Luftbildanalyse und Fernerkundung

Transkript

1 Luftbildanalyse und Fernerkundung 4. Einheit Oktober Beginn pünktlich 14:00 Uhr + Folien zur Vorlesung unter + Rückmeldungen, Anregungen, Kritik, Verbesserungsvorschläge,... * persönlich nach der LV * per ([email protected]) * auf der Rückseite der Anwesenheitsliste Aufgabe: Suchen Sie ein Luftbild ihres Wohnhauses, des Hauses ihrer Eltern oder Bekannten im Internet. d.h. hochauflösendes Bild ist gefragt! + Was finden Sie? + Welche Maßstäbe & Ausschnitte sind möglich? + Qualität der gefundenen Daten? + Probleme? Tipp: (nur mit Zugang, Landwirtschaft) 1

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16 Geometrische Grundlagen von Luftbildern Gegensatz: LB =======> Zentralprojektion Karte =====> Paralellprojektion (Orthogonalprojektion) Das Senkrechtluftbild stellt eine zentralperspektivische Abbildung des Geländes dar: Die von den Geländepunkten ausgehende elektromagnetische Strahlung (Lichtstrahlen) geht durch ein Projektionszentrum (= Objektiv). Das Strahlenbündel wird im Bild so wie es war bei der Aufnahme wieder erzeugt und kann daher als geometrische Figur der Bildmessung dienen. 16

17 LB werden häufig als Kartenersatz benutzt (vgl. Bildmosaik) Aber nur Strecken im ebenen Gelände werden gleich groß abgebildet und zwar unabhängig von ihrer Lage zum Nadirpunkt ( bei senkrechter Aufnahmeachse = Bildmittelpunkt). Flächen werden gleich groß dargestellt = Grundrisse sind unverzerrt. Aber: verkleinert entsprechend ihrem Bildmaßstab. Lagefehler im Senkrechtluftbild Weist das aufgenommene Gelände eine stärkere Reliefenergie auf, werden, infolge der zentralperspektivischen Abbildung die einzelnen Geländepunkte über bzw. unter der Bezugsebene auf dem LB jedoch nicht mehr lagerichtig sondern verlagert abgebildet. Man spricht von Lagefehlern bzw. von einem reliefbedingten Versatz von Geländepunkten in der Senkrechtaufnahme 17

18 Reliefbedingter Versatz von Geländepunkten im Senkrechtbild Punkte auf der Bezugsebene und im Nadir (N) erfahren keine Verlagerung Punkte über der Bezugsebene werden nach außen verlagert Punkte unter der Bezugsebene werden nach innen verlagert Der Lagefehler (Verlagerung, Versatz) wird um so größer, je größer die Reliefenergie (= Höhenunterschiede) und die Nadirdistanz und je kleiner die Brennweite (f) Wichtig ist die Kenntnis der Parameter und die Lage der Aufnahmekammer zur Geländeoberfläche zum Zeitpunkt der Aufnahme: +++ Um die wirklichen Abstände bzw. Dimensionen der Objekte aus dem Luftbild berechnen zu können: Kenntnis der Kammerdaten (RMK Reihenmesskamera) INNERE ORIENTIERUNG + Brennweite + Lage des Hauptmittelpunktes (M): = Durchstoßpunkt der Objektachse durch die Bildebene. Er fällt bei gut justierten Kammern zusammen (M= Nadirpunkt N) Kenntnis des Aufnahmeortes der RMK ÄUSSERE ORIENTIERUNG + Flughöhe (h) + Abweichung der Aufnahmerichtung vom Lot (Libelle) 18

19 Technische Daten auf LB (Codeschlüssel) Luftbild (Senkrechtaufnahme) mit typischen Indizes 19

20 Beispiele für reliefbedingte Lagefehler Bei zunehmender Objekthöhe des Objektes über die Bezugsebene und wachsender Entfernung vom Nadirpunkt wächst die Bildmittelpunktverschiebung in radialer Richtung: Besonders an den Bildrändern und bei Vorhandensein von hohen Objekten (mehrstöckigen Häusern) entstehen Lagefehler und sichttote Räume Maßstabsänderungen bei Geländestufen Bei größeren Höhenunterschieden ändert sich mit der Höhe bzw. Tiefe der Abb.-Maßstab (Mb). Der Aufnahmekammer näher gelegene Objekte werden in größerem Maßstab als tiefer gelegene, d.h. der Aufnahmekammer weiter entfernte Gegenstände, abgebildet. 20

