriangulation Bildpunkte funktionales Modell: Kollinearität x ij + vij x = P(1) j (C j )X i P (3) j (C j )X i beobachteter Bildpunkt äussere Orientierung von Bild j 3D Punkt i in Objektkoordinaten (Annahme: feste innere Orientierung) y ij + v y ij = P(2) j (C j )X i P (3) j (C j )X i

24 Aerotriangulation Projektionszentren aus GPS/IMU eingeführt als starres 3D Modell (oder ein Modell pro Streifen) funktionales Modell: (Helmert-)transformation von GPS- zu Objektkoordinaten X GP S + v = E X cam beobachtete GPS/IMU Position unbekannte Transformationsparameter Kameraposition in Weltkoordinaten z y x

25 Aerotriangulation Dreizeilen-Kamera mit dynamischem Modell alle äusseren Orientierungen C(t) beobachtet Unbekannte nur an Basispunkten jeder Basispunkt wird aus den Beobachtungen des vorhergehenden und nachfolgenden Zeitintervalls bestimmt hohe Redundanz y ij + v y ij = P(2) beobachtetet Bildpunkt äussere Orientierung des letzten Basispunkts j w j C(t j ) + (1 w j )C(t j+ ) X i P (3) j w j C(t j ) + (1 w j )C(t j+ ) X i äussere Orientierung des nächsten Basispunkts 3D Punkt i in Objektkoordinaten

26 Erweiterung Besseres dynamisches Modell aus physikalischen Gründen muss die Flugbahn - bei entsprechender zeitlicher Auflösung - glatt sein Elemente der äusseren Orientierung sind eine glatte Funktion der Zeit/Wegstrecke Annahme: Flugbahn ist C 2 -stetig, daher mit einem kubischen Spline beschreibbar (vgl. DHM-Vorlesung) keine Abnahme der Redundanz - auch kubischer Spline ist durch die Basispunkte vollständig bestimmt C(t) =a 0 + a 1 (t t )+a 2 (t t ) 2 + a 3 (t t ) 3 C(t) = X c (t) Y c (t) Z c (t) (t) (t) (t)

27 Aerotriangulation Flugbahn als kubischer Spline statt 6 Ncam Unbekannten nur 6 Ncam / sb Unbekannte, gegenüber 6 Ncam beobachgteten Orientierungsparametern Anzahl der Variablen und Beobachteten gleich wie beim Polygon zusätzliche Parameter werden durch Glattheitsbedingungen kompensiert Bemerkung: Einzeilen-Scanner Anzahl der Orientierungsparameter und der Beobachtungen gleich ABER: keine Verknüpfungspunkte; Ausgleichung minimiert lediglich Widersprüche zwischen GPS/IMU Messungen der Orientierung dynamischem Modell Passpunkten

28 Empirische Genauigkeit Testfeld Vaihingen an der Enz Leica ADS40, Flughöhe 1500 m M=1:24000, GSD 9 cm 4 Streifen, 2 Kreuzstreifen Querüberlappung 44%