21 Maßstabsänderungen bei Geländestufen Gleitender Maßstab Gleiche Strecken auf verschieden hohen Ebenen (oberhalb und unterhalb der Landstufe) werden verschieden groß abgebildet. Ein Rechteck, das eine Geländestufe überlagert, ist bei zentralperspektivischer Abb. kein Rechteck mehr. Die Strecken auf der unteren Landschaftsebene werden wegen ihres größeren Abstandes von der Aufnahmekammer kleiner abgebildet als die auf der oberen Landschaftsebene. 21

22 Maßstabsänderungen durch verschiedene Objekthöhen N3 Bild 3 N2 Bild 2 höher N1 tiefer Bild 1 Beim Überfliegen einer geraden Straße in einem durch Geländestufen reliefierten Gelände erscheinen höher gelegene Straßenstrecken vom jeweiligen Nadirbildpunkt weggeknickt, tiefere Partien zum Zentrum hingeknickt. Nur bei direktem Überfliegen erscheint die Straße gerade!! 22

23 Welche Lagefehler bzw. Höhenunterschiede sind noch zulässig bzw. wann ist in der Bildmessung ein Gelände noch als eben anzusprechen? Faustregel: Das Gelände kann noch als flach (eben) angesehen werden, wenn die Höhenunterschiede nicht größer sind als die Bildmaßstabszahl geteilt durch 500 Bildmaßstab zulässige Geländeunterschiede in m 1:1000 1:5000 1: : : / / / / /500 Geometrie von Luft- und Satellitenbildern Zentralprojektion des Geländes in die Bezugsebene eines Luftbildes senkrechte Parallelprojektion des Geländes in die Karte 23

24 Zentralprojektion Zentral- und Parallelprojektion am Beispiel Luftbild und Karte 24

25 Wirkung der Zentralprojektion in Senkrechtbildern Wiedergabe von Gebäuden nahe der Bildmitte (rechtes Bild) und nahe dem Bildrand (linkes Bild text 25

26 Geometrische Eigenschaften von Fotos, Scanner- und Radar-Daten In der Geofernerkundung treten erfahrungsgemäß drei Gruppen von Sensoren mit ihren spezifischen geometrischen Abbildungsgesetzen in den Vordergrund: + Fotographische Systeme, + Scanner-Systeme und + Radar-Systeme. Bei all diesen Systemen können sich Höhenunterschiede und Projektionsart ganz unterschiedlich auf die Bildgeometrie auswirken Fotographische Systeme bilden die Erdoberfläche in Zentralperspektive ab! Höher gelegene Geländepunkte, d.h. Punkte oberhalb einer zu wählenden Bezugshöhe, werden dabei in Senkrechtbildern von der Bildmitte radial nach außen versetzt wiedergegeben. 26

27 Scanner-Systeme ergeben - ideale Flugbahnen vorrausgesetzt - eine Mischprojektion aus paralleler (in Flugrichtung) und zentraler Projektion (senkrecht zur Ebene). Demnach werden höher gelegene Punkte (im Gegensatz zur Photographie) senkrecht zur Flugrichtung nach Außen versetzt. Radar-Systeme weisen ebenfalls eine gemischte Projektion auf: In der Flugrichtung liegt eine Parallelprojektion vor; senkrecht zur Bildebene eine Schrägentfernungsprojektion in der höher gelegene Geländepunkte, die ja von der ausgesandten Wellenfront zuerst getroffen werden, zum Flugweg hin versetzt erscheinen. 27

28 Fotografische Aufnahmen Nach Art der Aufnahmen unterscheidet man bei fotografisch gewonnenen Bilddaten (z.t. auch bei Satelliten!) zwei Typen, nämlich + die Schrägaufnahme und + die Senkrechtaufnahme. Die Schrägaufnahme weist einen deutlichen Winkel zwischen Erdoberfläche und Projektionsebene auf. Sie dient meist allgemeinen Übersichtszwecken. Die Senkrechtaufnahme ist hingegen von großer Bedeutung für die Geofernerkundung, da mit ihr systematisch große Areale photographisch zu Kartierzwecken aufgenommen werden. Hier ist besonders die Auswertung von Stereo- Luftbildpaaren zu erwähnen. Die im Bild wiedergegebene Fläche ist etwa quadratisch begrenzt und der Bildmaßstab für alle Bilder gleicher Flughöhe und Kamerabrennweite identisch. Die Aufnahme erfolgt in festgelegten Flugmustern (Befliegungsplänen) mit seitlicher Überlappung (ca. 60%), damit kontinuierliche Flugbahnen mit Stereoaufnahmen abgedeckt werden können. 28

29 Die ideale lotrechte Aufnahme ist im Normalfall nicht möglich, da das Flugzeug turbulenten Schwankungen während des Fluges ausgesetzt ist. Dennoch sind die Abweichungen vom Lot sehr gering, so daß man von Senkrechtaufnahmen im weiteren Sinne sprechen kann. Bildmaßstab Bildmaßstab ist das Verhältnis von Bildstrecke zu Geländestrecke. Die Aufnahmeneigungen und die Geländehöhenunterschiede führen dazu, dass der Maßstab innerhalb eines Bildes uneinheitlich ist. Er wird daher stets nur in abgerundeten Zahlenwerten angegeben. Ist der Bildmaßstab nicht bekannt, kann er errechnet werden aus dem Verhältnis einer Bildstrecke s zur Kartenstrecke s oder von Kamerakonstante c k (Brennweite) zu Flughöhe h g. M b = 1/m b = s /s = c k /h g 29

30 Zur topographischen Kartierung gilt als Faustregel: m b = 250 m k (m b = Bildmaßstabszahl, m k = Kartenmaßstabszahl) Demnach ist bspw. zur Kartierung im Maßstab 1: ein Bildmaßstab von ca. 1: zweckmäßig. Für folgende Fragestellungen werden beispielsweise gerne folgende Bildmaßstäbe gewählt: + Geologie, Geowissenschaften: 1: :30.000, 1: Straßenbau: Grobplanung: 1: : Detailplanung: 1: Forstwirtschaft: 1: für Großrauminventuren kleiner Maßstäbe für Baumschädenkartierung größere Maßstäbe Allgemein ist festzustellen, dass in größeren Bildmaßstäben die Interpretation von Einzelobjekten leichter ist. Es wird aber schwieriger Zusammenhänge zu überschauen bzw. zu erkennen. Außerdem ist zu bedenken, dass die Anzahl der aufzunehmenden und zu handhabenden Bilder mit dem Maßstab wächst. 30

31 In einer Karte ist das Gelände senkrecht auf eine horizontale Bezugsfläche projiziert. Das Luftbild ist im Gegensatz dazu eine Zentralprojektion. Dies hat zur Folge, daß Objektpunkte, welche über der Bezugsfläche liegen, vom Bildnadirpunkt (Mittelpunkt) radial nach außen versetzt werden; darunter liegende nach innen! Dieser Effekt ist umso stärker, je größer der Achsenwinkel vom Nadirpunkt ist; in der Bildmitte verschwindet er ganz. Die Kenntnis dieser Zusammenhänge kann dazu dienen, die Höhe der Objekte zu bestimmen. Wenn der Objekthochpunkt und der darunter befindliche Fußpunkt eines Objektes zu sehen ist, kann man aus der radialen Versetzung der Punkte (r') die Objekthöhe (h) ableiten Schematisierte radiale Versetzung durch Höhenunterschiede 31

32 Bei genauen Kartierungen müssen auch die internen Verzerrungen korrigiert werden, die aus der Abweichung von der Lotlinie der Senkrechtaufnahme abzuleiten sind. In einem idealen Nadirbild ist der Bildmaßstab überall gleich; bei Abweichungen resultiert eine Verzerrung des Maßstabes innerhalb derselben Aufnahme. Diese ungünstigen geometrischen Verzerrungen werden durch Vergleiche mit topographischen Paßpunkten behoben. Streng genommen bleibt jedoch immer ein Restfehler zurück, da die Topographie des Geländes zu weiteren Projektionsverzerrungen führt. Bei Überschreiten einer Fehlertoleranzgrenze sollten dann die aufwendigeren Methoden der Photogrammetrie Anwendung finden. Verzerrung 32

33 Geometrie von Scanner- und Radarbildern... folgt später Entzerrung 33

34 Entzerrung Entzerrung 34

35 Entzerrung Luftbild Orthofoto Orthofotos Die negativen Auswirkungen der Zentralprojektion, geometrische Verzerrungen bei der Abbildung der Landschaftsobjekte, werden durch Umbildung des Originalluftbildes in eine genäherte Parallelprojektion unter Berücksichtigung der genauen Reliefform, erfasst in einem Digitalen Geländehöhenmodell (DEM), beseitigt. Das Verfahren wird als Luftbildentzerrung bezeichnet und das dabei entstehende Produkt als Orthofoto (griech.: orthós - richtig, gerade, aufrecht). Das Orthofoto hat über die gesamte Bildfläche einen einheitlichen Maßstab und Raumbezug und weist daher die gleichen Eigenschaften wie eine Topographische Karte auf. Orthofotos gibt es flächendeckend für ganz Österreich. 35

36 Hauptvorteile eines Orthofotos sind + dass man Distanzen auf ihm messen + und daraus Flächen berechnen kann + außerdem können mehrere Fotos zu einer Gesamtübersicht zusammengesetzt werden. Bsp.: Blattschnitt und Verfügbarkeit von Orthofotos im Norden Vorarlbergs; Vbg. Landesregierung Stereoskopisches Sehen Dass wir räumlich sehen können, verdanken wir im wesentlichen zwei Dingen: + Wir besitzen zwei Sehorgane (Augen) mit koordinierter Muskelsteuerung + Das Sehzentrum unseres Gehirns verarbeitet die gewonnenen Bilder und modelliert sie räumlich Um das Konzept des stereoskopischen Sehens zu verstehen, muss man sich nur die Tatsache bewusst machen, dass jedes Auge beim Betrachten eines Objektes einen geringfügig anderen Winkel zum Objekt einnimmt: Je weiter entfernt wir schauen, desto eher sind unsere Augäpfel parallel ausgerichtet. Betrachten wir dagegen sehr nahe Objekte, müssen wir unsere Augäpfel nach innen, zur Nase hin, drehen. 36

37 Stereoskopisches Sehen Diese naturgegebene Bewegung der Augen nehmen wir normalerweise nicht bewusst wahr. Durch frühkindliche Lernprozesse und Erfahrung haben wir uns daran gewöhnt, dass unsere Augen automatisch den Punkt fokussieren, den wir gerade anschauen. Viele optische Täuschungen leben davon, dass unser Gehirn erfahrungsbasiert arbeitet und wir dadurch verwirrt werden, dass etwas nicht so erscheint, wie wir es gewohnt sind. Den Automatismus des Gehirns können wir willkürlich außer Kraft setzen. Den meisten Menschen dürfte das bewusste Schielen bekannt sein, ebenso das entspannte Hindurchschauen durch Objekte oder Personen, um die Augen in der imaginären Unendlichkeit ausruhen zu lassen. Genau diese beiden Methoden der bewußten Augensteuerung können wir uns zunutze machen, um Stereobilder ohne jedes Hilfsmittel zu betrachten + Parallelblick + Kreuzblick 37

38 Stereoskopisches Sehen PD... Pupillendistanz d... Tiefenwahrnehmung x1, x2... Konvergenzwinkel *... Stereoskopische Paralaxe Hilfsmittel zum künstl. stereoskopischen Sehen 38

39 Stereoskopisches Sehen Anaglyphen Bei den Anaglyphenbildern (= ist ein spezielles Stereogramm = eine Abbildung, bei der bei entsprechender Betrachtung eine räumliche Tiefenwirkung sichtbar wird) werden die beiden stereoskopischen Halbbilder übereinander gedruckt, wobei beide Halbbilder in Komplementärfarben eingefärbt werden. Mit einer entsprechend gefärbten Brille, wird für jedes Auge das richtige Halbbild herausgefiltert. Meist werden die Farben Rot und Blau bzw. Rot und Grün verwendet. 39

40 Anaglyphenbild, Großglockner-Hochalpenstraße Echtfarbenbild, Großglockner-Hochalpenstraße 40

41 Anaglypenbild und Echtfarbenbild im Vergleich Aufgabe: Zusammengefasste Information zu digitalen Farb-Orthofotos von OÖ download unter LESEN 41